隧道围岩超欠挖与节理和洞轴线之间的关系

从分形几何角度分析,隧道围岩超欠挖具有自相似性,对于一定洞径的隧道,隧道围岩超欠挖曲线分形维数是岩体结构和洞轴线的函数。对于主要发育一组陡倾节理的情况研究表明,隧道围岩超欠挖曲线分形维数与节理间距呈双对数线性关系,与节理走向和洞轴线的夹角呈双对数线性关系,并建立了它们之间的多元关系。     

公路隧道超欠挖的成因与控制

通过对隧道超欠挖数据进行统计分析，归纳出影响隧道超欠挖的5个主要因素，并论述了减小隧道超欠挖的方法。     

隧道超欠挖断面轮廓分形特征

对于极不规则的隧道围岩超欠挖轮廓,分形几何无疑是一个新思路。在测量数据的基础上,应用分形几何来定量描述围岩超欠挖轮廓线,表明隧道各类围岩的超欠挖曲线具有自相似性。在此基础上,进一步分析了各类围岩超欠挖曲线的分形维数与围岩类别之间的关系。研究表明,隧道围岩超欠挖曲线分形维数能较为直观地反映围岩类别,但其并不随着围岩类别的变化而呈线性变化;对于洞径一定的隧道,围岩超欠挖曲线的分形维数更能反映岩体结构和洞轴线之间的关系,这为准确预测掌子面前方围岩超欠挖情况奠定了理论基础。     

隧洞围岩分类与洞径和超欠挖之间的关系研究

岩体的地质结构特征是影响隧洞围岩超欠挖的主要因素,正确评价岩体的质量,对岩体进行分类,并研究岩体质量与隧洞超欠挖之间的关系对分析和预测隧洞超欠挖具有重要的意义。对隧洞围岩的RMR分类和Q分类与超欠挖之间的关系进行了详细研究,研究了在同类岩体条件下不同开挖洞径与隧洞超欠挖之间的关系,并由此建立了RMR分类和Q分类之间的关系,得出围岩的RMR分类和Q分类与隧洞超欠挖呈线性关系和对数线性关系,根据超欠挖建立起来的RMR分类和Q分类之间的关系比较符合工程实际。最后研究了超欠挖与围岩分类及洞径之间的复相关关系。     

隧洞边界超欠挖的摄动法解析分析

钻爆法施工常造成隧道边界不平整,隧道分析模型一般将开挖界面光滑处理,忽略了边界不平整对围岩应力的扰动作用。将隧道超欠挖值当作中心偏量小参数,利用摄动法得到了静水压力下圆形隧道的弹性应力解。计算分析表明:超欠挖改变了隧道洞壁附近围岩的应力状态,围岩应力随超欠开挖曲线呈波浪状变化,应力变化量与超欠挖曲线幅值及曲线斜率有关;环向应力变化最大值在洞壁处,其应力集中系数分别在超挖及欠挖顶点达到局部极大与极小值,径向应力变化最大值靠近洞壁表面,切应力变化最大值位于超挖与欠挖表面相交处;扰动应力在径向衰减较快,影响范围约为1~2倍的隧道半径。     

地下洞室超欠挖问题非线性有限元分析

运用数值分析的方法,采用ANSYS10.0版有限元分析程序对洞室超欠挖进行三维模拟计算,分析了不同超挖位置、超挖深度、超挖数量等对洞室围岩稳定性的影响,得出了超欠挖部位应力集中数值解及塑性区产生的影响范围,为地下工程掘进施工和初期支护设计提供重要的参考依据。     

隧道围岩断面轮廓分维数与岩体质量关系

隧道的超欠挖对衬砌结构稳定性有较大影响,研究超欠挖规律,对于了解围岩受力、保证施工安全具有重要意义.根据隧道断面轮廓超欠挖序列的统计自相似性,结合小波分析的多分辨率功能,采用小波分析计算分形维数的方法,对白鹤隧道47个断面轮廓进行分维数计算.断面轮廓分维数与岩体RMR和Q呈线性关系,随着RMR和lnQ的提高,断面轮廓分形维数将降低.断面轮廓分形维和隧道的围岩分类以及超挖百分比存在复线性相关关系.     

图像处理技术在隧洞超欠挖评价中的应用

图像处理技术在隧洞超欠挖评价中的应用是该技术在地质及岩土工程领域的新尝试。通过对野外摄取的隧洞图像进行一系列的处理得到隧洞的基本形状,然后与隧洞的设计形状对比分析,即可得到隧洞在该断面上的超欠挖方量,然后对其他断面采用同样的技术就可评价某一段或整个隧洞的超欠挖数量,这样就从定量的角度解决了以往工程中难以解决的超欠挖评价问题,为工程超欠挖的判断与决策提供合理依据。最后通过一实例对某一隧洞的超欠挖方量进行评价。     

基于水—力耦合理论的超深隧道围岩渗透性预测

涌水预测是特长超深隧道勘测设计及许多中面临的重要问题之一。围岩渗透性是涌水预测的基础，对于超深隧道，不能通过大规模抽水试验来获得渗透性参数。以水为耦合理论为基础，该文提出了一种超深隧道围岩渗透性预测方法。其主要思想是，首先确定近地表岩体的渗透张量；根据地应力实测资料进行地应力场的量级反演；选择适当的裂隙开度－应力模型，预测不同深度的裂隙开度；在裂隙网络结构不随深度变化这一假定的基础上，计算隧道标高的围岩渗透性。     

块体理论在高速公路连拱隧道超挖预测中的应用

通过对金丽温高速公路连拱隧道区的结构面特征进行现场调查,经统计分析得出结构面的特征参数,利用分析出的结构面特征参数值,结合块体理论,对连拱隧道的超挖情况进行预测。首先介绍了块体理论在超挖预测中运用的基本方法,推导了最大块体体积的计算公式,通过编制的计算程序对金丽温高速公路2个连拱隧道的超挖块体大小及位置进行预测。从分析的结果看,超挖问题产生部位主要集中在中导洞与隧道的连接部位,预测的结果与实际情况基本一致。通过预测得出的结果证实了块体理论在高速公路连拱隧道超挖预测中的适用性。     

公路隧道岩质和土质围岩统一亚级分级标准研究

目前实施的《公路隧道设计规范》（JTG D70－2004）对土质围岩分级、围岩亚级分级方法都没有进行研究,因此,不能满足隧道设计和施工的要求。通过对岩质围岩和土质围岩自稳性的大量室内试验、数值计算和理论分析,建立了公路隧道岩质围岩和土质围岩统一的亚级分级标准。研究结果显示：围岩自稳跨度是围岩自稳性的综合反映,围岩自稳跨度可分为长期稳定跨度、基本稳定跨度、暂时稳定跨度和不稳定跨度。研究表明,规范中岩质围岩的Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级分别依据自稳跨度可分为2个、3个和2个亚级;土质围岩尽管分为黏质土围岩、砂质土围岩及碎石土围岩,但按照各自的自稳跨度可以分别进行亚级划分。可见,以自稳跨度可以建立岩质围岩和土质围岩统一的亚级分级标准。     

基于岩体结构面分布分形维的岩体质量评价

尽管岩体结构面具有空间上的不规则性和结构网络上的复杂性,但由于它又具有自相似的特征,可以运用分形理论来对其进行研究。运用盒计维数法对某矿山巷道围岩体结构面分布的分维数进行计算,验证了岩体结构面分布的分形特征。通过对岩体结构面分布分形维值分布规律的分析发现,分形维数越大、结构面分布越密集,结构面迹线越长,岩体质量越差,表明可将岩体结构面分布的分形维作为岩体质量评价的指标。将计算所得的岩体结构面分布的分维数与按工程岩体分级标准对相应岩体分级所得的岩体质量等级进行对比,提出了一个以岩体结构面分布的分形维作为分级指标的岩体质量评价方案。     

基于广义Hoek-Brown准则的隧道纵向变形曲线研究

纵向变形曲线是隧道开挖面空间约束效应的直观反映,多数纵向变形曲线的研究并未考虑围岩质量和应力水平的影响。基于广义Hoek-Brown准则,采用有限差分法,提出了能够量化不同围岩质量及应力水平下开挖面空间效应差异的纵向变形曲线函数表达式,可以简便地得到不同地质条件下的隧道纵向变形曲线,通过误差分析及与已有研究成果对比,验证了该方法的合理性与普适性。研究结果表明：围岩基本质量指标值相同时,围岩纵向变形曲线随着埋深增加变得更加平缓,即围岩应力及位移的释放过程越缓慢,埋深相同时,随着围岩基本质量指标值的降低,围岩纵向变形曲线显示出同样的趋势,相对于开挖面前方,开挖面后方纵向变形曲线的这种特点更加明显;开挖面处纵向变形也是围岩质量与应力水平的函数,最大值不超过隧道径向变形最终值的30%。     

铁矿深埋巷道围岩变形与地应力关系研究

随着大量深埋地下工程的建设,尤其是大型矿山,与巷道围岩稳定有关的各种地质灾害问题突出,因此其一直备受关注。某铁矿巷道埋深450～800m,变形剧烈,局部持续大变形,呈条带状臌出。地应力实测结果表明,矿区地应力总体特征为σv≥σH〉σh,现今水平构造作用明显,最大水平主应力为13-21MPa,接近岩体自重。大变形洞段围岩为裂隙化岩体,强度低,蠕变性明显。有限元分析表明,巷道开挖后在边墙与顶拱和底板交界处产生约40MPa的高应力,造成了围岩变形破坏。后期围岩在高应力作用下产生大变形,其宏观变形破坏特征与软岩相似。另围岩加固与支护发现,普通的挂网喷锚支护已很难适应高应力条件下的岩体大变形。论文基于地应力实测结果,通过对巷道围岩大变形成因机制的探讨以及原加固支护效果的总结,为后期巷道围岩变形破坏的防治提供了参考。     

软弱破碎围岩隧道炭质页岩蠕变特性试验研究

采集贵广铁路天平山隧道典型软弱破碎围岩岩样,在室内开展三轴常规压缩和三轴压缩蠕变试验。基于岩石试验成果,分析炭质页岩的蠕变力学特性,低应力水平条件下岩石仅出现减速蠕变和等速蠕变阶段,在更高的应力水平条件下,岩石并未出现加速蠕变的现象,但围压在一定程度上提高岩石的屈服强度,弹性模量亦有随着围压增加而增大的趋势。据此,建立依托工程炭质页岩蠕变全过程的黏弹塑性应变软化蠕变力学模型,推导该蠕变力学模型在三维应力状态下的本构方程,并确定模型的参数,运用最小二乘法对模型的参数进行辨识。通过与试验曲线对比显示,所建蠕变模型能够描述依托工程炭质页岩的蠕变力学特征,可以用来研究该隧道软弱破碎围岩的蠕变性质和稳定性。     

不连续面激活与巷道围岩破坏区关系的探讨

岩体的破坏往往是其中不连续面滑移与扩展的结果。在不连续面有效剪应力概念的基础上,提出了巷道临空不连续面激活的观点。分析了圆形断面巷道围岩中临空不连续面的激活深度,认为不连续面的激活深度与其倾角及抗剪强度有关,其中,抗剪强度对激活深度的影响较大,同样倾角的不连续面在巷道不同部位的激活深度也并不相同。采用岩体断裂力学的理论,分析了临空不连续面横向翼形裂纹扩展的模式,认为产生翼形裂纹最大可能的部位就是激活临界点。因此,巷道围岩中最大可能的破坏区深度即为不连续面的激活深度。     

基于ANP-KL-TOPSIS法的铁路隧道围岩安全性评价

为客观评价隧道围岩安全状态,结合围岩岩体结构及地质特征等影响因素,建立隧道围岩安全评价指标体系。用ANP法应用Super Decision软件建立指标因素关联图并计算出各指标权重。在传统TOPSIS法的基础上结合相对熵原理,用Kull-back-Leibler距离计算贴近度,构建隧道围岩安全评价模型。运用该模型对张吉怀铁路兰新乡隧道进口段七处隧道段的围岩进行安全性评价,得出各隧道段围岩安全等级,评价结果切合实际,对隧道施工有一定的指导意义。该评价模型简单可操作,可运用于隧道围岩安全性评价研究中。     

隧道洞顶围岩竖向全位移量测及变化规律研究

围岩内部位移通常是在工作面开挖后再进行量测,因而导致现场量测结果存在一定损失。为得到隧道施工过程中围岩内部位移的变化规律,自行研制开发了适用于量测隧道洞顶围岩竖向全位移的多点位移测试仪,该仪器具有测试原理简单、现场埋设方便、测试数据精度高的特点,且比传统多点位移计的测点多。结合阿拉坦隧道,利用该仪器对隧道洞顶处的围岩内部位移进行了量测,得到了隧道浅埋段洞顶围岩内部位移的变化规律,经分析发现,如果采用传统多点位移计进行洞内量测围岩内部位移的方式,围岩内部位移的损失程度将达25%以上,这将给围岩稳定性的判定造成直接影响;此外,通过对监控数据的分析,还得到了隧道开挖引起的围岩松弛范围。其结果对隧道的开挖与支护具有重要指导意义。     

复合地层隧道围岩强度实时估算研究

隧道TBM开挖过程中经常会遇到复合岩层,在这种地质环境下,隧道掘进机（tunnel boring machine,简称TBM）开挖过程中的隧道围岩强度很难估计,隧道开挖掌子面和围岩容易发生坍塌。为了提高隧道掘进效率、预防事故发生,对开挖隧道围岩强度进行实时估算方面的研究很有必要。在重庆轨道九号线隧道TBM施工中,通过室内试验和现场实测数据发现,TBM推力F_N与岩石强度成正比、TBM扭矩推力比T/F_N（T为扭矩）与贯入度p^0.5成正比例关系。针对砂质泥岩、砂岩和灰岩组成的复合岩层,提出了一种利用现场实测推力F_N和扭矩T的值来快速估算开挖隧道围岩强度的方法,进一步对TBM实测数据进行线性拟合,从而得到估算公式中两个常数α₁、α₂的取值方法,并在10多个隧道实际工程中得到验证。结果表明,对于这种复合岩层地质环境,两个常数α₁、α₂的值与滚刀数量n和滚刀直径d相关。该研究成果为实时快速估算开挖隧道围岩强度提供了一种新的切实可行的思路,能提高隧道TBM施工的可靠性和安全性,具有重要的应用价值。