光纤Bragg光栅传感技术在隧道模型试验中应用

在模型试验中,锚杆一般尺寸较小,应变监测较为困难,可将光纤Bragg传感技术（FBG）应用于隧道模型试验中解决该问题。基于西安地铁二号线4个典型断面实际工况进行隧道模型试验,将自行设计封装的光纤Bragg光栅传感器粘贴在锚杆模型表面,监测其在不同应力状态下的应变。根据隧道开挖前、隧道开挖后、衬砌支护后、抗裂极限状态和极限破坏状态5个应力状态的实测数据,得到锚杆轴力在隧道受力过程中的变化规律。试验结果表明,锚杆受力大小在隧道开挖前后有一定变化。衬砌支护后,随围岩压力增加,锚杆轴力基本呈增加趋势,拱顶附近锚杆承受压力,支护后压力变化不大;拱肩到墙角的锚杆承受拉力,衬砌支护后受力开始增加;锚杆在含水率大的黄土隧道中受力较大,更能发挥其作用。文中方法在模型试验中的应变监测方面提出新的可靠途径。     

城市地下软弱围岩超大断面隧道施工工法

如何保障超大断面隧道的稳定性是当前国内外地下工程亟需解决的技术难题,而超大断面隧道在穿过软弱围岩地带时更容易发生变形失稳破坏等现象.选择合理的开挖工法对隧道施工时的安全性以及围岩的支护控制效果都具有重要意义.以深圳侨城东路北延通道工程东路隧道标准段为研究背景,针对超大断面隧道、地质条件复杂、围岩多为Ⅳ至Ⅴ级的复杂特征,通过原位钻探和室内岩石物理力学实验,获得隧道围岩关键参数,分析隧道围岩大变形机理;利用FLAC3 D数值模拟软件建立隧道模型,模拟全断面法、CRD法、三台阶法和三台阶七步预留核心土法4种不同开挖工法对隧道软弱围岩稳定性的影响;通过揭示其位移应力变化规律,结合室内相似比物理模型试验结果,总结大跨度隧道围岩的应变特征.研究表明:三台阶七步开挖法为侨城东路隧道标准段的最优开挖工法.     

无支护扁坦隧道动态施工行为的数值模拟

基于岩质较好的岩层中开挖隧道时常常存在一定长度的无支护区的事实,本文充分考虑围岩自身具备的自稳能力,以实际岩层力参数为基础,建立了不同方法开失密武山隧道的力学分析模型,以三维Ｃｏｕｌｏｍｂ－Ｍｏｈｒ强度准则为屈服条件,利用三维弹塑性有限元程序,３Ｄ－σ分别对全断面法,上下台阶法,左右分部法和四分部法开挖隧道进的动态力学特性进行了数值模拟,得出了无支护进开挖方法对围岩最终应力场无影响,但却很大程度地     

浅埋破碎地层隧道施工方法研究

西藏扎墨公路嘎隆拉隧道所处地域地质条件复杂,受地质构造的影响,隧道口地层节理裂隙特别发育、岩石强度低,围岩自稳能力差,给隧道的施工安全带来很大影响。通过数值仿真研究破碎地层采用全断面、台阶法和CD法施工时围岩和支护结构稳定性,提出适合嘎隆拉隧道破碎围岩地层特点的三台阶开挖法。在此基础上,运用三维数值仿真计算嘎隆拉隧道三台阶法开挖过程中的围岩稳定性,研究隧道开挖时围岩和衬砌的受力变形情况。研究成果为该隧道施工和同类工程建设提供了理论依据和实践经验     

模型相似材料内部应变光纤量测应变传递

应用光纤传感技术测量模型相似材料内部应变,必须解决光纤与相似材料耦合的问题。传统的研究中普遍存在应变传递理论分析结果无法通过试验检验的问题。设计实现了一种基于光纤-胶体-相似材料3层应变传递结构的光纤Bragg光栅（FBG）相似材料一维传感器。通过对该传感器应变传递特性和标定方法的研究探索解决光纤与相似材料耦合性的问题。该传感器采用无涂覆层的光纤Bragg光栅作为传感元件,将光纤埋入相似材料应变试件内部直接测量轴向中心应变。通过应变传递理论分析、数值模拟以及全新设计的标定试验研究3种方法研究了该相似材料光栅传感器的应变传递特性。平均应变传递率结果显示3种方法所得到的数值非常接近,表明该传感器的光纤、胶体、相似材料具有良好的耦合性以及应变测量的准确性。该方法为解决模型相似材料内部三维应变测量提供了可行方案。     

厦门海底隧道施工方案优化研究

基于数值模拟方法,对厦门海底隧道施工进行优化分析。在侧压力系数为0.6和0.9情况下,首先针对3种常用施工方法——全断面开挖法、上下台阶法和台阶分部开挖法进行计算分析,通过比较隧道洞周关键点位移及洞周塑性区分布,得到全断面开挖对围岩的扰动较小;然后,通过计算分析不同台阶长度对隧道的稳定性的影响,得到上下台阶开挖台阶步距为10 m左右较为合理的结论,对海底隧道的施工具有一定的指导意义。     

软弱围岩隧洞施工性态的力学模拟与分析

本文着重对软弱围岩隧洞施工中的力学性态进行了计算机模拟和分析。文中除提出了考虑隧洞开挖面时空效应的三维分析模型外，还计入岩体流变时效，进行了弹－粘塑性数值计算。其中，研讨了开挖面推进过程中洞室围岩与错喷支护的相互作用以及设置整筑式二次内衬的影响。用所建议的力学模型和编制的程序软件，结合某实际工程，分别就洞室上下台阶法分部开挖、全断面法一次开挖和侧壁导坑法扩大开挖等三种最常见的隧洞施工作业方式进行了模拟分析，并将计算成果与现场实测数据作了比较验证。     

植入式光纤传感器在隧道结构中的边界效应研究

为探究植入式光纤传感器与隧道衬砌的应变传递的边界效应,分别从理论、试验和现场应用3个方面进行研究,并在实际工程中进行了验证。构建了光纤在混凝土衬砌中的应变传递模型,进行光纤应变传递机制分析,计算了光纤应变传递效率,并与数值计算结果对比,验证了力学计算模型的准确性。使用钢筋混凝土梁模拟隧道的混凝土衬砌,在其表面植入分布式光纤,进行了2组试验。对试验梁进行分级加载并使用BOFDA技术对光纤进行测试。试验结果表明：植入式光纤传感器存在边界效应,结构两端为光纤的低效率应变传递区,不能完全传递试验梁的应变;试验梁中部为光纤的高效率应变传递区,能够完全传递试验梁的应变。基于以上研究成果,在北京市新机场线地铁暗挖隧道CRD工法区间,采用植入式工艺在隧道衬砌内布设了分布式光纤传感器,进行了工程应用研究。监测结果表明,边界效应对工程监测结果影响很小,分布埋入式光纤布设工艺是可行的。该研究可为分布式光纤技术在地下工程结构监测中的应用提供参考。     

基于临界稳定断面的隧道围岩稳定性分析方法探讨

为定量评价隧道围岩的稳定性并指导支护设计,提出了隧道临界稳定断面的概念及基于临界稳定断面的隧道围岩稳定性分析方法,主要包括以下内容：（1）隧道临界稳定断面就是与设计开挖断面中心埋深相同、几何形状相似在无支护状态下围岩能够自稳的最大断面;（2）当设计开挖断面小于临界稳定断面时,临界稳定断面与设计开挖断面之间的围岩可以作为支护结构利用,且当其安全系数满足设计要求时,认为围岩能够长期自稳,除进行局部防护外,不需要系统支护,否则需要补充工程支护措施;（3）当设计开挖断面大于临界稳定断面时,需要进行工程支护;（4）提出了设计支护力的计算方法,即认为破坏区范围内的围岩为松散体,设计支护力 应能维持该松散体的稳定且具有一定的安全系数。通过该方法,对两种典型断面形式的铁路隧道的临界稳定断面进行了研究,并计算了不同围岩级别、不同埋深条件下围岩的自承载安全系数与所需的工程支护力。研究成果可以为隧道围岩稳定性的量化分析、支护设计等提供一种新的思路。     

公路隧道围岩亚级开挖及支护设计参数研究

为了建立公路隧道在各围岩亚级条件下的支护体系,指导隧道的安全施工,在亚级分级方法、分级标准、物理力学参数等研究基础上,结合双车道公路隧道特点,通过理论分析、实例统计、数值分析等方法,研究了各亚级围岩下隧道开挖方法、预加固参数、支护类型、结构型式和初期支护参数。结果表明,Ⅲ1级围岩可采用全断面法、轻型承载型支护,Ⅲ2级采用台阶法、中型承载型支护;Ⅳ1、Ⅳ2、Ⅳ3级采用台阶法、重型承载型支护,但Ⅳ2、Ⅳ3级需通过预加固措施使加固区围岩强度提高到相当于Ⅳ1水平;Ⅴ1级采用台阶法和使加固区围岩强度提高到相当于Ⅳ1水平的预加固措施,Ⅴ2级采用CRD法和使加固区围岩强度提高到相当于Ⅳ3水平的预加固措施,Ⅴ1、Ⅴ2级也都可采用CD法和使加固区围岩强度提高到相当于Ⅳ1水平的预加固措施,且都采用特殊承载型支护;Ⅳ1、Ⅳ2、Ⅳ3、Ⅴ1、Ⅴ2级均需设置仰拱。     

深埋隧道围岩-支护结构稳定性研究

依据隧址区工程地质特征,建立通-渝深埋公路隧道1:1实体模型。通过有限元数值模拟,结合量测资料,分析了隧道按全断面法和台阶法动态施工过程围岩-支护结构屈服接近度、位移和应力特征,以及支护结构钢支撑受力、二次衬砌轴力和弯矩特征。结果表明,在相同的地质条件和支护条件下,台阶法较全断面法没有明显的优势,为深埋公路隧道优化设计和施工提供了科学依据。     

基于临界稳定断面的隧道围岩稳定性分析方法探讨

为定量评价隧道围岩的稳定性并指导支护设计,提出了隧道临界稳定断面的概念及基于临界稳定断面的隧道围岩稳定性分析方法,主要包括以下内容：（1）提出了隧道临界稳定断面的概念,即与设计开挖断面中心埋深相同、几何形状相似在无支护状态下围岩能够自稳的最大断面;（2）当设计开挖断面小于临界稳定断面时,临界稳定断面与设计开挖断面之间的围岩可以作为支护结构利用,且当其安全系数满足设计要求时,认为围岩能够长期自稳,除进行局部防护外,不需要系统支护,否者需要补充工程支护措施;（3）当设计开挖断面大于临界稳定断面时,需要工程支护;（4）当需要工程支护时,提出了设计支护力的计算方法,即认为破坏区范围内的围岩为松散体,设计支护力P_(i)应能维持该松散体的稳定且具有一定的安全系数。通过该方法,对两种典型断面形式的铁路隧道的临界稳定断面进行了研究,并计算了不同围岩级别、不同埋深条件下围岩的自承载安全系数与所需的工程支护力。本文可以为隧道围岩稳定性的量化分析、支护设计等提供一种新的思路。     

破碎岩体浅埋大跨公路隧道开挖方案对比研究

三车道高速公路隧道通常跨度较大、高跨比较小属于大跨扁平隧道。这种结构型式对围岩稳定和结构受力均产生不利影响,因此施工中有必要通过开挖方案比选确定合理的开挖方法。江苏省宁波-常州高速公路茅山东隧道为上下行分离式双向6车道浅埋大跨扁平隧道。对于破碎的Ⅳ级围岩,针对设计阶段拟采用CRD法和实际施工采用下断面左右分部台阶法的开挖方案在设计支护条件下的三维数值模拟,从理论上分析了下断面左右分部台阶法是可行的。与实际施工过程的监控量测结果进行对比分析,进一步证实了实际开挖方案的合理性。研究成果可以为同类工程的设计与施工提供理论参考。     

超大断面铁路隧道施工断面综合荷载释放过程研究

隧道开挖扰动会使影响范围内的围岩发生松弛,同时还产生一定的荷载作用于隧道结构。而在隧道开挖面推进时,作用于隧道结构上的荷载在应力调整过程中不断释放,最终在隧道结构及围岩达到稳定状态后荷载释放过程同时结束。通过数值分析及模型试验,对超大断面铁路隧道施时的隧道断面整体荷载释放过程进行了相关研究。研究了台阶法开挖过程中隧道洞壁不同特征点的荷载变化规律,并定义了能够表征隧道施工过程断面整体荷载释放状态的断面综合荷载释放率和荷载释放差异系数的概念,通过两者对隧道开挖断面整体荷载释放状态进行分析总结。在随后进行的隧道施工过程地质力学模型试验中,通过对开挖面推进洞壁不同位置围岩径向压力的变化规律进行监测,证明了数值模拟得到的结论,并进一步说明在隧道开挖的荷载释放过程研究中,应将整个断面作为研究对象,分析断面整体荷载释放状态,才能对隧道施工中的荷载释放过程有一个更加全面的认识。     

双向八车道连拱隧道围岩力学参数反演分析

在采用双侧壁导坑法施工的双向八车道特大断面连拱隧道中,施工步繁多,临时支护设置的时间长,隧道全断面的变形量测只能在临时支护拆除后进行。由于全断面变形数据获取得较晚,故较难将其用于围岩力学参数的反演。将有限元计算和BP神经网络技术相结合,并在有限元计算过程中考虑实际的施工步,建立起所有临时支护拆除之前这一施工状态下导坑的变形量与围岩力学参数之间的非线性映射关系,并通过对应状态下实测的导坑变形值反演了围岩的力学参数。将反演的结果用于正分析验算,验证了该方法是可行的。     

穿越公路偏压小净距隧道施工方法探讨

西康高速公路长哨小净距隧道地形复杂特殊,尤其在出口段存在浅埋、偏压现象,且左隧道覆盖层上部为陕西省S102省道,隧道开挖期间,省道正常开通。为研究隧道开挖方式对省道路面沉降及洞室开挖后围岩稳定性的影响,通过建立符合实际地形的三维模型,分别针对上下台阶法、留核心土法、侧壁导坑法3种开挖方法进行了数值模拟,对不同开挖方式隧道不同位置的塑性区、围岩变形及地表沉降进行了分析,提出了符合实际的开挖施工方案,并同实际现场监测数据进行了比较。研究结果表明,采用上下台阶开挖法实现省道下的小净距隧道穿越方式,可保证施工期间省道的正常运行及隧道围岩的稳定性。     

超前支护下隧道掌子面稳定性极限上限分析

软弱围岩隧道施工中,常采用超前支护确保隧道施工的安全。为了评价超前支护下隧道稳定性,建立了超前支护作用下截锥体、对数螺旋线共同破坏模型,基于极限分析上限法和综合强度折减法并考虑初期支护未支护段的影响,推导出了隧道稳定安全系数的目标函数,并利用Matlab编制程序求解该函数以此判断隧道稳定性。与模型试验结果和已有理论研究成果对比分析,验证了计算方法的合理性,同时分析了影响隧道稳定安全系数的各个因素。研究结果表明：围岩黏聚力、内摩擦角的增加,掌子面锚杆、拱部超前支护的施作对提高围岩稳定性有显著的作用,而初期支护未支护段长度、开挖高度的增加不利于围岩的稳定;在围岩内摩擦角较小时,分台阶开挖降低开挖高度提高隧道稳定性的效果更好;在围岩内摩擦角较大时,掌子面锚杆加固强度的增加对隧道稳定性提高的作用更显著。最后给出了超前支护的施工设计建议图,可为工程中初步确定超前支护参数和施工方法提供参考。     

隧道开挖中围岩损伤演化分析及力学参数预测

数值方法所得出结论的可靠性很大程度上取决于岩体力学参数的选取,因此基于损伤演化分析,对损伤变量与围岩力学参数之间关系进行了研究。在各向同性损伤的假定下,通过分析开挖过程中围岩损伤演化,建立了采用损伤变量对弹性模量、泊松比、黏聚力、摩擦角等围岩材料参数进行估算的方法。采用弹性纵波波速定义初始损伤,根据壁城隧道现场监测资料建立ANSYS渐进性数值模型,反演典型断面开挖过程中围岩的宏观力学参数。分析结果表明,该方法可以有效地确定围岩力学参数的变化情况,与实际情况吻合较好。     

微型FBG土压力传感器的优化设计及其模型试验应用研究

本文针对地质力学模型试验,特别是针对含水地质结构的模型试验中土压力测量的不足,利用光纤光栅体积小、易封装、防水抗腐蚀、防电磁干扰等特点,基于短栅距光纤布拉光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)设计了适用于地质力学模型试验的微型FBG土压力传感器。采用有限元力学仿真对传感器的膜片尺寸、传感器厚径比进行优化,得到传感器在0~1MPa土压力测量范围内,直径20mm、高度为0.2mm的圆平膜片灵敏度高且不易造成FBG光谱畸变,厚径比为0.16(H:4mm/D:25mm)的传感器测量结果更可靠且对被测岩土介质影响较小。标定试验表明,传感器在0~1MPa压力范围内具有很好的重复性与一致性。将该传感器应用于海底隧道模型试验,监测隧道开挖过程的围岩应力释放规律,该传感器很好地监测了隧道从迅速失稳到逐渐稳定的变化过程,从而证明了设计的微型FBG应用于模型试验的可行性。     

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。