基于西原模型的圆形隧道黏弹-黏塑性解析解

基于西原模型,假设黏塑性体的偏应变张量的一阶导数与瞬态偏应力张量和稳态偏应力张量之差成正比,得到围岩黏塑性区的本构方程。采用拉普拉斯变换与逆变换,推导了圆形隧道黏弹-黏塑性解析解。当 时,该解退化成线弹性本构模型的解答;当 时,该解退化成理想弹塑性本构模型的解答。通过工程实例,分析了围岩位移场、应力场和黏塑性区半径随时间的变化规律。当支护力保持不变时,围岩不同位置位移、围岩黏塑性区半径将随时间增长而持续增大并趋于稳定;围岩黏弹-黏塑性特征对径向应力和黏弹性区切向应力影响较小,对黏塑性区切向应力影响较大,越靠近洞壁处,切向应力随时间变化越剧烈。此外,不同支护力作用下洞壁处的切向应力在支护初期均较大,因此应采用及时支护的策略;考虑到围岩黏弹-黏塑性特征对支护力的影响,建议采取让压支护技术以保证围岩和衬砌的稳定性。     

非静水应力场中圆形隧道衬砌与围岩间两种接触的黏弹性解析

基于非静水应力场中圆形衬砌隧道围岩与衬砌的弹性复变函数表达,利用黏弹性对应原理推导了隧道衬砌与围岩在光滑接触和完全接触情况下的黏弹性通解。推导中围岩符合黏弹性,衬砌为线弹性,且考虑了衬砌支护滞后效应,得到的理论解适用于所有线弹性元件模型。推导的理论解与以往理论解及数值解较一致。根据解答,假定围岩符合广义开尔文(H-K)黏弹性体时,分析表明,衬砌所受的径向、切向应力、衬砌的环向位移以及轴力弯矩均随时间增长而逐渐增大,并收敛于定值;两种接触条件下,围岩的位移、衬砌的应力、位移和内力沿环向分布规律均有较大不同,且随时间增大,二者相差越大。相比已有解析,文中所推导的非静水应力场中衬砌与围岩两种接触下黏弹性解更具普适性,且完全接触下的黏弹性解与深埋圆形衬砌隧道实际情况更为接近。对比两种解析可为实际中衬砌的合理选择和施工提供参考。     

隧道开挖问题中的流固耦合模型及数值模拟

隧道工程中的地下水问题是富水地层中普遍存在的重要问题,地下水流动对隧道围岩稳定性有重要影响。给出了描述隧道开挖过程中力学与水力特征及表征方法,根据岩体的基本结构特征及代表性单元体（REV）是否存在提出了流固耦合模型的建立方法;提出了隧道水力耦合数值分析中的耦合计算模型的建立方法;利用数值法研究了隧道开挖渗流与应力耦合问题,得到变形和渗流场的变化规律。结果表明,隧道开挖引起的渗流影响边界大于力学影响边界,由于渗流引起的渗流力增加了围岩的应力、位移,从围岩-支护结构共同作用原理考虑,进行隧道支护结构设计时是应该考虑渗流效应的。     

锦屏二级水电站引水隧洞长期稳定性数值分析

针对锦屏II水电站深埋引水隧洞高地应力、强渗透压的复杂赋存环境及硬脆性岩体的特点,采用凝聚力弱化-摩擦强化（CWFS）模型反映岩体的脆塑性变形特点。采用黏弹性模型反映其黏性变形规律,基于现场的位移监测资料,通过遗传规划和粒子群算法的流变模型及参数识别方法得到黏弹脆塑性流变模型及其参数,利用大型岩土工程分析软件FLAC3D,模拟了隧洞群岩体的流变力学行为、喷锚支护型式及其与围岩相互作用机制以及工程结构体在高渗透压下的流固耦合效应。通过模拟结果的分析,采用位移、位移速率、应力、破坏接近度及支护结构的受力状况等状态信息的综合集成分析方法,对此工程围岩及结构体在复杂赋存环境中的长期稳定性状态进行了评价,并论证了现有设计方案的合理性,为指导工程设计和施工起到重要的作用。     

粉砂地层盾构隧道开挖面稳定性离心试验及数值模拟

通过开展离心模型试验,对干粉砂及饱和粉砂中盾构隧道开挖面的失稳破坏特性和极限支护压力进行了研究。通过远程控制开挖面土体位移,获得了支护压力与开挖面位移间的关系曲线及开挖面达到主动极限平衡状态时的破坏模式。2组干砂离心模型试验结果表明,当隧道埋深与隧道直径比从0.5增大到1时,开挖面破坏模式从整体坍塌破坏转变为烟囱状,但极限支护压力变化较小。饱和砂土中的试验表明,开挖面水平方向破坏范围相比在相同埋深干砂中的范围扩大,极限支护压力显著增加。对开挖面破坏过程进行三维弹塑性有限元数值模拟,获得了开挖面极限支护压力和破坏机制,所得结果与试验吻合较好。进一步通过数值模拟,分析了土体强度参数、隧道埋深及渗流对极限支护压力的影响规律。结果表明,渗流条件下开挖面破坏区域及极限支护压力均大于无渗流情况,极限支护压力随内摩擦角增大而减小,随隧道埋深增大而减小。     

悬索桥隧道式锚碇夹持效应的试验研究

隧道式锚碇的夹持效应机制及其破坏形态的研究尚不充分,不利于隧道式锚碇设计理论的优化。通过开展锚碇的二维室内模型试验,分析了锚碇和岩体联合承载的过程、机制及锚碇自岩体内拔出时的破坏形态,并针对锚碇的楔形角和埋深等几何要素对锚碇的承载力和破坏特征的影响做了简单分析,在一定程度上揭示了隧道式锚碇夹持效应的本质。所得结论主要有:(1)锚碇加速非线性移动挤压土体产生附加应力,激发夹持效应发挥抗力作用,调动周围岩土体联合承载。(2)隧道式锚碇的承载力由自重效应和夹持效应组成,自重效应不足以平衡主缆荷载时,夹持效应才发挥作用。从经济和安全角度,应对锚碇的体型进行合理设计,使得夹持效应得到有效发挥。(3)锚碇的楔形角影响锚碇的极限承载力,设计时应通过优化分析确定优势角。(4)锚碇的埋深越大,承载力越大,两者基本成线性关系。在实际工程中应把握施工难易性、经济性及承载力之间的关系综合确定埋深。(5)锚碇裂纹的产生和发展与锚碇及岩体的应力位移响应具有相关性。锚碇与土体相对静止时无裂纹产生,破坏形态基本形成的时间与锚碇加速非线性位移阶段相对应。     

盾构法施工中楔形体模型滑裂面倾角的研究

在盾构开挖面极限支护力的计算理论中,楔形体模型由于简单、直观而得到广泛的应用,但确定滑动面倾角 较为繁琐,尤其是在迎坡条件下的研究较少。在梯形楔形体模型的基础上,通过引入盾构隧道的纵坡坡度角θ,建立了迎坡条件下的盾构开挖面极限支护力计算模型,推导出开挖面极限支护力计算公式。对开挖面支护力计算值的数据分析发现,不考虑渗流力和黏聚力的影响时,滑动面倾角 仅受隧道线路纵向坡度角 的影响较大,而土的内摩擦角c、重度 、开挖面直径D、埋深H和地表附加应力q对其影响很小;考虑黏聚力c的影响时,c≤11 kPa时滑动面的倾角 随黏聚力的增大逐渐减小,且当黏聚力、内摩擦角和开挖面直径一定时,滑动面倾角 只在某一特定数值附近小幅度变化,同时当开挖面直径D>5 m时,滑动面倾角随开挖面直径的增大而增大;土的重度、地表附加应力和埋深对滑动面倾角的数值影响不大,计算滑动面倾角时可不考虑它们的影响。在分析研究基础上得到了滑动面倾角 的计算公式,简化了极限支护力的求解过程。     

峡口高地应力软岩隧道施工监测及支护对策研究

针对高应力软岩公路隧道的特点,对湖北宜巴高速公路峡口隧道开展了地应力测试、隧洞收敛下沉、接触应力、结构受力等项目的监测工作。地应力测试结果表明,虽然隧洞埋深不大,但由于构造应力的存在,仍属于高地应力区。施工监测结果表明,高应力软岩隧道变形与结构受力具有明显的时空效应,与开挖方式、工作面距离以及支护时机密切相关。由于隧洞围岩软弱破碎,加之处于高应力作用下,在工作面通过后,岩体产生持续性的流变变形,导致隧洞产生挤压大变形和结构受力的持续增加,达到支护结构强度极限,最终导致围岩失稳和支护体系的失效。基于上述研究成果,提出了相应的高应力软岩大变形支护设计对策。研究成果为高应力软岩隧道变形与结构受力的时空效应性提供了监测数据支持,为峡口隧道的施工和支护设计提供了依据,对我国西部其他高应力软岩公路隧道的建设具有借鉴意义     

在裂隙岩体中开挖隧道的双场耦合蠕变分析

运用黏弹性断裂、蠕变理论,对裂隙围岩在开挖时的蠕变现象进行分析,建立了隧道开挖的双场耦合蠕变模型。运用Laplace转换,推导出围岩的径向位移函数表达式,分析了应力卸荷、渗流力的作用以及节理裂隙分布对径向位移的影响。同时,利用FLAC中的FISH语言编写了FISH函数,将计算隧道模型的数值及解析结果与实测数据进行了比较。计算结果表明,径向最大位移变化量并不在主应力最大方向,也不在隧道顶端,而是受地应力分布、渗透水压和节理分布综合作用形成偏压位移,其结果可为隧道支护提供借鉴。     

位移不连续模型在黏弹性节理刚度计算的应用

考虑节理质量对应力波传播的影响,运用波的位移位函数推导了谐波在厚黏弹性节理的透、反射系数计算公式,采用波形相关系数描述子波穿过黏弹性节理的波形变化,讨论具有一定厚度的黏弹性节理简化位移不连续模型的适用条件。设厚黏弹性节理模型和位移不连续模型的透射波波形相关系数为0.9时对应的节理厚度为临界厚度,岩体与节理的阻抗比对临界厚度的影响很小;临界厚度随子波中心频率增大呈负指数减小,入射角越大,临界厚度随中心频率减小得越慢。试验数据分析表明：当节理厚度为0.03 m时,采用位移不连续模型和厚黏弹性模型计算得到的节理力学参数非常接近,随节理厚度和子波中心频率增加,运用位移不连续模型的计算结果偏差越大,试验结果与理论分析是一致的。     

浅埋大跨小间距黄土隧道支护技术研究

以武-西高速公路桃花峪黄土隧道为研究对象,采用现场试验与数值模拟的方法,研究格栅和型钢支护结构对浅埋大跨小间距黄土隧道的影响规律。现场试验表明,施工引起的沉降比较均匀,格栅支护与型钢支护对控制整体沉降差别不明显。格栅钢架的受力比型钢钢架小且分布更为均匀,说明格栅钢架受力更为有利。格栅与型钢钢架受力状态相似且都合理。模拟计算表明,格栅支护与型钢支护相比,型钢支护的位移更小。较之格栅,型钢支护拱顶沉降减小16%~18%,边墙收敛减小23%,拱脚沉降减小18%。在V级黄土隧道中采用双侧壁法开挖大断面隧道,围岩将发生较大塑性变形。塑性区域发展范围较大,需及时支护,格栅支护与型钢支护对塑性发展范围基本一致。     

Analytical study of ground responses induced by the excavation of quasirectangular tunnels at shallow depths

The construction of quasirectangular tunnels at shallow depths is becoming increasingly common in urban areas to efficiently utilize underground space and reduce the need for backfilling. To clarify the mechanical mechanism of the stresses and displacements around the tunnels, this study proposes analytical solutions that precisely account for quasirectangular tunnel shapes, the ground surface, the tunnel depth, and the ground's elastic/viscoelastic properties. The Schwarz alternating method combined with complex variable theory is employed to derive the elastic solution, and convergent and highly accurate solutions are obtained by superposing the solutions in the alternating iterations. Based on the solution and the extended corresponding principle for the viscoelastic problem, the time-dependent analytical solutions for the displacement are obtained for the ground assuming any viscoelastic model. The analytical solutions agree well with the finite element method (FEM) numerical results for models that are completely consistent, and qualitatively agree with field data. Furthermore, based on the stress solution combined with the Mohr-Coulomb failure criterion, the predicted initial plastic zone and propagation directions around the tunnels are qualitatively consistent with those determined by the limit analysis. A parametric study is performed to investigate the influences of the rectangular/quasirectangular tunnel shape, burial depth, and supporting pressure on the ground stresses and displacements.     

隧道纵向整体抗震分析的近似方法

根据隧道工程的特点,考虑隧道与围岩的相互作用,依据抗震动力学理论、结构-围岩相互作用理论及当量半径的思想,建立隧道结构动力平衡方程,该方程从理论上考虑了隧道的自重惯性力。从方程可以看出,经典反应变位法是该方法的特例。通过算例分析了隧道埋深、地层剪切波速、基岩剪切波输入方向、上覆地层的特征周期、弹性地基系数及围岩弹性模量对衬砌纵向应力的影响。通过算例分析可知,（1）围岩-结构相互作用对隧道抗震分析具有较大的影响,不考虑相互作用得到的结果是相对保守的;（2）隧道的自重惯性力只有在超浅埋结构中有一定的影响,随着隧道埋深的增加,自重惯性力的影响完全可以不计;（3）本方法实际上是隧道纵向抗震分析的一种工程算法,所得的结论对于深埋隧道结构的整体抗震概念分析提供了一定的理论参考。     

Analytical Solutions for the Construction of Deeply Buried Circular Tunnels with Two Liners in Rheological Rock

The construction of underground tunnels is a time-dependent process. The states of stress and strain in the ground vary with time due to the construction process. Stress and strain variations are heavily dependent on the rheological behavior of the hosting rock mass. In this paper, analytical closed-form solutions are developed for the excavation of a circular tunnel supported by the construction of two elastic liners in a viscoelastic surrounding rock under a hydrostatic stress field. In the solutions, the stiffness and installation times of the liners are accounted for. To simulate realistically the process of tunnel excavation, a time-dependent excavation process is considered in the development of the solutions, assuming that the radius of the tunnel grows from zero until its final value according to a time-dependent function to be specified by the designers. The integral equations for the supporting pressures between rock and first liner are derived according to the boundary conditions for linear viscoelastic rocks (unified model). Then, explicit analytical expressions are obtained by considering either the Maxwell or the Boltzmann viscoelastic model for the rheology of the rock mass. Applications of the obtained solutions are illustrated using two examples, where the response in terms of displacements and stresses caused by various combinations of excavation rate, first and second liner installation times, and the rheological properties of the rock is illustrated.     

浅埋偏压软岩隧道数值模拟及方案比选

围岩的应力应变是分析隧道开挖中围岩稳定性的重要依据。目前比较成熟的隧道施工力学方法主要是对隧道开挖过程进行数值模拟。通过大型有限元软件ANSYS,计算了不同埋深、不同坡度角、不同覆盖层厚度条件下,马鞍形浅埋偏压软岩隧道围岩的应力应变,分析其规律并进行方案比选,确定了此类隧道比较合理的设计方案。分析结果表明：以2倍洞径的埋深作为偏压隧道深埋或浅埋的判断依据是合理的;在保证围岩稳定不发生片帮冒顶的前提下,减小埋深和覆盖层厚度是比较合理的;隧道内壁各点的应力应变规律可以为隧道开挖中支护结构参数的选取提供参考。     

Dynamic Response of Curved Wall LTSLS Under the Interaction of Rainwater Seepage and Earthquake

When water permeates the loess, the strength of the loess will be greatly reduced; thus, it is necessary to study the effect of seepage on the seismic response of a loess tunnel. Fields of structure and fluid are simulated using ADINA, and the calculation model of a curved wall loess tunnel with a super-large section (LTSLS) is established. Rainwater is simulated using an incompressible constant parameter model. Considering the action of near- and far-field earthquake and pulse effects, the Galerkin method is used to solve the interaction of stress and seepage fields. By contrasting and analyzing the maximum principal stress, the minimum principal stress, the maximum displacement of lining and the internal force of the tunnel structure, the influence of rainwater seepage on the mechanical properties of LTSLS is studied, and meanwhile, dynamic responses of LTSLS under the interaction of rainwater seepage and earthquakes are studied. The results show that if rainwater seepage is only considered for shallow buried LTSLS, the pore water pressure of a tunnel is so small that it may be neglected. The damage degree of LTSLS under the interaction of rainwater seepage and earthquakes is more than that under a single field. When considering the interaction effect of rainwater and earthquakes, the pore water pressure, principal stress and displacement under a near-field earthquake with pulse effect are greater than those under a near-field earthquake without pulse effect and a far-field earthquake under the same condition.     

高速铁路大断面黄土隧道深浅埋分界深度研究

郑州-西安铁路客运专线穿越西部黄土分布的主要地区,该线含大量单洞双线隧道,其开挖面积大于160 m2,跨度大于15 m,属于超大断面隧道。由于黄土的特殊性质以及开挖跨度与断面的增大,隧道围岩压力随埋深的变化尚不清楚,目前对该类型隧道的深、浅埋分界深度界定认识不统一。通过郑西线12座隧道地表裂缝与埋深关系的现场调查,初步确定了大断面黄土隧道的深、浅埋分界范围,指出小于11 m可作为超浅埋,40～60 m为浅埋与深埋分界深度,大于60 m为深埋;基于裂缝调查,按剪切滑移破坏极限状态理论对以上分界范围进行了理论分析与验证;精心设计现场试验,在浅、深埋等地段布置17个量测断面进行围岩-初期支护间接触压力的量测,发现实测围岩压力与界定的深浅埋计算结果吻合良好,表明所给深、浅埋界定范围正确。     

基于现场测试的大跨扁平连拱隧道最佳支护时机研究

大跨扁平连拱隧道由于其开挖跨度大和断面扁平等特点,施工过程中围岩与结构的受力、变形同四车道连拱隧道或分离式隧道存在较大的差异,相应地影响到二次衬砌的最佳支护时机。以某六车道连拱隧道为依托工程,探讨了以隧道位移释放比为基本指标的支护时机确定方法,并通过对围岩位移与不同支护时机条件下二次衬砌内力的现场测试与综合分析,依据“支护抗力最小”的原则,提出了大跨扁平连拱隧道二次衬砌最佳施作时机。     

Response of a tunnel deeply embedded in a viscoelastic medium

This paper presents a three‐dimensional energy‐based solution for the time‐dependent response of a deeply embedded and unsupported semi‐infinite tunnel of circular cross‐section. The tunnel is taken to be excavated quasi‐instantaneously from an infinite rock body that initially exhibits an isotropic stress state and that is made up of a homogeneous, isotropic and viscoelastic material. The viscoelastic behaviour is modelled by means of Burger's model, and the rock is taken to behave volumetrically linear elastic and to exhibit exclusively deviatoric creep. This viscoelastic problem is transformed into the Laplace domain, where it represents a quasi‐elastic problem. The displacement fields in the new solution are taken to be the products of independent functions that vary in the radial and longitudinal directions. The differential equations governing the displacements of the system and appropriate boundary conditions are obtained using the principle of minimum potential energy. The solutions for these governing equations in the Laplace domain are then obtained analytically and numerically using a one‐dimensional finite difference technique. The results are then transformed back into the time domain using an efficient numerical scheme. The accuracy of the new solution is comparable with that of a finite element analysis but requires much less computation effort. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.