高速铁路隧道板岩膨胀特性及机理研究

对武广高速铁路部分以板岩为主的隧道进行了岩心取样;并对其展开了膨胀特性试验。试验分别获取了板岩膨胀率与吸水时间、膨胀率与吸水率以及膨胀率与应力状态之间的关系。通过拟合,得到了板岩侧向约束膨胀率随时间变化的规律,将国内其他学者的研究成果与该拟合规律进行代入计算,得出板岩膨胀率和吸水率之间的关系式。在综合考虑吸水率和应力状态对膨胀变形影响的基础上,引入时间效应,建立了板岩的膨胀本构方程。结果表明:板岩侧向约束膨胀率与吸水时间之间呈指数函数关系,板岩轴向膨胀率随轴向荷载的增加呈负对数函数减小。最后,从微观的角度对板岩的膨胀特性机理进行了相关分析。     

高地应力区深埋隧道三维应力场数值模拟

结合高地应力区某深埋隧道工程,通过三维弹塑性有限元数值模拟,分析隧道掌子面推进过程中的围岩空间应力场状态和演化趋势.结果表明:当掌子面接近和通过某一断面时,围岩主应力大小和方向发生相应的变化.隧道开挖对平面σx、σy的主要影响范围约为0.5B,对围岩空间主应力和剪应力的影响范围约1.0B,对围岩位移和屈服接近度的影响范围分别为2.0B和1.0B.对高地应力区深埋隧道围岩稳定性分析、确定合理的支护措施以及制定合理的开挖方案具有重要的意义.     

板岩隧道的施工控制与管理探讨

板岩隧道有其自身的特点：易塌方，遏水产生膨胀风化，预注浆加固困难且效果不明显等；同时，板岩节理发育、板岩冲沟地段对隧道建设影响很大。板岩隧道造价高昂，修建小净距和连拱隧道的经验非常少，这些都是制约了板岩隧道向更高层次发展。本文根据近几年板岩隧道施工中成功和失败的经验，对板岩隧道的施工控制和管理经验进行了总结。     

高应力炭质板岩隧道开挖支护结构受力评价研究

为探究高应力下炭质板岩隧道开挖过程中围岩位移、支护结构内力变化规律，依托渭武高速木寨岭公路隧道，采用有限差分软件FLAC3D建立三台阶七步开挖法下炭质板岩隧道的数值模型，提出强、中、弱三种支护方案；分析开挖距离对围岩位移、支护结构内力等因素的影响，并对支护设计参数合理性评价。研究结果表明：开挖过程中围岩累计沉降和收敛变形量比较：强支护＜中支护＜弱支护；开挖相同距离下，随着支护强度上升，支护提供的弹性抗力越强，围岩沉降和收敛变形减小；以强支护为例，支护结构轴力呈现先增大后减小的趋势，最终轴力不断上升但趋势变缓的特征，开挖距离50m趋于稳定；支护设计参数评价时，开挖距离（50m）结束，强、中、弱三种方案钢架受压安全系数最小值分别为3.903、3.718、3.264，#1拱顶处强支护钢架较喷射混凝土先破坏，混凝土安全系数最小值分别为3.491、2.987、2.666，#2左拱腰处喷射混凝土较钢架先破坏，故选择中支护方案，材料I25b×C25、初衬厚度26cm、钢架距离0.8m。研究结果可为类似软岩隧道开挖和支护结构的设计提供一定参考。     

炭质板岩地层公路隧道结构受力特征及优化

在炭质板岩地层中进行隧道施工会面临软弱围岩大变形、掌子面易失稳等问题,合理的支护结构体系是隧道施工安全和经济的保障。为此,本文依托峨汉高速豹狸岗隧道工程,通过对Ⅳ级围岩段隧道施工过程中围岩压力、围岩-结构间接触压力、支护结构内力等进行监测分析,获得Ⅳ级围岩形变荷载分布规律及结构受力特征,研究表明:初期支护和二次衬砌的安全度较高,但支护材料强度没有得到充分发挥。因此基于支护结构受力有限元分析,对二次衬砌的支护参数进行优化,提出的支护优化方案整体可行,可为类似的工程提供一定的参考价值。     

高温流变应力曲线修正方法

通过Cr9Mo钢在摩擦和温度梯度共同作用下的热压缩实验来模拟材料的压缩过程,将实验得到的流变应力曲线直接作为材料的真实流变应力曲线输入模拟程序材料库中,将模拟和实验所得载荷与位移的变化关系曲线进行对比,并利用迭代法消除两者误差,从而获得材料修正后的流变应力曲线.结果表明,所提出的修正方法可以降低摩擦和温度梯度所造成的流变应力误差,可以获得精确的材料流变应力曲线,简单、实用并具有普适性.     

围岩流变特性对隧道二衬支护时机的影响

为了研究岩体流变特性情况下隧道二衬的支护时机,首先推导了在考虑围岩流变特性时,衬砌抗力、位移及围岩的位移表达式;然后以广梧高速公路茶林顶隧道岩体为工程背景,探讨了考虑岩体流变情况下,隧道二衬支护时机的确定方法,并对比了围岩拱顶下沉实测值和理论计算值。结果表明：(1) 理论分析所建立的衬砌抗力、位移及围岩的位移表达式中均包含了时间参数,可确定达到不同衬砌抗力、位移及围岩位移所需要的时间;(2) 围岩拱顶下沉实测值和理论计算值表现出相同的发展规律,验证了所建立方法的正确性。     

考虑地震影响的小间距隧道围岩流变损伤

针对隧道围岩的流变特性，基于拟静力法建立了隧道围岩在流变过程中有地震作用时的长期变形与稳定性分析格式，并对三车道小间距隧道的开挖施工过程进行了粘弹塑性数值分析，探讨了地震对小间距隧道围岩与支护结构的影响。数值仿真对比分析表明：地震因素对隧道周边各点的水平位移影响较大，对竖向位移影响较小；中间岩壁在地震影响下，可能发生错动破坏，而且在施工方法的共同影响下有侧向移动的趋势，这将对小间距隧道的安全稳定产生不利的影响。给出了在典型施工方式下，三车道隧道围岩破坏特征及其施工过程中小间距隧道洞周特殊点粘弹塑性的变形规律，可作为小间距隧道设计参考。     

非线性准则下深埋公路隧道围岩压力研究

基于非线性Mohr-Coulomb屈服准则,构建了深埋隧道围岩多块体破坏模式。借助极限分析上限能量方法导出了隧道围岩压力目标函数解析解,并通过软件优化获得最优上限解。以娄衡高速笋安山隧道为工程依托,将本文获得的优化上限解与现场实测数据进行对比,论证了所构建的隧道破坏机制的有效性及准确性。研究成果可以为今后深埋隧道的支护设计以及安全评估提供理论依据。     

成兰铁路特长深埋隧道岩爆段应力特征

为了探究高地应力环境下深埋隧道岩爆发生机理,掌握岩爆孕育规律,通过现场测试、数值分析及室内实验,对平安特长深埋隧道岩爆段围岩的二次应力场进行了分析,探明了隧道岩爆发生的力学机制,并运用经典应力岩爆判据指标,预测判断出岩爆发生强度及位置。研究表明：隧道侧壁处存在较大的压应力,是造成岩爆发生的主要原因;高地应力条件下,由于结构面等不利因素的存在,造成掌子面中部处原岩应力突发释放而引发高烈度的岩爆;在岩爆区段进行应力释放孔的布置,能够有效地释放原岩应力,减少岩爆发生的可能性。相关研究成果能够深化人们对于高地应力环境下岩爆发生机制的认识,为类似工程岩爆的防控及建设提供科学依据。     

不同应力场软弱围岩公路连拱隧道力学特征试验

为了更全面了解不同应力场软弱围岩公路连拱隧道的力学特征,选择曲中墙连拱隧道结构形式,基于"先加载后开洞"思路,开展施工过程相似模拟试验,研究不同应力场软弱围岩连拱隧道施工应力变化特征,分析应力场对支护结构受力的影响。试验结果表明:不同应力场,在左、右洞开挖过程中,侧压力系数较小时,拱底和拱顶应力释放最为显著,侧压力系数较大时,拱腰应力释放最为显著;围岩与衬砌接触压力,除在中墙顶、底方向随侧压力系数的增大而略有减小外,其他各方向均随侧压力系数的增大而增大;中墙压应力的量值随侧压力系数的减小而增大;左、右洞衬砌结构内外侧受力不对称,且侧压力系数对衬砌结构的切向应力影响很大,即随着侧压力系数的增大,切向应力最大值位置逐渐由外侧拱腰向拱顶过渡。     

考虑温度效应的板岩隧道围岩蠕变变形规律研究

隧道开挖后,围岩应力重新分布,产生蠕变变形现象,常会引起大变形、塌方、冲击地压等灾害.为解决此问题,进行了0～120 d的围岩位移、温度现场监测试验,预测和评价板岩隧道围岩的长期稳定性.首先,基于监测位移和温度变化规律,建立改进的Harris温度-时间关系表达式;然后,嵌入Heard幂律型蠕变模型,得到一个新的考虑温度...     

酸侵蚀对公路隧道安全性影响的模拟计算

对衬砌受酸性介质(采用pH=3的盐酸溶液)侵蚀后的隧道,运用同济曙光软件建立荷载-结构法拉压弹簧模型进行分析计算.结果表明:①随着环向裂缝宽度(钢筋锈蚀程度的增加)和纵向裂缝深度的增加,隧道安全性能逐渐降低;②衬砌具有相同钢筋锈蚀程度和纵向裂缝深度时,拱顶处病害比拱腰处病害对隧道安全性能的影响大;③当环向裂缝宽度小于0.2mm时,环向裂缝宽度的变化对隧道衬砌安全性能影响不大.     

流变岩体中三向压力传感器的应力恢复规律模拟研究

流变应力恢复法是一种专门针对深部软弱围岩提出的地应力测量新方法;该方法在围岩钻孔中埋置三向压应力传感器,并注浆充填密实,进而根据传感器的实测恢复应力来分析围岩的初始应力状态和巷道围岩应力分布及演化。压力传感器实测应力的恢复规律是流变应力恢复法需要解决的关键问题之一。采用数值方法模拟流变应力恢复法的测试过程,研究不同围岩黏弹性模型、不同围岩参数、不同地应力状态以及不同注浆材料模量参数对三向压应力传感器实测应力的影响规律;同时,基于大量文献中的流变试验数据,得到了不同围岩等级下传感器实测应力的恢复规律。该研究为流变应力恢复法的成功实施提供了理论依据。     

公路隧道内最佳行驶速度模糊算法

为寻求计算公路隧道内车辆行驶最佳速度的有效方法，将车速、流量、车流密度、能见度、CO浓度、风速、路面状态、时段、工作日、节假日10个影响指标归结为交通状况、环境状况和交通需求3类因素，给出了具有2层模糊决策结构的最佳速度模糊逻辑算法，并进行了算法设计和仿真。仿真结果表明：该方法能针对隧道交通流的实际情况，充分利用与速度密切相关的信息来确定最佳速度，克服了传统算法依赖历史数据或建模困难的缺陷；得到的最佳速度实时性好，准确性高，可为隧道内行驶速度控制提供可靠的依据。     

公路隧道工程建设质量管理

在借鉴现有相关行业规范、规程的基础上,研究了公路隧道质量检测与评价体系。将公路隧道的工程质量检测分为材料、施工、竣工和运营4个子系统,分别给出其检测内容、检测方法和评价指标,以及相关质量检测表格,进而用Delphi语言研制了公路隧道工程质量检测的计算机管理系统(IMSHTQ)。实现了公路隧道工程建设质量管理的信息化和数字化,为公路隧道工程质量检测体系的建立提供了技术储备。     

雁门关公路隧道通风方案

从地理环境、气候条件、工程地质、交通流量、土建投资、运营费用以及防火救灾功能等方面,详细研究了雁门关公路隧道的七种通风方式,通过多方案的技术经济比较,给出了雁门关公路隧道的通风方案。通过数值模拟方法,给出了推荐方案的隧道风压、风速和污染物浓度变化曲线。     

大凉山深埋软弱围岩公路隧道塌方机理及处治措施

为研究山区深埋隧道塌方机理,以乐西高速大凉山2号隧道工程为工程背景,采用有限元软件MIDAS GTS NX模拟塌方段围岩稳定性,对隧道塌方成因进行分析,提出相应处治措施,并通过现场监测验证其合理性。结果表明：该段处于泥砂岩地层与灰岩地层交界处,节理裂隙发育,岩体松散破碎,裂隙水的渗流使围岩稳定性降低导致隧道塌方;塌方段拱顶沉降量为177.02 mm,拱腰水平收敛量为68.21 mm,围岩变形量较大;围岩塑性区出现在上中台阶掌子面,应变最大值为3.027×10-²,将发生塑性破坏。采用大管棚＋双层超前小导管补强支护对塌方段进行加固,处治效果良好,为后续类似工程提供指导借鉴。     

碎裂板岩不同含水状态下蠕变特性试验

为了认识不同含水状态下碎裂板岩的蠕变特性,利用Instron全数控电液伺服力学试验机对贵州黔东南地区隧道洞口的碎裂板岩进行单轴压缩蠕变试验,研究其自然风干、不完全饱和和饱和试样的蠕变特性。实验研究结果表明：（1）碎裂板岩蠕变过程主要包括衰减蠕变和稳态蠕变过程,超过一定应力后,在极短的时间内破坏,因此可由广义开尔文模型描述其蠕变过程;（2）自然风干试样蠕变破坏应力为66.2 MPa,为自然风干试样瞬时单轴抗压强度的71.7%,不完全饱和试样蠕变破坏应力为56.1 MPa,饱和试样蠕变破坏应力为38.2 MPa;（3）不完全饱和试样的最大蠕变应变为自然风干试样的2.7倍,而饱和试样的最大蠕变应变值是自然风干试样的4.3倍。