基坑开挖及降水引起下卧隧道变形的解析解

基坑开挖及降水打破周围土层的平衡应力场,对下卧盾构隧道造成不良影响。采用两阶段分析法提出了基坑开挖及降水共同作用引起的下卧隧道纵向变形解析解。在第1阶段采用Mindlin弹性解与有效应力原理分别计算出基坑开挖与降水对下卧隧道造成的附加应力;第2阶段将盾构隧道视为Timoshenko梁搁置在Pasternak地基模拟隧道与土的相互作用,通过叠加法推导出隧道纵向变形解析解。通过与工程实例监测数据的对比,验证了方法的正确性,并进一步分析了基坑开挖长度、宽度、深度、隧道埋深、水位降深及与基坑相对位置等因素对隧道纵向位移的影响。结果表明：随着基坑开挖长度、宽度和深度的增加,隧道最大隆起值均明显增大;隧道变形随着隧道埋深的增加而减小;坑内水位降深的增加将导致隧道隆起值减小而沉降值增大;随着隧道轴线与基坑中心距离的增加,可依次为隆起值减小区、沉降值增大区及沉降值减小区。     

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。     

大埋深高地应力关山隧道围岩变形破坏分析

甘肃省关山隧道是一条受高地应力影响的大埋深硬脆性闪长岩铁路隧道,位于青藏高原东北缘,构造活跃,运动速率较大,且方向变化显著的六盘山挤压隆升构造区。在隧道开挖过程中围岩变形破坏现象明显,围岩等级低于前期岩体质量分级,表现出强烈的岩体质量劣化和各向异性。针对该问题,除了采用矿物成分和微结构分析寻找原因,还通过现场结构面统计分析对围岩质量劣化和各向异性进行描述,同时运用自行研发的钻孔电视进一步分析开挖前后一定时间间隔内围岩的渐进式变形和破坏。钻孔电视试验结果表明,尽管闪长岩作为一种硬脆性岩体,单轴抗压强度（UCS）高于现场地应力值,但其变形和破坏却普遍发生,开挖过程中新生裂隙迅速发育,原先在高地应力下闭合的裂隙也会重新张开和发展,围岩劣化,稳定性降低。为了进一步分析围岩的变形破坏过程,设计了变压力大小和方向的单轴抗压试验,试验中闪长岩的单轴压力值低于单轴抗压强度,试验结果与钻孔电视试验观测结果吻合,证明了在开挖引起的地应力剧烈变化条件下硬脆性闪长岩结构劣化,存在变形破坏的可能性。在大埋深高地应力条件下,除了岩体的各向异性,地应力的变化也是硬脆性围岩稳定性的重要考量因素。     

隧道的埋深划分

随着大埋深特长山岭隧道的日益增多,过去关于隧道埋深的划分显得过于粗糙,有必要进行更详细的分类.隧道按埋深分类应考虑的主要因素之一是围岩的变形破坏方式,而后者与围岩的初始应力状态密切相关.大多数山脉的初始地应力架构基本类似,即,σHmax、σHmin分别与山脉走向垂直和平行,σv/σHmin随标高的变化而变化.鉴于大多数长隧道都与山脉走向垂直,根据σv/σHmin、围岩变形方式、变形破坏位置及围岩自承能力等,将隧道划分为浅埋隧道、深埋隧道和超深隧道三大类,它们的临界深度分别为(2～2.5)hq和500m.     

地下工程开挖面空间效应特征研究及应用

地下工程开挖面对围岩变形具有约束作用,在该约束作用下开挖面表现出显著的空间效应。通过开展地下工程开挖面空间效应现场试验,获得了开挖面空间效应特征。根据现场试验结果,提出了描述开挖面空间效应的双曲正切函数经验公式。利用上述经验公式,开展了洞室围岩稳定性控制研究,获得了不同预警等级条件下拱顶沉降值控制标准。研究发现,对某特定断面,空间效应最显著时并非开挖面透过该断面时;地下工程围岩稳定性越差,开挖面空间约束效应越不明显;若采用常规先开挖再监测的方法,不能监测到围岩全部位移,从而影响参数反分析的准确性;利用开挖面空间效应原理可以获得地围岩稳定性位移控制标准。研究结果为深入了解地下工程空间效应和开展地下工程稳定性控制提供了借鉴和参考。     

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。     

某深埋长隧地应力演化及围岩应力位移模拟研究

结合西部地区某深埋长大公路隧道信息化施工 ,对深埋长隧地应力演化及围岩应力位移进行了弹塑性有限元数值模拟研究。研究结果表明 ,隧道轴线现代地应力状况与隧道埋深、地层岩性及构造发育程度有关 ,最大地应力为40 0MPa左右 ;隧道周边围岩应力在曲边墙底部最大 ,约 3 8 0MPa ,隧道开挖引起的围岩应力影响范围约 2 5 0m ;隧道水平收敛和拱顶下沉位移与隧道埋深近于成直线关系。这些研究结果为深埋长隧信息化设计和施工以及围岩稳定性分析提供了科学依据。     

浅埋红层软岩隧洞围岩变形特征试验研究

红层软岩隧洞围岩变形破坏特征及其治理一直是工程界关心和亟待解决的问题.以某工程试验平硐为基础,利用隧洞围岩收敛变形监控量测及二次应力场测试,获取隧洞围岩动态综合信息,研究浅埋红层软岩隧洞无支护条件下,围岩的收敛变形和应力变化特征.结果显示,浅埋红层软岩隧洞收敛变形和二次应力之间有较好的对应关系,即较高应力对应较大的收敛变形,同时收敛变形和二次应力与埋深有较好的对应关系,且红层软岩在埋深较浅的条件下也具有流变性.在埋深较浅时,隧洞围岩与上覆岩层的接触关系会影响隧洞的应力状态及开挖后的收敛变形特征.     

地层条件对超大断面隧道软弱破碎围岩施工影响过程规律的数值模拟分析

兰渝铁路两水隧道地质条件复杂,围岩软弱破碎,沿线地形起伏,隧道埋深变化大。根据埋深等地层条件的变化,在不同的区段选择合适的施工方案,控制隧道围岩变形是隧道安全控制的关键所在。结合该工程的勘察和设计资料,采用大型有限差分软件FLAC3D建立三维数值模型,系统地研究不同埋深条件下开挖进尺对隧道变形的影响。从变形角度揭示了埋深对开挖进尺的影响规律,确定了不同埋深条件下最利于变形控制的循环进尺,为工程的施工决策提供技术指导和理论支持。     

基于修正[BQ]值的软岩隧道挤压变形预测

高地应力条件下,深埋隧道破碎围岩容易发生挤压大变形。挤压变形量的预测对于工程的设计与施工至关重要。经验预测方法因其形式简单、使用方便得到广泛应用,现有隧道挤压变形预测的经验法具有以下特点:(1)考虑的影响因素较少,多数仅能对挤压变形进行分级,无法给出挤压变形量;(2)现有经验变形预测方法多基于围岩Q分级系统,不能直接应用于国内的BQ分级系统。因此,基于对国内外100多条隧道变形监测数据的分析,提出一种新的适用于国内岩体基本质量指标修正值[BQ]的挤压变形预测方法。该方法综合考虑了隧道埋深、跨度、围岩强度应力比、地下水、岩体结构面等影响岩体挤压变形的多种因素。通过与多条大变形隧道监测结果的对比分析,验证了预测方法的合理性,研究成果对高地应力软岩隧道确定支护强度及提前采取超前加固措施具有十分重要的指导作用。     

弹塑性变形条件下围岩-支护相互作用全过程解析

围岩-支护作用机制是正确认识支护结构对围岩进行有效支护作用的基础理论问题。根据开挖面的空间效应及Hoek拟合方程计算了某工程实例的巷道顶板径向位移沿巷道纵向剖面方向分布的曲线,建立了围岩-支护耦合作用的力学模型,进而建立了描述巷道顶板径向位移与力学模型中的虚拟支护力的关系的数学模型。通过对数学、力学模型的解析与分析,研究了围岩-支护在其相互作用的全过程中的相互作用路径。在此基础上,对弹塑性变形阶段围岩-支护的相互作用原理给出了最新的认识。应用该研究成果,对某工程实例进行了支护作用效果的计算与分析研究。本文的研究成果实现了对围岩-支护耦合作用的全过程解耦,可以对围岩-支护的相互作用进行实时地预测或再现。     

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.     

深埋隧洞开挖数值模拟分析的纵向模型范围研究

模型范围是影响数值分析计算精度与效率的重要因素,针对深埋隧洞开挖数值模拟分析问题,采用有限差分软件FLAC3D和复合失稳准则,对计算模型的纵向范围取值问题展开研究。首先分析了深埋隧洞开挖过程中围岩纵向变形以及未开挖岩塞对围岩变形的约束作用,然后研究了近端边界和远端边界对监测断面位置处围岩变形的影响,最后采用最小二乘法对多组计算结果进行了位移误差分析,并给出了纵向模型范围的取值建议。研究结果表明,当监测断面距掌子面大于10倍洞径时,未开挖岩塞的约束作用基本消失;远端边界以及近端边界与监测断面的最大位移误差值之间均基本满足幂函数关系,且远端边界对监测点位移误差的影响要大于近端边界;深埋隧洞开挖数值模拟中,纵向模型范围取7.5倍洞径即可满足一般数值分析的精度要求。     

深部复合地层TBM开挖扰动模型试验研究

针对全断面隧道掘进机（TBM）开挖过程掌子面岩体软硬交替变化的特点,以兰州水源地建设工程为背景,采用模型试验与数值模拟方法研究了复合地层TBM开挖过程隧洞围岩的动态响应规律。通过开展相似配比试验配制了不同围岩强度比的复合地层岩体相似材料,运用光纤光栅技术全程捕捉了隧洞开挖过程复合地层应变演化规律,并分析了隧洞围岩的宏观破裂形态。模型试验结果表明：TBM推进过程中复合地层应变变化规律体现了掌子面推进的空间效应,软岩部分应变要大于硬岩部分应变,且随着开挖步数的增加两种岩层应变差值越大;隧洞内岩体完全挖除后,围岩宏观破裂形态表明因复合地层岩体物理力学性质的差异,上覆软岩变形破坏较为严重,破裂和变形较为显著,在软、硬岩层交界面出现“变形不协调”现象。选取工程沿线某洞段的地质力学参数,基于破坏接近度（FAI）指标评价了隧洞开挖过程中复合地层围岩的稳定性,数值结果表明：开挖过程软岩中FAI变化较为明显,塑性区和破坏区分布范围更广,而下部硬岩受开挖扰动影响较小,只有拱底小范围岩体进入破坏状态。模型试验和数值结果均说明交替变化的掌子面岩体在开挖过程中其围岩在变形破坏等规律方面存在明显差异,因此,TBM在复合地层施工可采取重点部位监测预警、提前采取相应措施等手段,减少或避免卡机事故的发生。该研究成果对于指导复合地层TBM施工具有一定的借鉴和指导意义。     

浅埋大跨隧道预加固措施相似模型试验研究

以京沪高铁西渴马1号隧道为工程背景,采用室内相似模型试验研究管棚和双排小导管预加固措施的加固效果。通过分析开挖过程中不同预加固措施下围岩应力和位移的变化规律,得到以下结论,（1）在隧道轴向上,管棚和双排小导管支护起到了梁的作用,能很好地控制上方岩土体由于隧道开挖而导致的松动,且减少掌子面上方围岩应力,保证掌子面的稳定性;（2）在隧道横向上,管棚和双排小导管能与周围的岩体形成承载拱,可限制上部围岩应力释放,提高支护结构的安全 性;（3）管棚的纵向梁效应要强于双排小导管,但双排小导管的横向拱效应要强于管棚。     

基于“S”型函数的隧道开挖变形预测模型

基于不同开挖阶段围岩阶段变形曲线几何特征,提出一种基于"S"型函数的隧道开挖全过程变形预测模型,实现隧道开挖全过程中的围岩变形预测。对比分析了常用"S"型函数适应性,建立了基于Logistic模型的隧道围岩变形分析模型,模型精度控制在2%以内,并提出了模型参数辨识过程。利用Logistic隧道围岩变形模型,讨论了隧道开挖瞬时变形特征,提出了一种求解隧道瞬时开挖变形值的方法,计算出不同工程条件下瞬时变形值处于2. 192～43. 288 mm,瞬时位移占最终位移的6. 61%～18. 33%。以马尾山隧道为工程实例,建立了具体的工程隧道围岩变形模型,得到隧道开挖瞬时位移值处于1. 041～9. 475 mm,瞬时位移占总位移比值处于5. 52%～36. 44%。     

构造应力场中的软岩客运专线双线隧道稳定性研究

以铁道部250 km/h客运专线标准断面双线隧道为对象,依托木寨岭高地应力软岩隧道工程,研究构造应力场条件下隧道变形特性、能量积聚、力学响应及塑性区规律。水平大主应力平行隧道轴线时,高能集中区和塑性区主要集中于边墙,掌子面前方围岩能量密度较小,掌子面挤出变形较大;水平大主应力垂直轴线时,高能集中区和塑性区主要分布在拱顶、仰拱及掌子面,掌子面前方围岩能量密度较大,挤压变形较小。研究表明：掌子面前方待开挖核心土体表现能量-位移正交性,而目前采用简单的挤出变形来判别掌子面稳定性,其合理性值得进一步商榷;规范给出“最大水平主应力与隧道轴线平行或小角度相交设计原则”,并不是对所有高地应力场都适用;锚杆在开挖初期有效促进临时“承载拱”的形成,使“压力拱”偏移至隧道轮廓附近,成为施工初期稳定的关键;锚杆降低边墙深部岩体切向应力峰值,随着掌子面推进,拱效应不断向深部岩体移动,形成动态压力拱。     

基于非完整拱效应的软岩隧道掌子面变形及其控制研究

为研究大断面软岩隧道掌子面变形规律及控制方法,基于新意法及非完整拱效应理论对雷公山隧道构造破碎区域掌子面大变形失稳机理进行分析,基于GSI围岩评级系统获得隧道围岩的力学参数,通过FLAC3D构建隧道三维数值模型,进行系列工况试验,研究隧道在非完整拱部效应时掌子面挤出位移及预收敛位移的变化特征,分析隧道掌子面预约束及预加固措施对大断面软岩隧道稳定性的影响。结果表明,掌子面处的挤出位移均在内轮廓中心处达到最大,并呈环形逐渐向外减小,超前核心土预加固在掌子面中心处对挤出位移及预收敛位移影响最为明显;隧道开挖在掌子面纵向造成的扰动范围约为1.2倍洞跨,在掌子面径向造成的扰动大约为1.5倍洞跨;根据计算结果提出掌子面加固措施,通过对隧道预收敛变形及挤出变形的监测分析,验证支护方案的可靠性,提出的掌子面预约束及预加固措施对大断面软岩隧道施工具一定的借鉴意义。     

莲花隧道软弱围岩大变形预测方法适用性评价研究

评估地质条件以及开挖风险是地下空间设计和施工中的重要阶段之一。在选择合适的开挖方法和支护系统时,识别和估计岩体的变形潜在趋势非常重要。在本研究中,对萍莲高速莲花隧道中的岩体变形潜在趋势进行了研究。首先介绍了莲花隧道的工程地质环境、隧道围岩工程特性、岩体质量评价以及现场实测的隧道变形情况,然后运用经验法和半经验-半理论法预测莲花隧道变形趋势,并将预测结果与实际变形监测情况进行对比。结果表明,莲花隧道的大变形主要受松散破碎、遇水膨胀的软弱围岩和丰富的地下与地表水以及断层破碎带与构造活动的影响。对于莲花隧道而言,现行大变形预测方法普遍存在一定问题:经验法主要依据岩体质量分级结果进行变形趋势预测,具有一定的主观性,其预测结果与实际变形情况存在一定偏差;半经验-半理论方法中运用围岩强度与应力关系进行预测效果较好,但基于围岩强度应力比的Jethwa法、Hoek法与ISRM法预测结果偏保守,且针对无变形段的预测效果较差。综上所述,在工程勘察与设计阶段,应客观、细致地进行围岩质量分级、地应力量测、地下水与地质构造勘探等工作,结合经验法、半经验-半理论方法对大变形趋势和变形量值进行预测,综合研判隧洞沿线变形趋势,为大变形支护结构设计、施工措施提供充分可靠的依据。     

挤压地层双护盾TBM围岩变形及应力场特征研究

为研究挤压地层双护盾隧道掘进机（TBM）作用下围岩变形及应力场特征,采用FLAC3D建立了完整模型,并详细阐述了隧道掘进机（TBM）施工过程中的模拟方法,重点分析了隧洞纵横断面内围岩位移场、应力场、塑性区特征。模拟结果表明,两腰下部范围内的围岩与TBM护盾发生接触并产生挤压,拱顶并未接触;受刀盘与护盾连接处的尺寸高差和前后护盾的锥度影响导致仰拱围岩内出现3次加卸载,仰拱内部环向应力和径向应力均大于拱顶和两腰,而且其主应力方向与径向线斜交,受扰动剧烈,但仰拱下方70°范围内的围岩基本处于弹性状态;横向断面内围岩塑性区自上而下逐渐减小,且距掌子面越远塑性区范围越大,但后盾塑性区范围变化不大。