砾岩隧洞的长期稳定性分析

本文首先研究某工程泥质砾岩扰动样的流变、渗透和浸水软化特性，然后，简要介绍泥质砾岩隧洞的施工方法和支护形式并根据材料特性，模拟施工过程，湿化饱和过程和钢筋混凝土瓦片形衬砌的结构形式，分析了围岩和衬砌的应力及变形，探讨了浸水软化对围岩长期稳定性的影响和失稳机制。     

山岭隧道高水压下衬砌结构平面数值分析

采用平面有限元数值模型分析高水压作用下衬砌结构受力特征和围岩稳定性,研究了水压力大小、注浆加固圈厚度、水压力折减系数对衬砌结构受力和围岩塑性区的影响。研究结果表明：衬砌内力与塑性区随着外水压力折减系数的增大明显增大,随着总水压力的增加而增大,随着加固圈厚度的增大而减小;外水压力折减系数是影响衬砌内力和围岩塑性区的重要因素。     

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。     

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。     

水工隧洞钢筋混凝土衬砌外水压力取值方法研究

外水压力是隧洞衬砌承受的主要荷载之一,也是控制其建设与运行或检修过程中衬砌结构安全的关键因素。目前外水压力的取值仍然以经验公式为主,存在很大的局限性和不准确性。首先分析对比了衬砌外水压力的折减系数法、理论解析方法和数值分析方法几种取值方法,然后进行了不同渗透环境和衬砌支护条件下的衬砌外水压力计算。结果表明,随着围岩渗透性和衬砌厚度的增大,衬砌外表面的水压力越大;对于渗流数值计算,模型范围应取距离隧洞中心不小于30倍洞径;考虑渗流场的时间效应,开挖完成10 d后隧洞的渗流场趋于稳定,衬砌支护20 d后衬砌外侧水压力分布趋于稳定。     

周家湾隧道施工中围岩量测成果分析及应用

随着国民经济的飞速发展,对铁道交通运输的要求越来越高。国家铁道网络工程的建设,尤其是高速铁路的建设,使得超长隧洞、超大断面隧洞的应用越来越广。这就对隧洞施工技术提出更高的要求。如何选择合适支护时间及支护方式,将影响施工进度与施工成本的控制。在隧道施工过程中采用围岩量测监控技术,对围岩变化情况及支护结构进行量测,及时提供围岩稳定程度与支护结构可靠性的安全信息,预见事故及险情,作为调整与修改支护设计的依据,并在复合式衬砌中,依据测量结果确定二次衬砌施做的时间,以达到监控隧道围岩与支护结构的变化不超过设计标准。在周家湾隧道施工中应用了围岩量测技术,全过程监督施工中围岩的稳定性。通过对监测数据的分析与研究,选择适宜的支护措施,确保了工程的安全与质量,提高了施工效益并节约了施工成本。     

复合式衬砌结构中衬砌分担围岩压力比例的研究

复合式衬砌结构中衬砌分担围岩压力的评价方法是隧道工程技术的重要研究课题之一。依托某新建铁路隧道工程,提出了一种基于监测位移反分析评价围岩和支护应力,进而计算初期支护和衬砌背后压力的方法。根据监测位移和衬砌施作时间,确定初期支护的已发生变形和剩余变形。通过有限元反分析求出与已发生变形和剩余变形相对应的围岩和支护应力,得到初期支护和衬砌背后压力。对比初期支护背后压力及衬砌背后压力的现场监测和反分析的计算结果,两者比较一致,说明了该方法的可行性。该新建隧道初期支护闭合95 d后施作衬砌,计算得到衬砌背后压力约0.04～0.06 MPa,衬砌分担围岩压力比例约13%～16%。研究成果对复合式衬砌结构的设计具有一定的参考意义。     

考虑中间主应力影响水底隧道围岩与衬砌流固耦合弹塑性解

裂隙岩体在渗流水荷载作用下的裂隙围岩流-固耦合研究是隧道工程研究的热点问题,而计及中间主应力影响的隧道围岩流-固耦合应力计算鲜见介绍。采用双剪统一强度理论屈服模型,计及中间主应力影响,分析了在渗流水荷载作用下隧道围岩处于弹性、软化、塑性流动时的流-固耦合问题,并给出了含水围岩、衬砌应力、位移与变形区界面半径解析计算式。其结果对水底隧道围岩稳定分析与衬砌结构设计计算具有工程实用意义。     

裂隙岩体不均匀冻胀性研究

隧道冻胀力是引起隧道冻害的主要原因之一，隧道冻胀力主要由围岩不均匀冻胀引起。裂隙的存在会对岩体不均匀冻胀产生进一步影响，因此推导了岩体不均匀冻胀系数 的计算公式，并获得岩体不均匀冻胀系数 的相关规律。（1）岩体不均匀冻胀系数随裂隙与冻结方向的夹角? 的增大而增大。（2）温度梯度增加，岩体的不均匀冻胀系数 增加，岩体的不均匀冻胀性增强。（3）裂隙率对岩体不均匀冻胀的影响需要考虑到裂隙与温度梯度夹角?，当裂隙与温度梯度的夹角? 较小时，岩体不均匀冻胀系数 随裂隙率的增加而减小；当裂隙与温度梯度的夹角? 较大时，岩体不均匀冻胀系数 随裂隙率的增加而增大。（4）裂隙对岩体不均匀冻胀的影响程度与岩体的岩性有关，裂隙对孔隙率小的岩体影响较大。根据推导的裂隙岩体不均匀冻胀系数计算公式，计算得到了不同岩性不同级别含裂隙围岩的不均匀冻胀系数范围，从而，在寒区隧道设计中可以更精确地计算隧道围岩作用于衬砌上的冻胀力，对寒区隧道工程的设计具有重要作用，对路基、边坡等寒区工程冻胀力的研究也可起到推动作用。     

An Analytical Solution for Mechanical Responses Induced by Temperature and Air Pressure in a Lined Rock Cavern for Underground Compressed Air Energy Storage

Mechanical responses induced by temperature and air pressure significantly affect the stability and durability of underground compressed air energy storage (CAES) in a lined rock cavern. An analytical solution for evaluating such responses is, thus, proposed in this paper. The lined cavern of interest consists of three layers, namely, a sealing layer, a concrete lining and the host rock. Governing equations for cavern temperature and air pressure, which involve heat transfer between the air and surrounding layers, are established first. Then, Laplace transform and superposition principle are applied to obtain the temperature around the lined cavern and the air pressure during the operational period. Afterwards, a thermo-elastic axisymmetrical model is used to analytically determine the stress and displacement variations induced by temperature and air pressure. The developments of temperature, displacement and stress during a typical operational cycle are discussed on the basis of the proposed approach. The approach is subsequently verified with a coupled compressed air and thermo-mechanical numerical simulation and by a previous study on temperature. Finally, the influence of temperature on total stress and displacement and the impact of the heat transfer coefficient are discussed. This paper shows that the temperature sharply fluctuates only on the sealing layer and the concrete lining. The resulting tensile hoop stresses on the sealing layer and concrete lining are considerably large in comparison with the initial air pressure. Moreover, temperature has a non-negligible effect on the lined cavern for underground compressed air storage. Meanwhile, temperature has a greater effect on hoop and longitudinal stress than on radial stress and displacement. In addition, the heat transfer coefficient affects the cavern stress to a higher degree than the displacement.     

浅埋双连拱隧道围岩-边坡体系变形机理及稳定性分析

双连拱隧道是一种新的隧道形式, 由于其整体跨度大、结构复杂、施工工序繁琐, 在地形偏压、地质条件复杂的情况下修建双连拱隧道难度较高, 尤其在洞口段容易出现衬砌开裂、边坡变形等一系列工程问题。结合安徽铜黄高速公路汤屯段富溪隧道进口段工程, 采用地质条件研究与数值模拟分析相结合的研究手段, 对复杂地质条件下偏压双连拱隧道围岩① 边坡体系在施工过程中应力应变发展过程进行了研究。综合分析表明, 富溪隧道进口段处于F5断层影响带内, 岩体呈碎裂结构,同时, 受到地形偏压影响, 隧道开挖后衬砌和围岩表现为沉降变形和侧向变形, 进口边坡在隧道围岩变形的诱导下, 表现为蠕滑- 拉裂变形破裂。根据以上研究成果, 提出了富溪隧道变形治理应以控制进口段隧道拱顶的变形为主。     

Analysis of the evolution of road tunnels equilibrium conditions with a convergence–confinement approach

Since both lining structure and rock mass exhibit delayed behaviour, tunnel equilibrium conditions evolve with time. After discussing existing work done on different aspects of long-term tunnel behaviour, the aim of this paper is to “understand” the influence of rock mass and lining degradations on the long-term stability conditions of the tunnel by means of the convergence–confinement method. In order to represent the effects of degradation on tunnel long-term conditions, specific degradation models are selected according to the disorders identified during principal inspections of road tunnels in Switzerland. By simulating the reduction of the mechanical properties of both the rock mass and the lining or by using creep models, it is possible to assess the influence of the main degradation processes on tunnel stability. The results are interpreted in terms of tunnel safety factor. The presented approach for the determination of the long-term behaviour of tunnels, although valid for simple tunnel geometry and field stress conditions, allows to roughly estimate the influence of significant degradation processes that affect the rock mass and the supporting structure. Though this approach results in some simplification, it may be generalised and adopted with more refined numerical analyses for improving the assessment of tunnel long-term conditions.     

隧道洞口浅埋偏压段两种围岩注浆措施的抗震效果分析

为进一步提高隧道洞口浅埋偏压段的震时安全性,依托某铁路隧道洞口段工程,利用有限差分数值计算软件对两种围岩注浆抗震措施的抗震效果进行了研究,对比分析了围岩采用接触注浆与间隔注浆两种抗震措施对隧道衬砌结构位移以及内力的影响。研究结果表明:围岩采用接触注浆抗震措施后,二衬结构横向及纵向位移分别减小了86.7%、38.1%,轴力及弯矩平均减小了45.12%、64.20%,最小安全系数平均提高了61.36%;围岩采用间隔注浆抗震措施后,二衬结构横向及纵向位移分别减小了49.3%、23.8%,轴力及弯矩平均减小了39.42%、44.90%,最小安全系数平均提高了43.11%;围岩采用接触注浆抗震措施的抗震效果优于间隔注浆抗震措施。研究成果可为隧道洞口段抗震技术的发展提供参考。     

分岔隧道模型试验与数值模拟超载安全度研究

超载试验能得到隧道的超载安全度,通过大型地质力学模型对分岔隧道进行了超载试验,模拟了分岔隧道在不同侧压系数下围岩的变形、应力分布和破坏情况。同时,应用三维数值分析软件对模拟区域进行了模拟。模型试验和数值模拟结果分析表明,随着侧压系数K的增加,分岔隧道的侧向位移增加,拱顶位移由向下变为向上;当侧压系数为K=3.5时,应力达到极限;当侧压系数K≥4.0时,位移突变,最终最大位移达到100 mm;塑性区骤增,隧道拱顶围岩开始开裂,且有块体掉落。分岔隧道的拱顶和两帮是最易破坏的区域,隧道超载安全度为3.5。     

近距离双隧道开挖与支护的稳定性有限元计算

对京珠国道粤境沿线某近距离双隧道开挖与支护过程,使用平面粘弹塑性有限元方法分５种计算情况进行了数值模拟,分析对比了围岩与支护结构的受力、变形及塑性、受拉区的演化状况,对围岩—支护体系的稳定性进行了评价。     

连拱隧道不同施工阶段结构体系可靠度计算

针对连拱隧道的不同施工阶段,根据在围岩压力作用下隧道衬砌的内力分布情况,以串、并联体系为基础,确定了连拱隧道不同施工阶段的体系失效模式。充分考虑材料性能参数、几何尺寸、围岩弹性抗力系数及荷载等的随机性影响,采用蒙特卡罗-随机有限元法对隧道衬砌截面的可靠度进行了研究,进而采用区间估计的“宽界限法”对连拱隧道不同施工阶段结构体系的可靠度进行了计算。计算结果表明,连拱隧道施工阶段单洞完成后中墙部位的体系可靠指标最小,不能满足长期使用的承载能力要求,施工中应注意中墙的安全,并尽早形成对称连拱结构。     

隧道围岩断面轮廓分维数的小波分析算法及应用

隧道的超欠挖对衬砌结构稳定性影响较大,研究其规律,对于掌握围岩受力,确保施工安全,具有深远意义.隧道断面轮廓超欠挖序列具有统计自相似性,根据小波分析的多分辨率的特点,本文给出了利用小波理论估计分维数的方法.选定恰当的小波函数和分解层数,对隧道围岩断面的整体轮廓、拱顶和边墙的超欠挖序列分别进分形维数的小波分析估算,结果安...     

氯盐和冻融循环复合作用对深埋公路隧道安全性能的影响

对氯盐和冻融循环复合作用后Ⅳ级围岩中埋深为30 m的隧道,运用同济曙光软件建立荷载-结构法拉压弹簧模型进行分析计算,该荷载-结构模型在拱顶152°范围内设置拉弹簧,其余部位设置压弹簧,计算表明：随着环向裂缝宽度（钢筋锈蚀程度的增加）以及纵向裂缝深度的增加,隧道安全性能逐渐降低;衬砌具有相同钢筋锈蚀程度和纵向裂缝深度时,拱顶处病害比拱腰处病害对隧道安全性能的影响大;当环向裂缝宽度小于0.2 mm时,环向裂缝宽度的变化对隧道衬砌安全性能影响不大。     

汶川地震公路隧道普通段震害分析及震害机制研究

在汶川地震中隧道普通段出现了严重的震害,为了提高高烈度地震区隧道普通段的抗震性能,通过统计分析汶川地震公路隧道普通段震害调查资料,对隧道普通段进行了震害分析。结果表明,隧道普通段震害主要发生在软岩均一段、软硬围岩交接段软岩部分以及围岩缺陷段。通过三维有限差分数值模拟和现场典型震害分析,研究了公路隧道普通段的震害机制,探明了围岩均一普通段隧道震害机制,即硬岩隧道普通段基本无震害,软岩隧道普通段震害较严重,衬砌结构受地震惯性力影响较大,强制位移次之;探明了围岩软硬交接普通段隧道震害机制,即震害主要发生在软硬围岩交接段软岩部分,震害的主要影响因素为强制位移,地震惯性力次之;探明了围岩缺陷普通段隧道震害机制,即震害主要由地震惯性力造成强制位移影响很小。研究成果可为高烈度地震区公路隧道普通段的抗震设防提供参考。     

正交各向异性岩体中非圆形水工隧洞的解析解

将围岩和衬砌分别视作均质、连续的线弹性正交各向异性和各向同性体,并充分考虑衬砌的支护滞后效应和隧洞运行时的内水压力作用,运用复变函数方法中的幂级数解法,提出了正交各向异性岩体中任意形状水工隧洞的力学解析方法。以直墙半圆拱形水工隧洞为例,所获得的解析解可精确满足衬砌内边界的应力边界条件以及围岩与衬砌接触面的应力、位移连续条件,同时还将解析结果与ANSYS数值结果对比分析,吻合良好。利用获得的解析解,讨论了围岩开挖面上不同的各向异性程度、不同的弹性对称面角度以及隧洞内不同的水压荷载对衬砌以及围岩上应力和位移分布的影响。