城市地下轻轨隧道与上部建筑物相互作用及稳定性实例分析

某轻轨隧洞相临重庆市某高层建筑（水晶城堡）岩体地基,采用工程地质定性分析、附近同类工程建设的经验类比、三维弹塑性有限元数值分析等多种技术手段, 对拟建建筑和地下轻轨隧道的相互影响及其稳定性进行综合分析与评价,全面分析了修建高层建筑对轻轨隧洞围岩位移、应力及对其安全系数产生的附加影响。分析表明, 修建上部建筑物对地下洞室的开挖位移和应力有微量扰动,洞顶最大附加位移量为1.15 mm,塑性区变化不大,由此可认为在正常施工和工程地质情况无异常的情况下,该工程的修建不会对地下洞室的安全和围岩稳定性构成影响,可为同类地下工程建设提供一定参考。     

大型地下洞室群开挖支护弹塑性损伤优化研究

正在设计施工的某大型水电站地下洞室群地质条件复杂,其开挖支护方案对围岩稳定性非常重要,因此,对支护方案进行优化研究非常必要。为更真实地模拟岩体的力学特性,研究施工过程中岩体的损伤破坏,根据不可逆热力学理论建立了弹塑性损伤模型和损伤演化方程,并编制了三维弹塑性损伤有限元程序D-FEM,具有模拟开挖与支护、计算速度快、群组功能等特点。建立大型地下洞室群三维数值模型,将通过实测地应力反演的应力作为初始地应力。采用D-FEM模拟了不同支护方案洞室群的施工过程,通过分析洞室围岩的应力、位移和破损区,支护方案2的支护效果最好,建议采用此方案。考虑岩体损伤演化后与FLAC3D塑性区相比,洞室群边墙中部的破损区显著增加,因此,程序可应用于地下工程的稳定性分析     

有限元强度折减法在公路隧道中的应用探讨

将有限元强度折减法应用于隧道的稳定性评价。利用有限元强度折减法求得的安全系数与潜在滑动面,不仅可以评价隧道的稳定性和设计的合理性,还可以对支护参数和施工工艺提出改进建议。计算表明,泊松比? 的取值对塑性区范围影响很大,但对安全系数基本上没有影响;围岩等级越高,达到破坏状态时围岩的塑性区范围越大,破坏区却越小,安全系数越高;上覆岩体增厚,同类围岩塑性区范围和最大塑性应变值都增大,而安全系数减小。破坏时围岩等级高的隧道塑性区大,围岩等级低的反而小,因此,单纯根据塑性区范围大小来评判隧道的安全性是值得商榷的。     

水布垭特大断面导流洞围岩稳定性分析

湖北清江水布垭导流洞采用矿山法施工,为确保施工安全,以三维有限元对该隧洞处于断层破碎带的进口渐变段的施工过程进行了计算模拟,并根据计算结果确定了合理的施工方案.根据地下结构设计理论中的地层结构法,选用连续体计算模型,对围岩材料和混凝土材料的本构关系分别作理想弹塑性应力-应变关系和线弹性本构关系的简化,并采用摩尔-库仑屈服准则,分析了初期支护结构的受力特点、围岩塑性区的深度和范围以及洞周围岩位移的发展规律.结果显示,围岩塑性区深度较大,而且初期支护结构承受的最大拉、压应力均略大于混凝土的强度极限,指出该区段初期支护结构在采用钢筋格栅喷混凝土的基础上,应加强长、短系统锚杆进行围岩加固.     

大岗山水电站地下厂房洞室群变形稳定性分析

在岩体质量综合分级和岩体结构模型概化的基础上,运用有限元系统研究了大渡河大岗山水电站地下厂房洞室群开挖完成后围岩的应力场、变形场和塑性破坏区的分布和变化特征。洞室开挖后,在其周围的角顶部位均出现不同程度的应力集中,洞室周边均存在塑性区,以拉张破坏为主,建议开挖的同时采取适当的支护措施,为洞室群稳定性评价和工程施工设计提供了依据。     

考虑膨胀应力和剪胀的深埋隧道弹塑性解

基于湿度应力场理论,推导了考虑膨胀应力和剪胀特性的圆形隧道开挖后围岩力学响应的弹塑性解。将隧道软弱围岩遇水膨胀现象视为湿度-应力耦合过程,基于Fick第二定律,推导了圆形隧洞围岩内湿度扩散非稳态解。采用非关联流动法则,获得了隧道高膨胀势区的应力和位移解答。以两种不同质量岩体开挖的隧洞为例,分析了膨胀围岩应力和变形的影响因素。结果表明,考虑膨胀应力（取决于围岩含水率变化和湿度膨胀系数）时,塑性区扩大,松动圈厚度增加,应力收敛变慢。当膨胀应力增大到一定程度时,塑性区将出现拉应力区。膨胀岩隧洞开挖遇水作用,膨胀应力增加的围岩变形远大于地应力引起的围岩变形。同时,应力剪胀对膨胀性围岩的变形影响不容忽视,尤其是在支护抗力较小的情况下,洞壁处径向位移增加显著。     

构皮滩导流洞软岩段围岩稳定性分析

采用弹塑性有限元方法,对构皮滩导流洞软岩段围岩开挖、喷锚支护进行合理的模拟,研究了洞室开挖过程及开挖完成后围岩的应力、应变状态、变形大小及塑性区的分布,并对喷锚支护效果作出评价。     

大跨度洞室开挖施工方案研究

针对某工程隧洞进口闸室段开挖跨度大,上覆岩体薄,围岩为V类的具体情况,本文以减小开挖断面跨度以及新奥法施工方法的基本原理为出发点,对该隧洞进口闸室段的两种开挖方案进行了分析研究。用有限元方法得到了洞室外围岩的位移场、应力场分布。比较这两种方案,最终得出了在围岩稳定以及支护结构稳定情况下较为理想的开挖与支护方案。      

复杂开挖条件下大断面洞室围岩的变形及力学特性研究

大型地下洞室的开挖施工往往面临复杂的地质环境以及复杂的施工程序, 研究这种条件下围岩的应力和变形规律不仅有助于进一步认识岩体的力学性质, 而且可以为大型地下工程的支护设计和施工提供重要的参考, 因而具有一定的实际意义。地下洞室的变形及稳定性问题主要集中于顶拱围岩, 以向家坝水电站地下厂房为例, 采用三维离散元程序3DEC, 研究了在复杂的开挖条件下洞顶围岩的位移和应力变化规律, 将计算位移与实际监测结果进行了对比, 提出适当的支护时机是系统支护滞后于掌子面约5 ~8 m。      

高地应力条件下锦屏一级主厂房围岩松弛深度形成规律和支护时机研究

近年来我国西部已建成发电或正在建设的一批大型、特大型水电工程,其地下洞室群多处于高山峡谷地区,地质条件复杂、地应力较高。受高地应力影响,施工期洞室群围岩易出现不同程度的变形破坏,并常常导致超常规深度的围岩松弛。本文结合锦屏一级水电站主厂房围岩松弛长期物探检测成果,系统分析了围岩松弛深度的形成、发展和演化趋势,再采用数值分析手段,通过围岩位移、塑性区发展趋势来研究最佳支护时机,研究表明:高地应力地区厂房轴线宜尽量与最大主应力σ₁方向平行,能有效减小时效变形导致的不同部位不同程度的围岩松弛;洞室分层开挖时,围岩松弛深度的80%在本层开挖后间隔2～3层时形成;相比开挖后滞后支护,及时支护围岩位移量、塑性区明显较小,因此及时支护为最佳支护时机。研究成果对高地应力条件下大型地下洞室轴线选择、支护设计、支护时机选择具有参考意义。     

深埋顺层偏压隧道围岩破坏机理及规律研究——以郑万线某隧道为例

处于薄—中层倾斜层状岩体中的深埋隧道常会产生地质顺层偏压的问题,导致隧道局部塌方、偏压变形及支护结构破坏。本文以郑万线某隧道为例,采用理论分析、数值模拟方法对深埋顺层隧道的破坏机理及不同结构面参数下的破坏规律展开了研究。研究结果表明:（1）深埋顺层偏压隧道洞周围岩将根据其切向应力与结构面夹角的不同发生岩层拉裂破坏、结构面剪切破坏及岩体自身破坏,其中切向应力与结构面平行位置,即反倾侧拱腰及顺倾侧拱脚位置主要发生拉裂破坏,此处围岩塑性区范围最广,围岩位移最大,围岩处于极不稳定状态;（2）顺层偏压隧道的破坏规律与结构面强度参数有直接关系,围岩塑性区范围及围岩位移均随着结构面摩擦角的增大而降低,且降低趋势逐渐放缓,当结构面摩擦角达到岩体摩擦角后,结构面摩擦角继续增加对围岩稳定性影响较小;（3）围岩塑性区及围岩位移场偏压分布特征随结构面倾角的变化而整体旋转,且对于隧道底部而言,结构面最不利倾角为0°,此时隧底最大上鼓量大于其他倾角下的最大上鼓量;对于隧道拱部而言,最不利倾角为40°,此时洞周最大收敛值大于其他倾角下的最大收敛值,最不利位置位于反倾侧拱腰。     

浅埋偏压隧道洞口施工技术及稳定性分析研究

龙潭隧道是沪－蓉高速公路工程的控制性工程。地质条件复杂,集浅埋、偏压、涌水、涌泥、岩爆等地质问题于一身,是典型的复杂条件下的长大公路隧道。隧道洞口段处在浅埋偏压段时,施工难度相当大。从隧道开挖与支护的安全性出发,论述了浅埋偏压隧道的设计与施工情况。以右线出洞口为例,采用三维快速拉格朗日差分法(FLAC3D),对其施工开挖过程及支护进行了模拟。通过对开挖支护后围岩的应力场、位移场及塑性区特征的分析,得出了一些建设性的结论,对工程的施工具有指导意义。     

Rock Mass Stability Investigation Around Tunnels in an Underground Mine in USA

Stability and deformation of rock masses around tunnels in underground mines play significant roles on the safety and efficient exploitation of the ore body. Therefore, understanding of geomechanical behavior around underground excavations is important and necessary. In this study, a three-dimensional numerical model was built and stress analyses were performed by using 3DEC software for an underground mine in USA using the available information on stratigraphy, geological structures and mechanical properties of rock masses and discontinuities. Investigations were conducted to study the effect of the lateral stress ratio (K₀), material constitutive models, boundary conditions and rock support system on the stability of rock masses around the tunnels. Results of the stress, displacement, failure zone, accumulated plastic shear strain and post-failure cohesion distributions were obtained for these cases. Finally, comparisons of the deformation were made between the field deformation measurements and numerical simulations.     

拉张盆地不同埋深复合地层中隧道围岩变形破坏数值模拟研究

不同埋深的软硬岩层叠置复合地层变形破坏形式复杂而使得软岩大变形和硬岩岩爆位置相关关系不够明确。在拉张盆地中自重应力为主,侧压系数一般较小且多数在1.0以内。本文以在水平和铅垂叠置复合地层中TBM开挖圆形断面隧道为例,采用有限差分程序FLAC3D对拉张盆地中不同埋深、不同叠置型式复合地层中TBM开挖后的三维弹塑性位移变形、主应力和塑性破坏分布变化特征展开数值模拟研究。模拟结果表明,围岩变形主要发生在软岩层地层中,埋深超过800 m后沿隧道轴向软岩大变形藕节状分段开始显现;随埋深增加,硬岩稳定性变差,顶拱位移增加尤其明显;随埋深增加,软岩和硬岩地层之间主应力差异变小,硬岩中储能明显;埋深越大塑性区分布范围越大;埋深较小时岩层以拉张破坏为主,埋深较大时以剪切破坏为主,两种状态的转换埋深(临界深度)约为800 m。由此对拉张盆地中深埋界限值给予了理论验证。     

非轴对称荷载下圆形隧洞围岩弹塑性分析解析解

考虑岩石材料的应变软化及扩容效应,采用岩石材料的弹性-塑性软化-塑性残余三线性应力-应变软化模型和莫尔-库仑屈服准则,推导了非轴对称荷载下圆形隧洞围岩弹性区、塑性软化区和塑性残余区的应力场、应变场、位移场和塑性区半径的近似解析解,适用于围岩塑性区较大且侧压力系数1≤λ<3的情况。该近似解析方法与有限元法的计算结果较为接近,可代替有限元方法进行简单的圆形隧洞围岩弹塑性分析。     

连拱隧道施工对洞口仰坡影响的三维数值分析

以江西某高速公路一浅埋偏压连拱隧道为例,采用Marc有限元程序对其出口段进行了动态施工的三维数值模拟。从施工过程中的应力集中、塑性区的分布形态和发展规律、仰坡轴向地表位移的分布特征等方面,系统研究了偏压连拱隧道施工对强风化岩体洞口仰坡的影响作用机制。结果表明:在模拟施工过程中塑性区和应力集中区只出现在洞体附近,可能的仰坡失稳往往是隧道施工失稳的累进性响应;洞口仰坡的轴向水平位移前缘大、后缘小,垂直位移后缘大、前缘小;隧道上方和近山脊一侧仰坡位移比近山谷一侧大,仰坡失稳往往从隧道上方和埋深较大一侧开始。     

泥化弱胶结软岩地层中矩形巷道的变形破坏过程分析

在西部地区,一定数量的矿区处于泥化弱胶结软岩地层,此类软岩胶结性差、强度低、遇水泥化。矩形是采区巷道的常用型式,但其断面受力不均、稳定性差。在上述软岩地层中的矩形巷道承载力低、变形量大、变形持续时间长,给煤矿的安全生产带来极大困难。以内蒙古新上海一号煤矿皮带顺槽矩形巷道为背景,运用FLAC3D软件中的Cvisc黏弹塑性模型,对矩形巷道的变形破坏进行了数值模拟,并将模拟结果与现场监测结果对比分析。结果表明:巷道开挖支护后,受断面形状影响,矩形巷道四角出现压应力集中和顶板受拉区,巷道顶板下沉量大,底板底臌严重,两帮向巷道挤出;受围岩岩性影响,围岩进入塑性的时间快短、范围大,塑性区超出了支护体的作用范围,造成锚杆(索)的锚固效果难以完全发挥,围岩出现整体滑动的现象;巷道变形呈现出流变变形的特性,变形量随时间持续增加,持续的蠕变变形超出了支护体的可控范围,最终引起巷道的失稳破坏。     

叠落盾构隧道受力分析及管片配筋

在现代城市轨道交通建设中,上下叠落地铁盾构隧道越来越多,这类叠落盾构隧道相互影响,塌落拱多次叠加,传统解析法计算隧道围岩压力存在困难,目前缺乏相应的叠落隧道围岩应力计算方法。为了研究叠落盾构隧道受力分析及管片配筋,以北京地铁6号线南锣鼓巷站—东四站叠落盾构隧道为工程实例,根据弹塑性理论模拟隧道开挖过程计算塌落拱多次叠加,结合强度折减法计算叠落隧道塑性区,然后根据塑性区计算塌落拱高度和围岩压力;根据厚壁圆筒理论,计算盾构施工和列车运营对下方隧道附加应力;根据以上分析,计算叠落隧道的下方盾构隧道管片内力并配筋。     

太古代片麻状花岗岩浅埋隧道变形破坏及地面塌陷分析——以集宁隧道为例

浅表古老花岗中浅埋隧道常处于拉张应力状态而拱顶下沉,波及地表产生地面塌陷,影响工程稳定及人员安全。以集宁隧道为例,采用工程地质调查、室内力学试验、围岩稳定计算相结合的方法,从太古代集宁片麻状花岗岩风化壳分带、岩体结构控制和岩体质量分级方面研究围岩变形破坏特征。花岗岩中-微风化特性、大部分隧道位于地下水位以下,节理裂隙夹泥,变形破坏以多组节理切割下块体掉落和塌方为主要形式。在花岗岩古风化壳与上第三系泥岩交界处出现差异变形和不均匀沉降。浅埋隧道段塌方发展到地表形成4个长轴与隧道轴线一致的椭圆形塌陷坑。现场应力监测结果显示顶拱接触压力小于自重应力,侧压力更小,对顶拱稳定不利。为保证施工人员和机械设备安全,在此区段采取针对块体稳定和塌方的加强支护措施,取得较好效果。