隧道超欠挖断面轮廓分形特征

对于极不规则的隧道围岩超欠挖轮廓,分形几何无疑是一个新思路。在测量数据的基础上,应用分形几何来定量描述围岩超欠挖轮廓线,表明隧道各类围岩的超欠挖曲线具有自相似性。在此基础上,进一步分析了各类围岩超欠挖曲线的分形维数与围岩类别之间的关系。研究表明,隧道围岩超欠挖曲线分形维数能较为直观地反映围岩类别,但其并不随着围岩类别的变化而呈线性变化;对于洞径一定的隧道,围岩超欠挖曲线的分形维数更能反映岩体结构和洞轴线之间的关系,这为准确预测掌子面前方围岩超欠挖情况奠定了理论基础。     

隧道围岩超欠挖与节理和洞轴线之间的关系

从分形几何角度分析,隧道围岩超欠挖具有自相似性,对于一定洞径的隧道,隧道围岩超欠挖曲线分形维数是岩体结构和洞轴线的函数。对于主要发育一组陡倾节理的情况研究表明,隧道围岩超欠挖曲线分形维数与节理间距呈双对数线性关系,与节理走向和洞轴线的夹角呈双对数线性关系,并建立了它们之间的多元关系。     

基于多因素评价的隧道围岩质量与超欠挖关系

围岩质量及施工方法是影响隧道超欠挖的本质原因,研究围岩质量与超欠挖的关系,对评价和预测超欠挖、判断隧道结构的稳定性具有重要意义。基于工程实测资料及数值试验,研究了跨度对隧道围岩质量的影响,进而建立了基于多因素评价的围岩质量修正指标。根据隧道开挖断面轮廓具有分形特征的特点,计算了鸳鸯会隧道20个典型断面轮廓分形维数,研究了围岩质量与超欠挖的关系,得出围岩质量多因素修正指标与超挖比及断面轮廓分形维数呈线性关系,随着围岩质量多因素修正指标的提高,超挖比和断面轮廓分形维数将降低,并根据复相关原理,建立了三者间的复相关关系,可为隧道围岩质量的正确评价及超欠挖分析提供有益参考。对比不同围岩分级方法与超欠挖的关系表明,基于多因素评价的BQ法在隧道工程中的适用性更好。     

基于广义Hoek-Brown准则的隧道纵向变形曲线研究

纵向变形曲线是隧道开挖面空间约束效应的直观反映,多数纵向变形曲线的研究并未考虑围岩质量和应力水平的影响。基于广义Hoek-Brown准则,采用有限差分法,提出了能够量化不同围岩质量及应力水平下开挖面空间效应差异的纵向变形曲线函数表达式,可以简便地得到不同地质条件下的隧道纵向变形曲线,通过误差分析及与已有研究成果对比,验证了该方法的合理性与普适性。研究结果表明：围岩基本质量指标值相同时,围岩纵向变形曲线随着埋深增加变得更加平缓,即围岩应力及位移的释放过程越缓慢,埋深相同时,随着围岩基本质量指标值的降低,围岩纵向变形曲线显示出同样的趋势,相对于开挖面前方,开挖面后方纵向变形曲线的这种特点更加明显;开挖面处纵向变形也是围岩质量与应力水平的函数,最大值不超过隧道径向变形最终值的30%。     

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。     

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。     

连拱隧道施工过程的三维空间效应模拟与分析

采用三维有限元方法动态模拟了连拱隧道的施工过程,并分析和探讨了隧道在开挖过程中围岩变形的时空效应以及左右洞施工的相互影响。分析结果表明,对单洞施工,开挖面对围岩变形的影响范围为其前后方2.5 B（B为隧洞净宽）;考虑右洞开挖,对左洞围岩位移的影响范围分别为开挖面前方（未开挖）2 B和开挖面后方（已开挖）1 B。最后分析了拱顶最大沉降量随开挖面推进的变化和产生的位置以及右洞开挖的影响。     

考虑盾构铰接作用的小半径曲线隧道开挖诱发地层沉降分析

目前针对小半径曲线隧道开挖诱发地层沉降的理论研究均将盾构机视为一个连续的整体,未考虑盾构机铰接装置带来的影响,由此不能正确评估小曲率盾构开挖路径变化带来的超挖效应等。首先,根据盾构机铰接位置以及盾构机与小曲率隧道开挖路径的几何位置关系,得到了小曲率隧道开挖过程中不同盾构铰接位置超挖量及盾构铰接角计算公式;其次,基于镜像法及Mindlin解,求解了铰接盾构施工时因超挖地层损失、盾尾地层损失、开挖面不均匀推力、盾壳不均匀摩擦力及盾尾处注浆压力等共同影响的地层沉降;最后,采用工程监测数据与理论解进行对比验证,得到较好的一致性。此外,针对隧道转弯半径、前盾长度、盾构铰接角及超挖量等进行了参数分析。分析结果表明：不考虑盾构铰接装置的影响将过高估计地层损失而导致地层沉降预测值偏大。随着转弯半径的减小,前盾长度、盾构铰接角及超挖量的增加,地层沉降增大,但其值变化均对开挖面前方沉降影响较小,对开挖面后方沉降影响较大。在开挖面后方,随着与开挖面距离的增大,当转弯半径取值较小,前盾长度、盾构铰接角及超挖量取值较大时,纵向地表沉降呈先增大后减小趋势。     

整体式中隔墙连拱隧道模型试验及现场监测

针对连拱隧道复杂的施工力学特性,结合实际工程,通过模型试验和现场监测分别研究了整体式中隔墙连拱隧道在中导正洞台阶法施工过程中的位移和中隔墙应力变化情况,并详细分析了各开挖步骤对其的影响。结果表明,对于整体式中隔墙连拱隧道,上台阶开挖对顶部位移和中隔墙应力的影响大于下台阶开挖产生的影响;隧道顶点位移-历时曲线总体形状呈S形,最大位移发生在后掘隧道的顶部。由于主洞的开挖将使中隔墙另一侧应力增加较大,而本侧应力增加较小甚至降低,因此,先掘隧道的开挖使中隔墙产生由先掘隧道侧向后掘隧道侧偏转的弯矩,而后掘隧道的开挖将使该弯矩值减小     

不同开挖方法偏压大跨隧道围岩稳定性对比分析

偏压地形对大跨隧道的围岩变形和支护结构受力有较大的负面影响,科学选择开挖方法是确保隧道施工安全的重要前提。Hoek-Brown强度准则综合考虑岩体结构面特征、岩块强度和施工扰动对岩体劣化效应的影响,能更好地反映隧道开挖过程中围岩的变形情况。据此,本文以贵阳市环城路七冲村二号隧道为工程依托,通过现场调查及经验查表的方法确定了Hoek-Brown强度参数,采用FLAC3D对三台阶法和双侧壁导洞法的开挖过程进行了模拟计算,结合现场围岩变形和钢拱架轴力监测数据,对两种开挖方法的围岩稳定性进行了对比分析,得出结论:相比于三台阶法,双侧壁导洞法能更有效地控制围岩塑性区发展和围岩变形,可以有效地减少偏压荷载对隧道围岩造成的不利影响,但钢拱架受力不均匀,可能对支护结构稳定产生不利影响;综合考虑施工安全和施工进度,围岩较破碎的隧道出口段和入口段应采用双侧壁导洞法施工,围岩较完整的其他区间段可采用三台阶法施工,以节省工期。     

地下洞室开挖过程围岩应变能调整力学机制

深埋洞室岩体开挖过程中,围岩应变能的聚集和释放是洞室发生灾变破坏的重要诱因。针对圆形洞室开挖,分析和比较初始地应力准静态和动态两种不同卸载方式下围岩应变能的调整过程,基于能量角度判定了围岩损伤范围。研究表明：伴随地下洞室的开挖,岩体能量靠径向应力做功的方式在围岩中由远及近传递,并导致近区围岩应变能聚集;初始地应力动态卸载诱发围岩应变能先减小后增大,先对靠近开挖面的相邻岩体通过径向应力做功的方式释放自身的应变能,随着卸载应力波的继续向前传播,远离开挖面的相邻岩体又通过径向应力对其做功的方式促使其应变能聚集;相比初始地应力准静态卸载,动态卸载条件下高应变能聚集程度导致围岩损伤破坏范围更大。     

陕南特长公路隧道水压致裂法地应力测量结果及工程地质意义分析

中国西部地区地势复杂,区域构造应力场各向异性显著,了解地区地壳应力状态是判断隧道设计阶段线路布设合理性的基础,也是预测隧道施工过程可能出现岩爆、断层滑动等其他工程灾害的重要参数。为了研究陕南特长高速公路隧道现今地应力状态,基于古仙洞隧道钻孔(ZK10钻孔)与化龙山隧道钻孔(ZK11钻孔)水压致裂地应力测量,获得了两隧道现今地应力分布特征。古仙洞和化龙山特长深埋隧道最大埋深处S_H值分别为13 MPa和22 MPa;古仙洞与化龙山隧道的应力关系分别为S_H>S_h>S_v和S_H>S_v>S_h,水平主应力起主导作用;S_H方向为近北西—北西西向,与区域现今构造活动背景基本一致,主要受秦岭造山带活动断裂影响。基于地应力测量结果、相关理论及判断依据认为:最大水平主应力方向与洞轴线夹角,有利于隧道围岩稳定,研究区内古仙洞与化龙山隧道的总体布置是合理的;采用岩石强度应力比法、陶振宇判据、Russenes判据和岩石应力强度比法综合判定研究区内两隧道不具备发生中等强度以上等级岩爆的可能;利用莫尔-库伦准则及拜尔定律,摩擦系数μ取0.6~1.0,对研究区内两隧道的现今地应力状态分析后发现,两隧道附近断裂带的地应力大小未达到地壳浅部断层产生滑动失稳的临界条件,处于较稳定的应力状态。      

圆形巷道围岩层裂或板裂化的等效连续介质模型及侧压系数的影响

为了避免均质和非均质模型不能较好地模拟围岩的层裂或板裂化现象,将岩石视为等效连续介质,即颗粒体材料。颗粒被视为弹性材料,而颗粒之间的界面破坏后被视为摩尔-库仑材料。颗粒和界面均被离散为正方形单元。采用FLAC研究了不同侧压系数时圆形巷道围岩中的剪切应变增量、最小、最大主应力等的分布规律。研究发现,颗粒体材料模型在压应力作用下诱发出的拉应力值接近于在模型边界上所施加的最大压应力,而最大压应力是所施加的最大压应力的数倍。这些结果意味着均质和非均质模型的计算结果是偏于不安全的。另外,最小主应力和剪切应变增量的等值线图均显示,这些量的高值区的距离大致相等,这与V形岩爆坑内的板裂化现象类似。围岩层裂现象的原因是环向的高压应力和径向的高拉应力的共同作用的结果。     

二郎山公路隧道轴线地应力测试研究

介绍了二郎山公路隧道轴线上3个钻孔的地应力测试结果,应用水压致裂法在钻孔中测试,所测的两个不同大小的水平主应力都大于垂直主应力（除了地表以下很浅处外）,这个地应力与区域大地构造方向一致,在此基础上评价了隧道碉室围岩的稳定性。     

高水位隧道堵水限排围岩与支护相互作用分析

为了保护环境并尽可能降低衬砌结构所受的水压力,提出高水位山岭隧道应采取“以堵为主,限量排放”,即“堵水限排”的防排水设计原则。但对于堵水限排情况下衬砌结构的设计,目前尚没有规范可依,这是目前隧道设计施工亟待解决的问题。在隧道力学和渗流力学的基础上进行理论分析,研究渗流应力耦合作用下围岩的力学特性,利用特征曲线法分析了不同排放量下围岩与支护的相互作用,并与数值方法计算结果进行对比。计算结果表明：不同排水量下围岩特性曲线不同,支护阻力也不同,不同排水条件下围岩有效切向应力和有效径向应力的变化很明显,排水对围岩应力以及支护体系受力的影响是不容忽视的。另外,传统隧道设计方法在全排水时完全不考虑水的作用是不安全的。所得结论可为堵水限排衬砌结构设计提供理论依据。     

铁矿深埋巷道围岩变形与地应力关系研究

随着大量深埋地下工程的建设,尤其是大型矿山,与巷道围岩稳定有关的各种地质灾害问题突出,因此其一直备受关注。某铁矿巷道埋深450～800m,变形剧烈,局部持续大变形,呈条带状臌出。地应力实测结果表明,矿区地应力总体特征为σv≥σH〉σh,现今水平构造作用明显,最大水平主应力为13-21MPa,接近岩体自重。大变形洞段围岩为裂隙化岩体,强度低,蠕变性明显。有限元分析表明,巷道开挖后在边墙与顶拱和底板交界处产生约40MPa的高应力,造成了围岩变形破坏。后期围岩在高应力作用下产生大变形,其宏观变形破坏特征与软岩相似。另围岩加固与支护发现,普通的挂网喷锚支护已很难适应高应力条件下的岩体大变形。论文基于地应力实测结果,通过对巷道围岩大变形成因机制的探讨以及原加固支护效果的总结,为后期巷道围岩变形破坏的防治提供了参考。     

基于粗糙集和理想点法的隧道围岩分类研究

理想点法是一种多目标决策分析法,其基本思路是通过构造多指标问题的理想解和反理想解,并以靠近理想解和远离反理想解的程度作为各评价对象的判断依据,基于此原理建立了隧道围岩分类的理想点法评价模型。理想点法各指标权重的取值是否合理对最终的评判结果有着很大的影响,采用粗糙集理论把权重问题转化为粗糙集中属性重要性评价问题,以此来确定各指标权重。该方法不需先知经验,求解过程完全由实际样本驱动,具有很强的可操作性。建立了基于粗糙集和理想点法的隧道围岩分类模型,并应用于实际工程,结果表明,该方法的分类结果与实际相符,基于粗糙集和理想点法为隧洞围岩分类提供了一种新思路     

大断面小净距大帽山隧道现场监控量测及分析

结合大帽山隧道的工程实践,通过围岩内部位移、拱顶沉降、围岩压力和锚杆应力的现场监控量测工作,研究复杂地质条件下大断面小净距隧道双侧壁导坑法施工时围岩的稳定性。阐明分导洞开挖时围岩内部位移的变化趋势、特点及位移场,相邻导洞施工时的相互影响,围岩与支护结构间的相互调整变形机制,拱顶沉降捕捉的变形小于围岩实际变形的原因,支护结构的压力和锚杆应力状态及其与围岩位移的变化关系。监测结果表明,大断面小净距隧道Ⅴ级围岩段的破碎带采用现有的施工工艺和支护参数是可行的,围岩变形可控,支护结构的支护效果显著,围岩基本稳定。研究的方法、分析和结论可为类似条件下隧道工程的设计、施工、监测和进一步的理论研究提供参考和借鉴。     

Elastic Solution for Deep Tunnels. Application to Excavation Damage Zone and Rockbolt Support

Summary  A new formulation is presented for deep circular tunnels in rock with cylindrical anisotropy. The formulation is an exact solution since it satisfies equilibrium, strain compatibility, and the anisotropic constitutive model. Complete solutions have been found for two scenarios: tunnel with excavation damage zone, and tunnel with rockbolt support. The solution is based on the assumption of a deep, circular tunnel in a medium with two homogeneous zones: an inner zone surrounding the tunnel, which is either isotropic or anisotropic, and an outer zone, for the remainder of the medium, which is isotropic. Plane strain conditions, elastic response of rock, rockbolts and support, and simultaneous excavation and support installation are also assumed. For tunnels surrounded by an excavation damage zone with reduced rock properties, the tangential stresses and the radial deformations at the tunnel wall are very sensitive to both the magnitude of stiffness reduction of the damaged rock and the size of the damaged zone. The effect of the rockbolts on the rock is approximated by treating the rockbolt-rock composite as a material with cylindrical anisotropy with stiffnesses related to the properties of the rock and rockbolts, and spacing of the rockbolts. Comparisons between the analytical solution and a numerical method show small differences and provide confidence in the approach suggested.     

隧道掘进面接近地质界面时围岩的应力特征研究

隧道开挖地层中往往呈现出明显的地质变异性,如软硬岩层的不均匀分布等,使隧道开挖后的力学行为十分复杂.本文采用FLAC3D初步分析了隧道掘进面接近地质界面时围岩的应力状态,并探讨侧向应力、纵向应力、断面形式对围岩应力的影响规律.分析结果表明:当隧道由硬岩往软岩或由软岩往硬岩向地质界面掘进时,掘进面前方围岩均有应力集中现象.隧道无论由硬岩往软岩还是由软岩往硬岩掘进至地质界面时,掘进面前方边墙位置围岩径向应力均随侧向应力的增大而增大,掘进面前方拱顶和边墙位置围岩纵向应力均随纵向应力的增大而增大.马蹄彤隧道开挖至硬岩与软岩的地质界面时,掘进面后方边墙位置围岩应力均小于圆形隧道相应位置的围岩应力.