高速铁路隧道围岩抗力系数现场试验与理论研究

以沪昆高速铁路隧道为依托,通过现场径向液压枕试验,测量各级压力下半径向变形,获取了隧道研究点处岩石抗力系数实测值。在实测数据的基础上,结合国内外相关的弹性抗力本构模型,建立了沪昆高速铁路隧道围岩抗力系数的5种理论计算模型：理想弹塑性模型、爆破裂缝弹塑性模型、塑性软化岩体模型、Lade-Duncan准则模型、统一强度理论模型,并有针对性的将所研究的20座隧道进行分类,分别计算其围岩抗力系数理论计算值。为了弥补现场试验点数目的限制,对所研究的隧道展开了数值模拟分析。通过对不同的埋深、围岩级别、地质特征下岩石抗力系数现场试验值、理论计算值、数值模拟值和规范值进行对比和综合,提出了高速铁路大断面隧道的围岩抗力系数推荐值,该推荐值突破了普通铁路隧道规范中关于抗力系数建议值仅限于弹性模型的限制,为优化隧道结构设计,充分利用围岩的自承能力提供了理论依据。     

并行隧道围岩应力的线弹性分析

间距较小的并行隧道,两洞室开挖的相互影响不能忽略。引入双圆洞室围岩应力函数的线弹性方程,并通过编程实现工程计算,探讨了间距较小的并行双圆隧道围岩的应力特点以及应力随净距改变的变化规律,为间距较小的并行隧道围岩状态的定性判断提供了依据。     

弹性抗力法确定支护结构插入深度的研究

在支护结构计算中,通过对被动区土弹簧抗力引进弹塑性假设,解决了利用弹性抗力法计算支护结构插入深度问题,并与实际工程进行对照,理论得到较好验证,丰富和完善了弹性抗力法。     

隧道顶部岩溶对围岩稳定性影响的数值分析

以朝东岩隧道为背景,运用二维弹塑性分析研究了隧道顶部不同大小、不同距离的溶洞对隧道围岩稳定性的影响。研究结果表明:隧道顶部溶洞随距离的增大及围岩稳定性增强,距离与隧道开挖引起的释放位移之间存在明显的相关关系,影响的分界线大约为溶洞直径的2～3倍;在拱顶附近的周边释放位移与溶洞的大小成反比,而在隧道侧壁及底部的释放位移与溶洞的尺寸成正比;并详细地分析了应力场及塑性区的变化规律。     

基坑支护设计的弹性抗力法

本文对基坑支护设计中常用的设计方法作了评述 ,阐述了弹性抗力法的基本原理 ,对计算时土压力分布模式的选择问题和多支撑板桩墙计算模型位移协调问题给出了明确答案 ,最后通过实例分析阐明了采用弹性抗力法进行基坑支护设计的思路和步骤。     

基于量测位移的隧洞围岩弹性抗力系数反演方法

在水工隧洞工程中,岩石弹性抗力系数K反映了岩石弹性抗力的大小,是设计环节中需要确定的一个极为重要的基础计算参数。水工隧洞工程中需用水压法试验测定弹性抗力系数,由于水压法测定抗力系数不仅耗时、费工、且试验工艺复杂。本文通过对比分析弹性状态下深埋圆形隧洞开挖支护与水压法试验力学效应关系,提出一种基于量测隧洞位移的围岩抗力系数的反演方法,该法可根据量测隧洞位移直接反演得到弹性抗力系数。结合北京市南水北调配套工程南干渠工程试验段工程实践,对浅埋水工隧洞位移进行监测,利用提出的反演方法,得到了隧洞围岩的弹性抗力系数。提出的反演方法为复杂水工隧洞不同围岩应力状态问题的弹性抗力系数反演提供参考和借鉴。     

隧道围岩稳定性的有限元分析

根据地下结构设计理论和岩石屈服的Drucker-Prager准则，考虑到了围岩的自身承载能力，采用有限元的分析方法对广西柳州一处公路隧道围岩的稳定性进行了分析。分析了开挖方式、开挖顺序对围岩稳定性的影响，对围岩的开挖过程进行模拟。确定不同开挖方式下隧道围岩的位移、应力状态，以及位移、应力状态随时间的变化规律，为隧道施工过程中开挖方案的制定、支护时间的选取提供依据。     

隧道围岩与衬砌受力特性测试与数值分析

以工程实例为背景,对隧道洞口段施工过程中围岩的收敛变形、锚杆作用应力、一次衬砌、二次衬砌内的应力与变形以及围岩的压力进行观测,取得大量的试验数据,并结合数值计算结果进行分析,为隧道衬砌设计和施工的安全可靠性提供科学依据和技术指导,并为进一步的工程研究积累资料。     

大断面黄土隧道衬砌结构受力变形特征研究

本文结合工程实例对大断面黄土隧道中初期支护与二次衬砌的受力变形特征进行了分析研究。大断面黄土隧道在初期支护中变形具有突变性、变形量大、变形持续时间长等特征,应当及时进行二次衬砌,以防围岩变形破坏。大断面黄土隧道围岩压力在初期支护施工初期快速增大,施工结束七天左右逐渐稳定。大断面黄土隧道二次衬砌施工结束12 h左右各部位接触压力均出现突然增大的现象,这可能与台车模板可提供的反向作用力有关;接触压力由拱顶向拱脚逐渐增大,拱顶接触压力极小,可能该处混凝土未浇筑密实。     

隧道底部隐伏空腔充水对二次衬砌内力影响研究

以某岩溶隧道为工程背景,按弹性阶段相似原则进行模型试验,研究隧道底部隐伏空腔充水情况下的二次衬砌内力特征,以及水压、溶腔和隧道间距的变化对二衬内力的影响规律。试验结果表明:当隧道仰拱底部隐伏空腔充水时,拱肩、边墙和墙脚处轴力为负,拱顶和仰拱底处轴力为正,其中墙脚处负值轴力最大,仰拱底处正值轴力最大;拱肩和仰拱底处弯矩为正,边墙和墙脚处弯矩为负,其中仰拱底处正弯矩最大,墙脚处负弯矩最大。随着溶腔内水压逐渐增大以及充水溶腔与隧道间距离的逐渐减小,特征位置处的轴力和弯矩均有不同程度的增大,对于轴力,拱顶、拱肩和仰拱底处的增量较小,边墙和墙脚处的增量较大;对于弯矩,拱顶、拱肩和边墙处弯矩增量均较小,墙脚和仰拱底处的弯矩增量明显。沿着隧道的轴向,断面越靠近充水溶腔其轴力和弯矩受影响程度就越大。     

大断面宽幅盾构管片三维内力分布分析

以武汉长江隧道工程为例,采用三维壳-弹簧计算模型,对不同幅宽和不同环间接头剪切刚度的管片衬砌结构力学分布进行了分析,并与梁-弹簧模型结果在量值上做了全面比较。研究表明,全环最大弯矩发生在幅宽边缘部位;环间接头剪力对幅宽边缘影响较大,而对幅宽中央影响偏小;当环间接头剪切刚度为非无穷大时,壳模型的幅宽边缘最大弯矩值略微大于梁弹簧模型相应结果,而当无穷大时两者数值则基本相等;壳模型的幅宽中央的最大弯矩值介于梁模型错缝与通缝拼装的数值之间,并随幅宽加大而趋于接近通缝拼装的结果;大幅宽条件下,不宜将梁-弹簧模型的环间最大剪力结果作为环间接头抗剪设计的计算依据。     

裂纹对直墙拱形隧道围岩损伤破坏模式的影响规律研究

运用不同的有限元分析软件(RFPA~(2D)、ABAQUS)模拟研究隧道周边裂纹对直墙拱形隧道围岩稳定性的影响。裂纹分布在隧道拱底、边墙、拱肩、拱顶等部位,将两种数值模拟方法进行对比分析,研究隧道周边裂纹的起裂、扩展机制及隧道围岩在围压载荷作用下的破坏形式。为了验证数值模拟结果,采用水泥砂浆制作隧道模型进行模型试验并与数值模拟结果进行对比分析,其数值分析与模型试验结果较为一致。结果表明,隧道墙脚处的裂纹是隧道围岩破坏的较弱位置;隧道拱顶圆弧位置处的裂纹与隧道拱顶圆弧圆心成45°夹角时,隧道模型的抗压强度最低,稳定性最差;隧道在围压作用下,破坏形式主要是拱底、拱顶的拉伸破坏和边墙、裂纹尖端的压剪破坏。     

洞室和围岩温度对泄洪洞衬砌混凝土温度和温度应力影响研究

以溪洛渡无压泄洪洞为研究对象,采用三维有限单元方法对不同洞室环境温度和围岩温度情况下的施工过程进行仿真模拟,通过比较底板、边墙和顶拱不同衬砌部位的最高温度、最大内表温差、最低温度、早期和冬季最大拉应力等,对洞室环境温度和围岩温度的变化对泄洪洞衬砌混凝土温度和温度应力,以及温度裂缝发生、发展与控制的影响进行分析。结果表明,洞室气温和围岩温度对衬砌混凝土的温度场和应力场均有明显的影响。在冬季施工衬砌混凝土更容易产生早期裂缝,夏季施工时既要防止早期裂缝,也要注意防止冬季裂缝。围岩温度低时,衬砌围岩侧混凝土拉应力明显增大,但对表面和中心的应力影响很小,因而对温度裂缝的发生影响很小。研究成果为隧洞工程衬砌混凝土的设计和施工提供有价值的参考。     

内水压力下水工隧洞衬砌与围岩承载特性研究

衬砌与围岩是水工隧洞的主要组成部分,内水压力是其承担的主要荷载之一。采用轴对称计算模型,以衬砌与围岩间接触应力状态为判断标准,研究了衬砌混凝土开裂前后围岩渗透系数、变形模量等材料参数对衬砌与围岩联合承载特性的影响,详细地介绍了透水衬砌的设计方法和计算过程,以混凝土最大裂缝宽度为控制标准,编制了透水衬砌结构计算与配筋设计程序,并给出了算例验证。计算结果表明,围岩渗透系数是隧洞结构设计的关键,与围岩变形模量具有同等重要作用;围岩透水性越差或变形模量越低,衬砌与围岩越容易脱开;与混凝土开裂前相比,混凝土开裂后,衬砌与围岩更容易脱开;与钢板衬砌方案相比,钢筋混凝土衬砌方案可以很大程度地减小钢材用量;建议高压钢筋混凝土衬砌隧洞设计、施工时,应尽可能地保持围岩的完整性,并进行细致周密的固结灌浆,以增强围岩抗渗能力。     

A contribution to the design of a tunnel lining in swelling rock

SummaryA Contribution to the Design of a Tunnel Lining in Swelling Rock The paper is representing a possible approach for designing tunnel linings for conditions of swelling rock submitted to general primary rock stress distributions. The method is based on the rock swelling parameters and the swelling curve which are assessed in oedometer swelling tests. Hence the proposed design method itself has to make allowance for this. The elastic swelling analysis for circular tunnel linings is followed by an elasto-plastic approach for randomly shaped tunnel cross sections. In addition test results of rock mechanical properties of some swelling rock varieties are given in order to understand more clearly the specific features of swelling rock material.

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ZusammenfassungBerechnungsmethode für Tunnelverkleidungen in quellendem Gestein Die vorliegende Arbeit stellt eine mögliche Berechnungsmethode von Tunnelverkleidungen in quellendem Gebirge dar, das unter einem beliebigen dreidimensionalen primären Gebirgsspannungszustand stehen mag. Die Methode basiert auf den Quellparametern und der Quellkurve, die durch Oedometer-Quellversuche bestimmt werden. Daher hat das Berechnungsverfahren den Unterschieden zwischen den Spannungszuständen im Oedometer und im Gebirge Rechnung zu tragen. Ein auf der Elastizitätstheorie aufbauendes Verfahren für kreisförmige Tunnelverkleidungen wird durch einen elastoplastischen Ansatz für beliebig geformte Tunnelquerschnitte ergänzt. Eine Zusammenstellung der felsmechanischen Kennwerte einiger untersuchter quellender Gesteinstypen ist in die Arbeit eingebaut, um die Wesensart dieser Gesteine näher zu beleuchten.

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RésuméMéthode de calcul de revêtement de tunnels dans une roche gonflante L'exposé ci-dessous présente une méthode d'analyse statique de revêtements de tunnels dans une masse rocheuse gonflant sous l'effet d'un état de contraintes primaire tridimensionnel. La méthode est basée sur des paramètres de gonflement et sur la courbe de gonflement étant déterminés à l'aide d'essais de gonflement oedométriques. C'est pour cela que la méthode proposée doit tenir compte des différences entre les états de contraintes reignants dans l'oedomètre et in situ. La méthode d'analyse basée sur la théorie d'élasticité pour des profils-types circulaires est complémentée par une formulation elastoplastique pour des profils-types quelconques. Un tableau synoptique donnant les propriétés mécaniques de quelques variétés de roches gonflantes basées sur des essais est incorporé dans l'exposé afin de préciser le comportement mécanique des roches gonflantes.

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With 7 Figures     

采矿巷道围岩变形机制数值模拟研究

研究了大冶铁矿龙洞-62 m、-74 m水平采矿巷道开挖后的二次应力分布及巷道变形机制。首先根据现场工程地质勘查和室内岩石力学试验对巷道围岩进行了工程地质分组和岩石力学参数确定;在此基础上运用FLAC3D数值模拟软件研究了巷道开挖后的应力应变状态,分析了围岩变形机制;并根据-74 m水平采矿巷道的收敛监测数据对比验证了数值模拟结果。研究结果表明,围岩条件不同的采矿巷道其二次应力分布影响范围有所差异,但围岩主应力总体上表现为由巷道边墙中下部位的压应力集中带逐步过渡到拱顶、底板一定范围内的拉应力集中带。     

岩体流变情况下隧道合理支护时机的数值模拟

以广梧高速公路牛车顶隧道为工程背景,探讨岩体流变情况下隧道二衬支护时机确定的理论和数值计算方法。对比理论方法预测拱顶下沉时程曲线与现场实测结果,建立数值计算模型,分析隧道围岩应力释放系数对围岩稳定性的影响表明,理论方法预测拱顶下沉时程曲线与现场实测表现出相同的发展规律,并且二者得到的二衬支护时间基本相同,验证了理论方法的正确性。围岩应力随着掌子面推进而不断释放,III级围岩应力释放比较缓慢,空间效应比较明显;当开挖释放应力系数大于或等于60%时,整个围岩的松动区都大于锚喷加固范围,最终确定出二衬的合理支护时机,为工程实践提供参考。     

砂土质隧道围岩内摩擦系数的试验研究

砂土的内摩擦系数 与砂土质围岩稳定性有直接的关系。从影响砂土质围岩坑道稳定性因素及围岩稳定性分级的角度出发,探讨了与砂土质隧道围岩稳定性相关的内摩擦系数 的影响因素,发现砂土的细粒( 0.075 mm)含量对其有较显著的影响,二者呈负相关;砂土相对密实度 并非完全是越大而内摩擦系数 也越大,还与细粒含量及软硬状态有关;采用细粒含水率而不是砂土含水率的方法来评定潮湿砂土的 的影响是较为合理的方法,并总结了细粒含水率对 的影响规律。