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。     

基于强度折减法的隧道围岩稳定性研究

围岩的稳定是地下工程支护结构稳定的关键,本文围绕围岩稳定性分析开展了一系列研究。首先针对地下工程围岩的地质历史特征,使用能够反映开挖扰动影响的Hoek-Brown准则作为岩体力学参数的估算方法,并基于隧道围岩次生应力分布及其松动失稳机制,提出了基于隧道拱顶下沉变形位移突变的围岩失稳判据;然后,通过将强度折减法与失稳判据相结合,建立了围岩自支护结构稳定的安全系数分析方法;最后,通过采用正交试验设计,并采用FLAC软件,对影响隧道围岩结构稳定安全系数的基本因素进行了敏感性分析。计算结果表明,地质强度指标起到关键控制作用,其余依次是开挖扰动因子、岩块单轴抗压强度、隧道埋深及跨度。     

基于强度折减法的隧道围岩稳定性研究

围岩的稳定是地下工程支护结构稳定的关键,本文围绕围岩稳定性分析开展了一系列研究。首先针对地下工程围岩的地质历史特征,使用能够反映开挖扰动影响的Hoek-Brown准则作为岩体力学参数的估算方法,并基于隧道围岩次生应力分布及其松动失稳机制,提出了基于隧道拱顶下沉变形位移突变的围岩失稳判据;然后,通过将强度折减法与失稳判据相结合,建立了围岩自支护结构稳定的安全系数分析方法;最后,通过采用正交试验设计,并采用FLAC软件,对影响隧道围岩结构稳定安全系数的基本因素进行了敏感性分析。计算结果表明,地质强度指标起到关键控制作用,其余依次是开挖扰动因子、岩块单轴抗压强度、隧道埋深及跨度。     

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。     

高地应力条件下层状地层隧道围岩挤压变形与支护受力特征

西部地区普遍出露层片状岩体。由于强度低、自稳能力差、结构强度呈现各向异性等特点,在隧道开挖过程中常引起围岩大变形,导致初期支护结构强烈变形失稳而不得不频繁进行拆换。部分洞段二次衬砌混凝土甚至发生劈裂、掉块的破坏现象,严重影响隧道施工的进度与安全。以兰渝铁路两水隧道为工程背景,采用现场实时监测、数值模拟等手段,获取大断面隧道围岩与支护系统之间的接触压力,揭示开挖断面不同位置接触压力随时间发展规律和空间分布特征。研究结果显示,受围岩结构强度的各向异性控制,隧道开挖后支护受力极不均匀。空间上与围岩变形集中部位一致,时间上变化历时长,且由于开挖方式的影响不易稳定。初期支护钢拱架局部荷载过大而发生侧向扭曲失稳,且监测的失稳发生时间与收敛形变稳定时间相比而明显滞后。根据层状围岩的支护受力特征,提出针对此类岩体更为合理的隧道设计建议。     

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     

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。     

盾构隧道环向开挖面破坏机制及剪胀效应研究

采用刚性滑块构建两种圆形隧道失稳环向开挖面破坏模式,利用编制的非线性规划程序求解隧道失稳环向开挖面支护力系数σ_T /c（σ_T为均布支护荷载,c为有效黏聚力）最优上限解及地层破坏模式,揭示地层参数对隧道稳定性的影响,提出简单实用的极限支护力简化公式。研究结果表明：不排水条件下,当隧道埋深比H/D（H为埋深,D为隧道直径）和重度系数γD/c（γ 为重度）较小时,破坏区域主要集中在隧道中上部,随着H/D和γD/c增大,滑移线起始位置沿着隧道轮廓逐渐向隧道底部扩展,破坏区域向水平方向扩展。排水条件下,地层破坏模式主要有3种。当内摩擦角ϕ 和γD/c较大时,随着剪胀系数的减小,极限支护力和地层破坏范围变化较大,甚至可能引起破坏模式的改变。针对不同深度提出的极限支护力简化公式可快速获得隧道环向开挖面极限支护力。     

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     

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。     

深埋隧道地质构造发育段围岩压力的特点

以龙厦铁路象山特长隧道地质构造发育、埋深大于500 m段围岩压力及围岩变形的现场测试资料为依据,对大埋深隧道地质构造发育段围岩压力的特点、变形压力的形成机制等进行了研究。研究表明：大埋深隧道,结构面或褶曲、逆断层发育,但地下水不发育的地段,即使围岩强度较高,隧道开挖后仍可能出现较大的变形;围岩较大变形主要是由于在自重应力和残余构造应力作用下被挤密的结构面在隧道开挖后因侧向限制消除而张开、扩容引起的,受其影响,初期支护将受到较大的围岩变形压力。上述地段围岩压力具有下列特点：（1）地下水不发育区段的围岩压力比地下水发育区段的大;（2）隧道纵向发育向斜的区段,拱顶至拱腰段围岩压力最大,越趋向于向斜核部,拱顶围岩压力越大;（3）发育褶曲的断面,与褶曲轴线垂直方向的围岩压力较大;（4）发育逆断层的断面,与断层倾向相反侧的围岩压力较大,该侧断层面附近的围岩压力最大,对侧断层面附近的围岩压力最小;（5）下台阶的围岩压力比上台阶的小,两者的相对差随上、下台阶施工间隔时间的延长而增大。     

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。     

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.     

软弱破碎围岩变形特性

本文在连续十余年原位监测试验资料的基础上,描述了全断面开挖的软弱围岩变形u-t全过程曲线;阐明了不同变形阶段的变形速率、变形量以及这些变形的时空效应;探讨了岩体工程地质特性、埋深、洞径、开挖方式和支护及时性等主要因素对围岩变形特性的影响;并针对具体工程提出了围岩稳定性状态划分及其判别标准、失稳险情预报原则、变形控制标准与初期支护抗力的确定原则、后期支护最佳施作时期的选择以及合理开挖方式。     

八达岭-居庸关地区隧道开挖围岩稳定性分类与评价

一、引言目前,“新奥法”(New Austrian Tunnelling Method)隧道施工已广泛用于铁路、公路、矿山等施工部门,它不需传统方法中边开挖,边支模,边灌砼的繁琐工序,而直接采用暴露开挖,然后视围岩类别,采用不同的支护方法。其主要优点是效率高、进度快、工程安全系数大,稳定性好。它充分利用围岩开挖后的自稳调节能力,实施岩石由弹性变形至塑性变形的转化,通过支护达到新的平衡。由此,围岩类型的划分是其工作前提,也是方法实施的关键工序之一。我们根据八达岭-居庸关隧道围岩的主要工程地质条件结构特征、完整程度等因素,将该地区围岩划分为六类,满足了工程规范要求,取得较好的结果。围岩类型划分的方法八达岭-居庸关地区岩体开挖的掌子面一般呈半圆弧形,单向三车道高速公路顶弧开     

上覆流沙层隧道开挖面稳定性分析与数值试验研究

为解决上覆流沙层隧道开挖面极易发生坍塌破坏的技术难题,以典型该地质条件下的青岛地铁M2号线啤苗区间（啤酒城站至苗岭路站）为研究对象,基于开挖面的实际破坏特征建立了开挖面失稳破坏力学模型,从功能转化平衡角度,进行了隧道开挖面稳定性上限分析,并利用强度折减与重力加载两种方式,提出了隧道开挖面安全系数,得到了不同开挖面土体黏聚力、摩擦角、重度、隔水层厚度及隧道开挖高度下的临界土体破裂范围及破裂模式。理论研究表明：随着开挖面土体黏聚力、摩擦角、隔水层厚度等参数的增加,开挖面安全系数不断增大,稳定性不断提高;随着土体重度、隧道开挖高度增加,开挖面安全系数不断减小,稳定性不断降低。通过建立不同工况的数值模型验证了理论研究的正确性,得到了上覆流沙层地质条件下开挖面的典型破坏模式和临界参数,并提出了相应工程建议。研究成果为青岛地铁M2号线的顺利贯通及该类地质条件下的隧道施工提供了理论指导和科学对策。     

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。     

隧道施工数值模拟及衬砌强度安全系数分析

以某隧道为背景 ,采用二维弹塑性有限元分析方法 ,模拟隧道开挖和支护过程 ,计算衬砌和围岩内力及衬砌的强度安全系数 ,研究衬砌厚度变化对其安全系数和结构稳定性的影响 ,探讨最小衬砌安全厚度 ,为类似隧道设计施工提供科学依据     

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。     

基于Hoek-Brown强度准则的应变软化模型在隧道工程中的应用

基于Hoek-Brown强度准则及量化GSI围岩评级系统,分析岩体强度弱化行为,总结出确定岩体峰值及峰后强度参数的方法,提出应变软化模型的简化计算方法,并以FLAC3D数值模拟软件为工具,采用收敛-约束法对深埋大断面隧道支护结构及围岩稳定性进行分析,计算出支护结构安全系数。通过分析得出：随着围岩应力释放,岩体软化参数随之减小,岩体强度弱化行为突出;高地质强度GSI指标（GSI=75）的岩体虽然强度弱化程度较大,但围岩的变形量仍然较小,而低GSI指标（GSI=25）的岩体表现出了理想弹塑性行为;提出的简化Hoek-Brown应变软化模型适合应用于隧道中岩质相近区段围岩的研究;采用收敛-约束法对隧道支护结构的稳定性进行分析,可为隧道工程的初期支护优化设计及安全性评价提供参考。