基于收敛-约束法的隧洞纵向变形演化规律研究与支护时机估算

依托某供水工程输水隧洞建立三维数值模型,采用有限差分法和Mohr-Coulomb屈服准则进行施工开挖过程的数值模拟,研究不同围岩条件下隧洞支护时机的估算。首先,基于收敛-约束法进行隧洞开挖推进过程中的变形规律研究,分析监测断面的围岩变形特征,研究发现围岩位移的收敛规律与围岩质量相关,提出隧洞纵向变形曲线的修正公式。然后,采用一步挖穿分期释放的模拟方法,研究监测断面位移随开挖荷载释放的变化规律,以相同的位移释放系数为出发点,构建,开挖面推进距离与荷载释放率之间的关系,并将对应的围岩位移陡增点作为施加支护的推荐时机,得出不同围岩条件下施加支护与开挖面之间的控制距离。研究结果表明,提出的纵向变形公式相关参数确定过程简单,拟合效果良好,推荐的支护与开挖面之间的控制距离符合工程实际规律。     

考虑渗流的盾构隧道开挖面稳定性分析

通过工程实例,应用VB6.0与FLAC3D软件集成可视化系统,考虑水的渗流效应和不考虑水的渗流效应两种情况,对盾构隧道开挖面的稳定性进行分析。根据稳定性理论,确定开挖面支护压力在进行微小变化时,中心点水平位移发生突变时的支护压力为极限支护压力,得到了两种情况下开挖面的极限支护压力、应力场、位移场和塑性区的变化。结果表明:开挖面失稳的极限支护压力等于作用于开挖面有效支护压力和渗透力的总和,考虑渗流的开挖面极限支护压力大于不考虑渗流的极限支护压力,渗流力构成了总支护力的主要部分;由于孔隙水压力的影响,考虑渗流效应的隧道开挖面应力小于不考虑渗流效应时的应力,其位移和塑性区却大于不考虑渗流作用的位移和塑性区;考虑渗流情况下开挖面的稳定性比不考虑渗流情况要差。同时与实测资料比较,验证了软件系统的合理和有效性,为设计和施工时开挖面支护压力的施加提供了一定的指导依据。     

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。     

砂土地层中不同支护模式下盾构隧道开挖面稳定性研究

防止盾构隧道开挖面失稳的关键是合理设置不同盾构支护平衡模式下的支护压应力。在改进的筒仓楔形体模型计算方法得出的开挖面松动土体对刀盘压力呈近似呈抛物线分布的基础上,研究了气压支护模式、泥水支护模式和土压支护模式下,盾构隧道开挖面分别在地下水位以上和地下水位以下时开挖面的稳定性,研究结果表明:有效支护应力均匀分布时,除粘土开挖面下部失稳外,其余土体均为开挖面中下部失稳;有效支护压应力呈上小下大的梯形分布时,除软粘土开挖面下部失稳外,其余土体均为开挖面上部失稳;有效支护应力呈上大下小的梯形分布时,所有土体开挖面均为下部失稳;在气压、泥水和土压平衡支护模式下,开挖面在未到达筒仓楔形体模型所假设的开挖面整体失稳前,开挖面已经发生了局部失稳,采用筒仓楔形体模型确定的极限稳定支护力是不安全的。最后给出了开挖面松动土体对刀盘压应力公式中计算参数的无量纲化图,以方便实际工程运用。      

考虑渗流的多层土盾构隧道开挖面稳定性分析

将传统模式的均匀土层稳定性分析的楔形体模型扩展到渗流作用下多层土盾构隧道开挖面的稳定性分析中,楔形体是由梯形组成的,每一个梯形对应一层土层,利用太沙基有效松动土压力理论和上限定理,推导了渗流作用下盾构穿越多层土的隧道开挖面极限支护压力的计算公式。极限支护压力等于作用于开挖面有效支护压力和渗透力的总和,其中有效支护压力用极限平衡来计算,渗流力采用水头分布的数值方法计算获得的。计算结果发现,渗透力构成了总支护压力的主要部分,分析结果和工程实测数据是一致的。     

黏土中盾构开挖面变形与破坏数值模拟研究

开挖面支护应力的控制是土压平衡式盾构施工成功的关键。利用能够考虑大变形破坏的拉格朗日有限差分计算程序,对土压平衡式盾构在黏土地层施工中,因开挖面支护压力控制不当引起的开挖面的变形及破坏问题进行计算分析,探讨了开挖面变形及破坏模式,分析了开挖引起的周围土体应力释放问题,为黏土地层中盾构开挖面控制压力的确定提供参考。     

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。     

考虑动态泥膜效应的盾构开挖面稳定理论研究

泥水盾构工法被广泛应用于高压富水复杂地质环境中修筑隧道,其中开挖面稳定控制是工程成败的关键,在盾构掘进时,由于刀盘不断旋转切削地层,开挖面上的泥膜处于“形成―破坏―再形成”的动态循环过程,泥膜透水性增强,这种动态泥膜作用下开挖面的稳定如何评价有待于进一步探索。对此,对泥水盾构掘进过程中的动态泥膜进行了分类,提出了考虑盾构运动和泥浆渗滤特征的动态泥膜理论。在此基础上,采用空间离散法将泥水压力引入旋转体模型,建立了考虑动态泥膜效应的开挖面稳定力学模型,提出了泥水盾构动态掘进过程中开挖面临界泥浆压力及泥浆支护效率评估方法,研究指出：当盾构在强渗透性地层中掘进时,在尽量提高泥浆成膜率的同时,应注重泥浆黏度调节,充分发挥渗透力支护作用,同时可适当提高盾构掘进速度并降低刀盘转速,有利于开挖面稳定控制。以泥浆成膜率、等效渗透系数为依据给出了泥浆支护效率设计图,研究工作对盾构掘进支护压力控制和泥浆配置有一定的借鉴意义。     

浅埋圆形隧道开挖面稳定的可靠度分析

开挖面支护压力是影响隧道开挖面稳定的重要施工因素,也是进行隧道开挖稳定性可靠度分析的关键。采用FLAC3D软件计算开挖面的最小极限支护压力,结合响应面法计算浅埋圆形隧道开挖面稳定的可靠度指标卢,将土体粘聚力和内摩擦角作为随机变量,考虑土体粘聚力和内摩擦角之间的相关性。分析结果表明,不考虑参数相关性计算得到的可靠性指标偏于保守。通过计算验算点处的极限支护压力与原支护压力比较,证明响应面法在结合FLAC3D计算开挖面稳定的可靠度方面是足够准确的。     

深基坑开挖过程及空间效应影响的数值模拟

结合工程实例,利用FLAC3D有限差分法分析软件对某双排桩深基坑的开挖和支护过程进行模拟,分析了开挖过程中土体位移场的变化规律。研究表明,支护结构和土体的空间受力性状、土与支护结构之间的相互作用以及施工开挖过程等均会对支护结构的受力状态和变形特性产生显著影响。此外,还讨论了双排桩之间土体刚度的变化对位移和沉降的影响,表明适当地增加两排桩之间土体的刚度能有效地减小基坑外侧土体的位移。     

巷道开挖围岩能量释放与偏应力应变能生成的分析计算

巷道开挖,围岩能量释放,同时在围岩中产生偏应力。围岩应力是原岩应力与偏应力的叠加,偏应力或偏应力能控制岩体破坏。在静水压力 和岩体体积应变为0的条件下,利用文[1]在弹性、非线性软化本构模型导得的巷道围岩应力分布表达式,用重积分计算了围岩弹性区和软化区中的偏应力应变能 ,证明了 可以简捷地用地应力 关于巷壁位移 做一次积分再乘巷壁周长的途径来得到,阐述了该计算途径的原理。巷道开挖过程围岩释放的能量等于围岩压力 关于 的积分乘巷壁周长。由此,可通过 ~ 曲线、 ~ 曲线所围面积的几何形式,表示围岩偏应力能、围岩弹性能释放量随 变化的情况。所得研究结果可以深化围岩由于开挖产生的力学响应及挖成后围岩工况规律的认识。     

大跨度高边墙地下洞室分层间隔施工方法

结合某大垮度、高边墙地下洞室的施工实践,详细阐述了大洞室纵向预留隔层、隔层上中下同步开挖、最后清除隔层这一新的开挖方法施工全过程。通过数值模拟,对这一新的开挖方法与自上而下台阶式开挖方法引起围岩最大变形、围岩塑性破坏和锚杆轴力进行了对比分析,结果表明,新的开挖方法对围岩的扰动破坏更小。指出了采用这种新方法的适用条件。对于其他用途大跨高边墙地下洞室的施工具有一定的参考价值。     

丹巴水电站引水隧洞高地应力软岩段三维开挖方案优化研究

采用摩尔-库仑弹塑性模型的有限元分析方法和岩体开挖卸荷理论, 并考虑地应力对隧洞的作用机制,建立丹巴水电站双洞四机引水隧洞软岩段三维开挖大型三维模型并进行岩体力学计算,分别以不同的掌子面推进深度进行开挖,从洞口开挖至一定深度。统计不同掌子面推进深度下各步开挖不同关键点处的位移变化情况,进行比选,建议工程实际应当选用的最佳掌子面推进深度;在该推进深度下,统计不同洞段不同位置的各向位移预留量,为超前支护的必要性提供依据和超前支护的施工提供数据支持,以保证工程施工的顺利进行,为后续类似工程设计提供参考。     

公路隧道围岩亚级开挖及支护设计参数研究

为了建立公路隧道在各围岩亚级条件下的支护体系,指导隧道的安全施工,在亚级分级方法、分级标准、物理力学参数等研究基础上,结合双车道公路隧道特点,通过理论分析、实例统计、数值分析等方法,研究了各亚级围岩下隧道开挖方法、预加固参数、支护类型、结构型式和初期支护参数。结果表明,Ⅲ1级围岩可采用全断面法、轻型承载型支护,Ⅲ2级采用台阶法、中型承载型支护;Ⅳ1、Ⅳ2、Ⅳ3级采用台阶法、重型承载型支护,但Ⅳ2、Ⅳ3级需通过预加固措施使加固区围岩强度提高到相当于Ⅳ1水平;Ⅴ1级采用台阶法和使加固区围岩强度提高到相当于Ⅳ1水平的预加固措施,Ⅴ2级采用CRD法和使加固区围岩强度提高到相当于Ⅳ3水平的预加固措施,Ⅴ1、Ⅴ2级也都可采用CD法和使加固区围岩强度提高到相当于Ⅳ1水平的预加固措施,且都采用特殊承载型支护;Ⅳ1、Ⅳ2、Ⅳ3、Ⅴ1、Ⅴ2级均需设置仰拱。     

应力释放法在隧洞开挖模拟中若干问题的研究

根据快速拉格朗日法的基本原理,讨论了在其中实现应力释放法的理论根据。通过不同侧压系数下脆性岩体中圆形隧洞开挖卸荷过程的应力释放法模拟和真三维模拟,分别讨论了应力路径问题、模拟空间效应时最终计算结果的准确性及其工程应用问题。在未包含断层、软弱带等特殊地质条件的情况下,分析得到以下结论：（1）应力释放法模拟中,围岩经历的应力路径与真三维模拟不同,故只能用前者来近似模拟开挖问题;（2）不同的应力路径将导致不同的最终结果,在一定的近似程度要求及计算工作条件下应力释放法模拟的最终结果可近似真三维的模拟结果,且对于圆形隧洞问题,当侧压系数从1.0开始增大或减小时,这种近似误差将减小,并最终趋于稳定;（3）在工程应用中,由应力释放法可得到收敛约束法中的GRC曲线,从而使得它在工程应用中发挥重要的作用。     

一种考虑挡土墙变形的深基坑非线性土压力方法

基于深基坑墙后主动区土体应变状态模式的假定,采用反映墙后主动区土体应力-应变性状的卸荷应力路径试验确定的应力-应变关系,建立考虑挡土墙变形的非线性土压力的计算公式;就该公式的特点、参数的物理意义及其确定进行讨论;并对一简单算例进行计算,计算结果能反映土压力与挡墙位移的非线性关系以及土压力沿深度的非线性分布,得到墙后主动区土体达到主动极限状态所需的位移与深度的关系,计算结果比较满意.表明所建立的方法的合理性、可行性和适用性.     

南水北调中线西四环暗涵工程暗挖施工对环境的影响研究

以南水北调中线北京段西四环暗涵工程为研究背景,通过详细分析在复杂工程环境下进行浅埋暗挖施工对既有工程环境产生的严重影响及关键控制因素,得到有效控制暗挖施工对既有环境影响的措施,如初期支护方案的勘测设计方法、施工控制监测措施、监测控制效果分析检验等。实践证明,既使是在复杂的工程环境下,地下岩土工程开挖影响也可以得到有效控制。     

开挖卸荷对下卧初支隧道的纵向变形的影响研究

结合目前已有的分析方法,对下卧初支隧道的纵向变形进行了施工前的预测,并获得了不同的结果。但现场的监控量测证明了开挖卸荷导致下卧既有初支隧道的纵向变形出现了不同的时空分布规律,并印证了时空效应对下卧初支隧道纵向变形的影响是不容忽视的。基坑开挖卸荷的速度和方式是直接影响既有隧道纵向变形的关键因素之一。通过对下卧隧道纵向变形的实测数据分析研究,总结了实例工程的经验和教训,为今后的类似工程提供了参考。     

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.