基于压力拱理论的围岩压力计算研究

按照弹塑性理论,应用数值模拟的方法,通过对比隧道开挖前、后围岩的主应力矢量图,得到隧道开挖后,其周边围岩的主应力矢量方向发生了偏转,形成了压力拱;通过分析拱顶上方的应力状态,提出了压力拱成拱临界埋深和压力拱计算边界的概念;以铁路隧道参考图为准,分析了隧道埋深、跨度及围岩性质等因素对成拱临界埋深和计算边界的影响。经过分析,压力拱临界埋深与计算边界均随着跨度与围岩级别的增大而增大,且呈现一定的规律。通过多元非线性回归分析,得到了临界埋深和计算边界的计算公式,以此得出围岩压力的计算公式,并与《铁路隧道设计规范》所推荐的公式计算得到的围岩压力进行对比,结果表明,通过压力拱理论计算得到的围岩压力较规范要大,且随着围岩级别的增大,两者差值逐渐减小,其中Ⅴ级围岩最为接近。     

基于压力拱理论的围岩压力计算研究

按照弹塑性理论,应用数值模拟的方法,通过对比隧道开挖前、后围岩的主应力矢量图,得到隧道开挖后,其周边围岩的主应力矢量方向发生了偏转,形成了压力拱;通过分析拱顶上方的应力状态,提出了压力拱成拱临界埋深和压力拱计算边界的概念;以铁路隧道参考图为准,分析了隧道埋深、跨度及围岩性质等因素对成拱临界埋深和计算边界的影响。经过分析,压力拱临界埋深与计算边界均随着跨度与围岩级别的增大而增大,且呈现一定的规律。通过多元非线性回归分析,得到了临界埋深和计算边界的计算公式,以此得出围岩压力的计算公式,并与《铁路隧道设计规范》所推荐的公式计算得到的围岩压力进行对比,结果表明,通过压力拱理论计算得到的围岩压力较规范要大,且随着围岩级别的增大,两者差值逐渐减小,其中Ⅴ级围岩最为接近。     

某砂岩隧道在开挖过程中变形的数值模拟研究

以某砂岩隧道为背景,首先应用弹塑性理论对隧道开挖后围岩的变形屈服和拱顶及边墙的应力状态进行了分析,继而采用有限差分软件FLAC3D模拟了隧道开挖过程中围岩的位移及塑性变形情况。计算结果表明：该研究段隧道发生塑性屈服的临界深度为78．2m;当隧道开挖31m后,由于开挖卸荷作用使得原先储存在围岩内的大部分应力得以释放,此后困岩变形基本趋于稳定;该隧道在开挖过程中,边墙变形量最大,达到1．94mm,由于隧道在开挖过程中围岩的自稳作用,当开挖到一定时间后,围岩变形将趋于稳定;该隧道在开挖过程中,拱顶和底部以拉张破坏为主,边墙则产生剪切破坏。     

土岩复合地层中CRD隧道施工的变形监测与风险控制

以典型城市土岩复合地层中的某地铁CRD（交叉中隔壁法）隧道为依托,通过分析洞内、外变形监测数据,总结变形规律,对该隧道风险进行有效控制。研究结果表明：洞内、外变形量的60%以上是由上2层导洞开挖引起的;隧道开挖引起的地表沉降槽特征较为明显,地表最大沉降点位于隧道中心线上方偏左;隧道掌子面开挖的横向影响明显,范围约为60m。洞内变形监测的分析指标以拱顶沉降为主,水平收敛为辅;拱顶下沉曲线分段组成,总体呈台阶状下降。综合变形监测分析和施工经验认为：施工中应着重控制上2层导洞初期支护结构的及时闭合;相邻导洞掌子面间距控制在15~20m;台阶长度控制在5m以内,及时封闭仰拱,闭合成环,可有效地控制洞内、外变形和保证初期支护结构稳定性。     

围岩松动圈对TSP预报的影响研究

隧道在开挖过程中形成的围岩松动圈,隧道地震预报TSP技术的数据采集是在隧道围岩中进行的,因此必须考虑围岩松动圈对TSP采集的影响,采用波场快照与时间记录相结合的方法,本文研究了松动圈对不同组合的震源和检波器生成地震波场的影响,并对每种组合的时间记录进行了处理,对比了数值模型与处理提取到的反射界面位置,若检波器或者震源全部或者其中之一埋设在松动圈内,会使得提取到的反射界面相对于模型设置有延后的现象出现,最后通过对工程实例的处理分析,验证了数值模拟所得结论.     

地震作用下深埋隧道围岩形变的数值模拟研究

隧道围岩受地震荷载作用影响产生开裂变形,给交通、安全与经济带来极大影响,为提升隧道安全稳定性能,以某市隧道为对象,研究地震作用下深埋隧道围岩形变的数值模拟。综合考虑地震动作用与地震波扩散特性,利用FLAC软件构建三维动力模型;通过边界设置解决地震波反射问题,基于物理力学参数与地震荷载条件,通过相对变形法研究地震条件下深埋隧道围岩变形特性、能量聚集特性与安全性能。研究结果显示:深埋隧道围岩受地震荷载作用影响,形成挤让、椭圆化的变形走向;变形达到最高值时,应变能量密度高于2350 J/m^3的区域集中在隧道Ⅰ洞左侧围岩边墙和中夹岩柱上;各监测点安全系数呈非对称性,隧道右侧下角区域安全系数低于国家相关标准,计算结果与实际测量结果一致。     

输水隧道的减震措施研究

隔震技术是近几十年发展起来的新技术,对地面结构减震效果显著。本文运用Newmark隐式时间积分有限元法并采用粘-弹性人工边界,分析了在输水隧道施工中设置减震层和注浆加固一定范围内围岩这2种方法的减震效果、适用条件及其减震机理。计算结果表明：减震层或加固层的设置均使隧道衬砌应力减小,起到保护隧道衬砌的作用;在较大的范围内注浆加固围岩的办法,对软土中的输水隧道的减震更加有效,它能充分发挥围岩的承载能力;而在围岩与衬砌间设置减震层的办法,对稳定性极好的坚硬围岩中的输水隧道的减震效果更加有效。计算结果可为地震区的输水隧道抗震设计提供依据。     

不同变形失稳模式下隧道围岩稳定性判据研究的进展

计算机模拟隧道围岩失稳研究的困难在于失稳模型不清楚、失稳判据不明确。本文综合分析了目前国内外应用的隧道稳定性判别方法,总结了不同变形失稳机制下的计算模型及其量化的破坏判据,分析了各种方法的研究进展和存在局限,为围岩稳定性数值模拟提供快速、合理、可操作的判据。     

高烈度区隧道洞口段地震响应研究

在地震高烈度区,公路隧道有可能遭受严重震害,尤其是洞口段,为抗震薄弱区.采用FLAC3D软件,从土-结构相互作用模型出发,运用数值分析方法对隧道洞口段进行了动力时程分析.分析认为,在抗震设计中应重视隧道仰拱以及墙脚处于不利位置的情况,加强配筋;在施工中要充分重视围岩的作用,使其能与结构共同作用,减轻结构的损害.     

高聚物外包盾构隧道离心机振动台试验研究

为了验证非水反应聚氨酯高聚物(后文简称高聚物)外包盾构隧道具有减震性能,对高聚物外包盾构隧道模型和无外包隧道模型,采用离心机振动台进行对比试验。针对中密砂土围岩,在不同阵型特征的地震波输入下,对比有无高聚物外包隧道加速度、频谱、隧道动力响应和地表沉降,分析高聚物的减震性能。试验结果表明:在不同地震激励的工况下,对于有无高聚物外包的隧道模型,其加速度和频谱差别不大;二者隧道各点上的动应变平均相差31.32%;高聚物外包层隧道模型地表的最终沉降分别比无外包隧道模型和自由场地表沉降约小20%和50%。试验证明高聚物对盾构隧道有减震作用,此试验研究为高聚物在今后的工程应用提供参考依据。     

地震时隧道衬砌受力敏感性的简化理论分析

为了分析地震区隧道对各影响因素的敏感性,把隧道简化为圆形用拟静力法考虑地震的作用;围岩压力简化为均布,运用结构力学中的力法原理,结合敏感度函数的定义,推导了衬砌的内力(弯矩、轴力、剪力)关于垂直和水平地震作用力、地震作用下增加的孔隙水压力和围岩压力的敏感度函数.并对一工程实例进行了计算.结果表明:衬砌内力对各影响因素的敏感性与各因素数值的大小无关,与衬砌结构形状及侧压力系数有关;并随着侧压力系数的增加敏感性减小,表明浅埋隧道对地震的作用更敏感;衬砌对水平地震作用敏感性最大,并指出了一些最敏感的部位;孔隙水压力的存在有助于改善隧道的受力.     

考虑不确定因素的山岭隧道地震易损性研究

基于均匀设计法,考虑围岩和衬砌的不确定性,提出了一种高效计算山岭隧道地震易损性的模型。基于该模型,得到了计算岩石山岭隧道结构的易损性计算曲线。根据计算结果得出:（1）均匀设计法能够考虑多种不确定性并为计算生成好的样本参数;（2）根据计算所得的地震结构易损性曲线与经验易损性曲线相对比,得出所提出的计算模型有较好的适用性。当交通隧道穿越地震带时,所提出的地震易损性曲线分析可为隧道线路规划以及设计参考。     

高速公路连拱隧道开挖三维稳定性分析

通过对金丽温高速公路蛘湾连拱隧道工程区的地质特征的详细分析和现场调查,系统研究了蝉湾隧道开挖及加固全过程的围岩应力场、变形场的状况及变化特征。结果表明,蝉湾连拱隧道围岩应变率较高,围岩衬砌后的位移值比未衬砌时减小了50％,采用目前的衬砌类型后,衬砌变形将较大幅度地变小,衬砌应变值基本满足要求;虽然围岩拉应力值随着隧道的开挖逐渐变大,除局部位置外,衬砌整体基本满足抗拉的要求。     

结构面分布特征对隧道围岩变形影响的数值模拟分析

结构面对隧道围岩变形及稳定性起着决定性作用。运用三维离散元方法（3DEC）研究结构面分布特征,重点是结构面线密度1/λ、强度和倾角对隧道围岩变形的影响,总结了结构面分布与围岩变形特征的关系。结果表明,在结构面强度较低的情况下,结构面线密度对隧道变形的影响较大,其影响可分为两种情况：①λ≤0.2时,围岩的弯曲变形大于沿结构面的剪切变形,属于应力型大变形;②0.2〈λ≤0.4时,沿结构面的剪切变形大于围岩的弯曲变形,属于结构型大变形。结构面倾角主要影响围岩大变形发生的位置。将数值模拟结果与国内工程实例实测变形资料相对比,发现一致性较好。本研究结果对隧道支护结构的设计以及施工设计具有借鉴意义与指导作用。     

可液化土层隧道围岩的动力响应及液化区发展分析

隧道可液化土层围岩对地震动作用非常敏感,可液化土层动孔压的产生和发展使得地下结构受到上浮作用,从而影响地下结构的稳定性.通过对可液化土层中隧道动力响应计算,研究了不同静应力场隧道围岩动孔压场分布、围岩液化区域分布以及衬砌结构仰拱底与拱顶的动孔压差变化.研究结果表明,不同静应力场对围岩可液化土的动孔压分布、液化区域分布及...     

走滑断层位移作用下山岭隧道非线性反应分析

为了研究穿越断层的山岭隧道结构在走滑断层位错作用下的反应,基于有限元和拟静力的基本原理,建立了隧道围岩的相互作用模型,提出了一种以围岩沿断层位错为输入荷载的跨断层隧道衬砌的反应分析方法。利用有限元分析软件ANSYS的位移荷载功能,使该反应分析方法得以实现。分析过程中以上盘为主动盘,通过给上盘施加强制位移来描述围岩的错动,采用荷载步为100步的逐步加载的方式来描述围岩错动的过程。对比研究了走滑断层工况下,加载断层位错由小到大的过程中,隧道衬砌各部分的应力反应状态。结果表明:当断层位错在20cm以下时,隧道衬砌各部分均处于安全状态;随着错动量的增大,衬砌不同部分的破坏顺序为:边墙先产生破坏,然后顶板产生破坏,最后破坏延伸至底板。     

地震动和断层错动联合作用下隧道纵向响应解析解

隧道穿越地震活动断层带时可能遭受严重破坏,以内马铁路一期三标段工程为依托,对地震动和断层错动联合作用下隧道结构纵向响应进行研究。针对穿越断层破碎带的隧道结构,基于地下结构抗震拟静力法,将其简化为弹性地基梁,并将地震动和断层错动位移简化为作用在隧道上的静荷载,建立地震动和断层错动联合作用下隧道纵向响应理论模型并进行求解,利用有限元数值模拟方法验证解析解的正确性。通过解析解进行参数敏感性分析,揭示断层错动位移、两侧围岩地基系数与断层破碎带地基系数比及围岩与隧道结构刚度比对隧道结构纵向响应的影响规律。研究结果表明,断层错动位移增加使隧道结构截面弯矩、剪力峰值接近线性增加,隧道内力沿隧道纵向分布的影响范围不变,且断层破碎带界面出现了截面剪力突变;两侧围岩地基系数与断层破碎带地基系数比对隧道结构截面剪力的影响较大,在地震动和断层错动联合作用下隧道结构剪力在断层破碎带界面急剧减小;随着围岩与隧道结构刚度比的减小,地震动引起的隧道挠度减小,断层错动作用引起的隧道挠度变化范围增大,同时隧道结构内力响应明显增大。     

含厚层软弱夹层硬质围岩的变形破坏特性

以某隧道为背景,通过地质条件分析并结合FLAC3D数值模拟手段,采用对比含有厚层软弱夹层和不含软弱夹层的2个不同模型的方法,从地应力变化、塑性区开展、变形、下覆岩体受压和位移等角度分析了含厚层软弱夹层硬质围岩的变形破坏特性。发现对于含厚层软弱夹层和不含软弱夹层的这2个不同模型,地应力的差别较小,但都为不含节理的岩体的0.5倍或更小,因此认为节理是影响含厚层软弱夹层硬质围岩变性破坏的因素之一;而2个模型在塑性区开展、变形量、下覆岩体受压和位移等方面差别较大,因此认为厚层软弱夹层对硬质围岩的变形破坏起着显著作用。同时通过创建三维模型采用分步开挖的方法,模拟了含厚层软弱夹层硬质围岩的变形破坏过程,分析认为其具有隐蔽性和发生时间不确定性的特点。研究结果可为类似地质情况的隧道建设提供参考。     

小净距隧道扩建爆破动力响应数值模拟方法研究

以国内首次施工的大帽山四车道公路隧道扩建爆破震动控制为研究背景，介绍了爆破数值模拟分析中爆破荷载的计算原理和施加方法。从炸药直接起爆的角度，采用流固耦合多物质单元技术，利用LS-DYNA3D软件建立了扩建隧道爆破荷载作用下邻近运营隧道动力响应的数值计算模型。通过爆腔半径数值模拟结果与经验公式计算结果的比较，得到围岩的合理破坏应变值；对数值模拟计算结果的影响因素进行分析，结果表明材料采用理想弹塑性模型较硬化弹塑性模型的计算结果偏大；由现场实测数据拟合的经验公式验证数值模拟方法的可靠性。可为大断面小净距隧道施工及类似问题的解决提供参考。     

软土地区浅埋偏压小净距隧道空间效应研究

通过对本构破坏准则的探讨,选取Mohr-Coulomb等面积圆屈服理论作为模型的破坏准则,将岩体的c、(φ)值进行修正,使其更适合于软土地区浅埋偏压的小净距隧道,进而建立有限元三维弹塑性数值模型,对米家寨隧道空间效应进行模拟,研究软土体中浅埋偏压小净距隧道施工过程中开挖面的空间约束作用,并对其双线隧道开挖面的合理间距作出分析.以米家寨隧道为例,开挖面对纵向20 m以内围岩具有一定的空间约束作用、30 m以内围岩具显著的空间约束作用且塑性应变较大,左右线隧道开挖面纵向合理间距应控制在30 m左右,通过Matlab计算机编程和再进行工地现场的监测,分析数据证实了所得结论的正确性,为实际的工程提供了理论依据.