双洞隧道洞口段抗减震模型试验研究

为了解隧道衬砌在地震过程中的动态响应以及减震层在地震过程中对隧道及围岩边坡安全性能的影响,针对双洞隧道洞口段进行室内抗减震模型试验研究。模型试验按有（无）减震层分成2组进行对比。试验结果表明：(1) 设置减震层对围岩破坏的形式没有影响,只能在破坏程度上有所减轻;(2) 减震层的设置对模型中的动应力分布情况有较大影响,并能够在一定程度上减小作用在衬砌上的作用力;(3) 有错距的双洞隧道中,长里程隧道洞身在包含短里程隧道洞口的横截平面附近受力状态复杂,减震层的加入有利于减轻其破坏程度。     

跨断层隧道可变形抗减震措施振动台试验研究

跨断层的隧道结构在汶川地震中破坏严重,这说明传统的抗减震技术已不能保证高烈度地震区隧道结构的安全。为此,研发了可变形抗减震措施。通过振动台模型试验,考察了采用该类型措施的隧道结构地震响应特征与震后破坏形态。结果表明：跨断层隧道结构设置减震缝,可以有效减小结构的内力值和应变值;套管式可变形结构可以有效保护主套管上部结构和被套管,但主套管下部结构破坏严重;套管式可变结构提高了隧道的防水性且震后易于修复,整体性能优于减震缝;采用可变形抗减震结构的同时,必须提高衬砌混凝土的强度;不论采用何种抗减震措施,隧道结构的拱脚和仰拱是抗震加固的重点部位。研究成果可以为高烈度地震区隧道结构的抗震设防提供参考。     

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。     

震区隧道洞口段注浆措施的减震效果数值模拟分析

为研究注浆措施在地震区隧道洞口段的减震效果,基于围岩-结构三维模型,改变注浆的范围及参数,采用有限差分法软件FLAC-3D,分析了某隧道洞口段的动力响应。采用人工拟合地震波、黏性边界条件,输入三个方向的地震波,模拟了原设计、全环间隔注浆措施、局部加强注浆措施三种工况。研究分析了各工况的内力、位移、周边围岩塑性区等,并与全环间隔注浆、局部加强注浆两种减震措施的效果作了对比,得出了地震区隧道洞口段的动力响应规律、减震措施的有效范围及全环间隔注浆措施能起到阻尼减震的效果、局部加强注浆措施能改善衬砌结构内力分布的作用等结论。对高烈度地震区隧道洞口段抗减震措施研究有一定的借鉴意义。     

地震高烈度区隧道软硬围岩交接段减震层减震效果分析

为提高位于地震高烈度区隧道软硬围岩交接段的抗震性能,本文以某铁路隧道为研究背景,利用有限元差分软件FLAC^3D对隧道软硬围岩交接段不同位置施设减震层的减震效果进行了分析,结果表明:(1)减震层施设于围岩与初支之间的横竖向位移减震效果为25.16%和6.82%,最大、小主应力减震效果为60.46%、54.65%,最大剪应力减震效果为66.97%,最小安全系数减震效果为45.90%～58.71%;(2)减震层施设于初支和二衬之间横竖向位移减震效果为0.79%和0.62%,最大、小主应力减震效果为68.14%、12.71%,最大剪应力减震效果为35.84%,最小安全系数减震效果为29.51%～51.66%。研究成果可为类似工程抗震设防设计提供参考。     

强震区隧道洞口软硬岩交接段围岩注浆抗震措施效果分析

为提高强震区隧道洞口软硬围岩交接段的地震安全性,本文依托老鹰窝隧道工程洞口段,利用有限差分计算软件FLAC3D进行三维动力响应分析,对全环接触注浆、全环间隔注浆两种围岩注浆抗震措施作用效果进行了对比研究。研究表明:（1）两种注浆方式均能有效减小隧道二衬结构的动力响应内力,改善隧道结构的受力特性,从而提高隧道整体的抗震性能;（2）地震荷载作用下,软岩隧道动力响应强于硬岩,且离软硬围岩交界面越近,响应越大;（3）从减小衬砌结构响应内力的角度来说,全环间隔注浆抗震性能优于全环接触注浆。研究成果可为强震区隧道洞口段抗震设防设计提供参考。     

P波作用下深埋隧道动应力集中问题参数敏感性分析

采用波函数展开法,推导了无限介质中双层衬砌圆形洞室在P波作用下衍射问题的解析解,并结合南水北调西线1期工程3#引水隧道开展了动应力集中系数参数敏感性分析。计算结果表明,围岩和内层衬砌的弹性模量对结构的动应力集中系数影响较大,而围岩泊松比对计算结果的影响几乎可以忽略不计;围岩和衬砌之间的介质层在一定程度上具有减震作用,前提条件是其弹性模量低于围岩弹性模量的1/20,否则减震效果不明显。     

西安地铁正交地裂缝隧道的模型试验研究

以西安地铁二号线穿越地裂缝的区间隧道为对象,通过几何相似比尺50:1的物理模型试验,开展了地裂缝活动条件下地铁隧道骑缝（变形缝与地裂缝一致）正交穿越地裂缝时衬砌结构与围岩相互作用机制的试验研究。结果表明,在地裂缝发生各级错动位移条件下,不同围岩应力场的围岩土压力、衬砌结构应力及其不均匀沉降位移变化规律相似;上下盘内的衬砌结构之间具有明显的错断位移,下盘内衬砌结构的沉降量越小,上盘内衬砌结构的沉降量越大,均呈渐变趋势;上盘内衬砌结构应力、围岩土压力随地裂缝错动位移的增加而减小,下盘衬砌结构应力和围岩土压力随地裂缝错动位移的增加而增大,围岩土压力和衬砌结构应力的增量峰值均发生在地裂缝附近。模型试验研究研究结果对于分析地裂缝活动区间地铁隧道工程的运营及维护具有重要的理论与实际意义。     

乌鞘岭特长隧道复杂地质条件下断层带应力及变形现场监测分析

乌鞘岭隧道是我国迄今为止已建成最长的单线铁路隧道,隧道总长约为20.05 km,而F7断层是乌鞘岭隧道中最长、地质条件最为复杂的活动断层,对隧道施工十分不利。根据F7断层特点及施工中遇到的问题,在乌鞘岭隧道岭脊地段F7断层区段,对洞室开挖后的围岩及支护衬砌结构进行各项应力监测和收敛变形监测,分析了围岩、衬砌系统受力及变形变化趋势,从而探究围岩挤压大变形的机制,掌握围岩应力释放与围岩压力的作用规律;并根据现场监测结果,提出对隧道穿越F7断层区段的断面采用动态优化设计方案及改进的施工措施,避免隧道出现大变形,从而保证隧道穿越F7断层区段安全、快速的进行。     

非静水应力场中圆形隧道衬砌与围岩间两种接触的黏弹性解析

基于非静水应力场中圆形衬砌隧道围岩与衬砌的弹性复变函数表达,利用黏弹性对应原理推导了隧道衬砌与围岩在光滑接触和完全接触情况下的黏弹性通解。推导中围岩符合黏弹性,衬砌为线弹性,且考虑了衬砌支护滞后效应,得到的理论解适用于所有线弹性元件模型。推导的理论解与以往理论解及数值解较一致。根据解答,假定围岩符合广义开尔文(H-K)黏弹性体时,分析表明,衬砌所受的径向、切向应力、衬砌的环向位移以及轴力弯矩均随时间增长而逐渐增大,并收敛于定值;两种接触条件下,围岩的位移、衬砌的应力、位移和内力沿环向分布规律均有较大不同,且随时间增大,二者相差越大。相比已有解析,文中所推导的非静水应力场中衬砌与围岩两种接触下黏弹性解更具普适性,且完全接触下的黏弹性解与深埋圆形衬砌隧道实际情况更为接近。对比两种解析可为实际中衬砌的合理选择和施工提供参考。     

考虑轴向力和渗透力时圆形隧道广义Hoek-Brown解

为了研究渗透水压力和轴向应力共同作用时隧道围岩的应力和位移变化趋势,将圆形隧道简化为轴对称模型,假定渗透场以渗透体积力作用在原应力场,以围岩开挖断面为假定平面,引入垂直于该平面的轴向应力。基于广义Hoek-Brown强度准则和非关联流动法则,推导出考虑轴向应力和渗透场共同作用时弹-脆-塑性围岩的应力和位移非线性解,采用数值算例分析了轴向应力和渗透力共同作用时隧道围岩塑性区应力场和位移场的分布规律。计算结果表明：与无渗透水压力作用下的模型相比,渗透力作用使得围岩塑性区各点位移增大,并且内外水头差越大,位移增大越明显。当轴向应力为中主应力时,围岩塑性区半径和塑性区各点应力增大,轴向应力为大主应力和小主应力时,围岩塑性区半径和塑性区应力变化较小。因此,渗透力的存在不利于隧道围岩的稳定性,并且轴向应力的大小对于富水地区隧道围岩的应力和位移分布具有较大影响。在施工设计时考虑渗透力以及轴向应力的共同影响对于保证隧道围岩稳定性具有重要意义。     

Generalized Hoek-Brown solution of circular tunnel considering effects of axial stress and seepage forceEI北大核心CSCD

This paper studies the joint effect of seepage force and axial stress on the stress and displacement of circular tunnel. The circular tunnel is simplified as an axisymmetric model and the seepage field is simplified as volumetric force in the stress field. The excavation cross-section of surrounding rock is assumed as a plane as well, and an axial stress perpendicular to the plane is further introduced. Nonlinear solutions for the stress and displacement of circular tunnel are deduced considering the joint effect of axial stress and seepage force, based on the generalized Hoek-Brown failure criterion and the non-associated flow rule in elastic-brittle-plastic rock mass. Numerical simulations are also employed to analyze the distribution of stress field and displacement field in plastic zone of a circular tunnel under the joint effect of axial stress and seepage force. The calculated results show that the displacement in plastic zone increases significantly with the gradient increment of the seepage pressure, compared with the situation without seepage force. The radius and stress of surrounding rock in plastic zone increase when axial stress is the intermediate principal stress, while the radius and stress have less change when axial stress is the major or minor principal stress. It can be concluded that the seepage force has negative effects on the stability of circular tunnel, and the axial stress significantly influences the stress and displacement of the circular tunnel, especially in water-rich areas. Therefore, it is necessary to consider the joint effects of axial stress and seepage force to ensure the stability of circular tunnel in water-rich area.     

Anisotropic Deformation of a Circular Tunnel Excavated in a Rock Mass Containing Sets of Ubiquitous Joints: Theory Analysis and Numerical Modeling

Determining anisotropic deformation surrounding underground excavations for tunnels is an intuitional task that involves many difficulties due to the inherent anisotropies in the strength and deformability of natural rocks. This study investigates joint-induced anisotropic deformation surrounding a tunnel via a numerical simulation that accounts for the mechanical behavior of intact rock, the orientations of joint sets, and the mechanical behavior of joint planes; this numerical simulation can model the complete stress–strain relationship with anisotropic rock mass characteristics. Simulation results demonstrate that the well-known excavation-induced stress variation–decrease in the radial component and increase in the tangential component–decrease shear strength and increase shear stress for the joint plane tangential to the tunnel wall, resulting in joint sliding failure and considerable shear deformation. This joint sliding failure and significant shear deformation account for the joint-induced anisotropic deformation surrounding a tunnel. When a rock mass has two joint sets with unfavorable joint orientations, the area with joint sliding failure can deteriorate mutually, resulting in large anisotropic deformation. Additionally, for a rock mass containing three joint sets with well-distributed orientations, joint sliding in various joint sets and associated stress variations can counter balance each other, resulting in less anisotropic deformation than those of rock masses containing one or two joint sets.     

引红济石引水隧洞围岩力学特性研究

引红(红岩河)济石(石头河)引水隧洞围岩断层带破碎松软,岩石强度低,自稳能力差,易产生大变形。以上不良地质条件使其隧洞施工过程中经常会遇到TBM卡机等一系列特殊问题。针对引红济石引水隧洞施工中存在的软岩隧洞大变形问题,首先开展了X射线衍射、崩解试验,分析了试样的组成成分、黏土矿物含量对崩解性影响;再通过一系列单轴压缩试验、三轴压缩试验和蠕变试验研究了该类岩石不同应力条件下的变形破坏特征及蠕变特性。试验结果表明,该类岩石含有大量的黏土矿物(33.49%),对水比较敏感,遇水膨胀易崩解,导致岩体软化;试样具有较大塑性压缩变形,其应力-应变曲线为应变强化型,且没有明显的峰值。基于试验研究成果和现场监测数据,对该软岩隧洞大变形机制进行了分析,并提出了在围岩与管片之间安装聚氨酯缓冲层的新型支护方案,通过数值计算对支护方案的合理性进行了验证。分析结果表明:聚氨酯缓冲层可以很好地吸收围岩形变压力,避免应力集中带来的管片错台,从而大大减小管片上破坏区的产生。研究成果对该类岩体中隧洞的设计施工以及长期稳定性分析具有重要的参考作用。     

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。     

双线小净距隧道中岩墙力学特征及加固措施研究

采用二维弹塑性数值计算方法,对Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ级围岩条件下平行布设的双洞隧道中夹岩墙受力、变形特点随隧道间距变化的情况进行了研究。研究结果表明,对于两隧道间距较小的小净距隧道,中夹岩墙的受力、变形极为不利,是设计、施工和监控量测的关键部位。同时研究了不同隧道埋深以及不同岩柱加固措施对小净距隧道中夹岩墙受力、变形特点的影响,为小净距隧道的支护设计、开挖方式、岩墙加固方式选取以及现场监控量测方案制定等提供指导。     

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。     

大埋深高地应力硬岩TBM隧洞围岩破裂变形规律研究

大埋深、高地应力隧洞围岩变形问题是制约TBM隧洞安全及高效施工的关键性因素之一。隧洞埋深大、地应力高、岩石强度高、工程条件复杂,在施工过程中因开挖卸载,围岩变形随时间及应力集中程度不同表现出不同的破裂变形形式,引发拱顶沉降、拱底隆起,严重威胁施工人员及机械设备安全。本文选取引汉济渭工程秦岭隧洞岭北段K45+534.70～K45+701.92区间,分析了围岩破裂形式、隧洞拱肩及拱顶变形特征,探讨了高地应力条件下围岩破裂变形过程,揭示了围岩破裂变形规律及内在机制,提出了高地应力硬岩隧洞围岩破裂变形支护措施。结果表明：大埋深、高地应力围岩在切向应力作用下发生以劈裂为主的张剪破坏,表现为岩爆及静态脆性破坏(片帮、溃屈、板裂)两大类。隧洞围岩破裂变形分为急剧变形、快速变形及缓慢变形3个阶段,前两个阶段可达总变形量的60%～80%;隧洞拱顶变形随应力条件不同可能出现二次甚至三次加速变形,初次加速主要原因为张开裂隙、岩板剪胀及部分岩板挠屈弯折,发生速度快、持续时间短;二次加速主要由岩板挠屈弯折及岩块碎胀引起,变形速度小但持续时间长。针对高地应力隧洞围岩破裂变形特征,提出了包括吸能锚杆、钢筋挂网、钢纤...     

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。     

二郎山隧道围岩二次应力场特征分析

围岩二次应力场是地下工程开挖后地应力释放并重新进行调整形成的,其分布和大小与工程地质条件及施工状况有关,并且直接影响着施工安全和支护措施的优化。本文利用适于现场操作的改进型应力恢复法现场测试围岩的二次应力场,结合数值模拟研究其沿隧道轴线及横断面方向的变化,分析其与原始地应力场、围岩类别、断裂构造、浅表生改造、地下水状态及施工状况等因素的相关性,不仅为地下工程围岩二次应力场研究提供了资料,而且为隧道信息化施工及时提供了信息。