基于数值模拟的连拱隧道所受应力和塑性区研究

连拱隧道开挖完成后是否达到工程要求,对此本文结合一实际连拱隧道工程,利用数值模拟对开挖后衬砌的应力、塑性区和岩土体的塑性区进行了研究,研究结果表明：(1)衬砌进口处出现部分应力集中,但是数值控制在工程允许的范围内,不会对工程造成安全隐患;(2)衬砌所受的弯矩分布较为均匀,可知衬砌所受的弯矩分布合理;(3)衬砌没有发生塑性变形,地面以下10 m岩土体范围内出现部分塑性区,此部分塑性区是由于隧道开挖扰动造成的。以上的研究可供类似的连拱隧道工程提供参考。     

金丽温高速公路连拱隧道超挖预测及原因分析

通过对金丽温高速公路连拱隧道的地质特征进行现场调查,经分析得出隧道区岩体结构面的特征参数,利用分析出的结构面特征参数值,结合隧道超挖预测中的神经网络理论及结构面网络模拟理论,对连拱隧道的超挖情况进行预测。从分析结果看,超挖问题在连拱隧道的施工过程中不可避免,其产生部位主要集中在中导洞与隧道的连接部位,通过预测得出的结果与现场开挖情况进行对比分析说明,隧道的超挖预测理论预测结果与实际有较好的一致性,文中最后针对隧道的特点,分析了产生超挖的基本原因,为确保隧道开挖过程中减少超挖提供依据。     

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。     

公路连拱隧道土压力荷载的计算方法研究

针对目前国内公路连拱隧道尚无比较成熟的土压力荷载计算公式的现状,根据连拱隧道的受力特点,基于普氏平衡拱理论,推导了深埋连拱隧道的土压力荷载计算公式,同时结合规范中关于隧道深浅埋分界高度的规定,给出了深浅埋连拱隧道的分界埋深及荷载计算公式,形成了完整的连拱隧道深浅埋情况下的荷载计算体系。通过大量的分析计算并与其他公式对比,验证了推导出的公式的合理性,并将公式应用于湖北沪蓉西高速公路连拱隧道及分岔隧道的设计中,取得了良好的效果。     

双连拱隧道围岩变形有限元与BP神经网络耦合分析

以浙江金(华)-丽(水)-温(州)高速公路永嘉鹿城段的红枫双连拱隧道为工程背景,建立了基于神经网络的连拱隧道围岩变形预测模型.利用施工过程中左洞量测的围岩变形进行反分析,确定出围岩的力学特性参数,再通过数值分析方法对隧道右洞围岩变形和稳定性做出合理的评价和符合实际的预测,从而更有效地对支护参数和施工方法进行反馈设计.通过预测值与实际监测值的比较可以看出,其预测精度满足岩土工程的要求,具有一定的工程意义.     

复合式中墙连拱隧道衬砌结构计算方法探讨

由于连拱隧道荷载计算理论不成熟,现有结构计算模型很难准确模拟复合式中墙连拱隧道的受力机理,所以目前没有针对复合式中墙连拱隧道统一的结构计算方法。基于双塌落拱的假定确定连拱隧道荷载计算方法,使用有限元计算软件,用仅受压弹簧模拟中墙和二次衬砌之间的作用,基于荷载结构法合理建立复合式中墙连拱隧道衬砌结构计算模型。结合苏州凤凰山连拱隧道的设计,使用该模型计算隧道衬砌的受力,并进行配筋和强度安全系数计算,为复合式中墙连拱隧道设计计算提供有益的探讨。     

京承高速公路新道沟连拱隧道的优化设计

本文以京承高速公路新道沟连拱隧道为实例,应用有限元数值方法对连拱隧道二次衬砌的围岩抗力、应力、变形及其稳定性等问题进行了模拟与分析。首先,基于连拱衬砌的结构型式,作者建立了该隧道的数值模型,并提出用弹性杆单元按作用力等效的原则模拟围岩抗力;根据数值模拟结果对隧道支护结构的承载能力进行了讨论,并基于规范对二次衬砌进行了结构强度校核。该研究结果为新道沟隧道支护结构设计的优化提供了科学依据。     

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。     

山区公路工程建设对地下水渗流的影响

分别就公路路堤、路堑、半挖半填等路基结构和隧道结构对周围岩土体的渗透性、渗流路径、地下水位等方面的影响进行了分析,以对公路工程建设对地下水环境的影响和与水文地质有关的灾害和损害的分析评价有所帮助。     

不同开挖工序对连拱隧道中墙的影响

针对筲箕湾连拱隧道的开挖过程进行两种不同工序的模拟计算,计算中墙在两种不同开挖工序下的强度、变形与稳定性,比较不同开挖工序对隧道中墙的影响。结果表明,中墙是连拱隧道最主要的受力构件,非对称开挖容易在中墙上引起较大偏心荷载。根据计算结果来评价开挖工序的优劣,对连拱隧道的开挖过程提出一些建议。     

偏压连拱隧道围岩稳定性分析与现场监控量测

针对偏压连拱隧道围岩稳定性问题,采用GeoStudio软件的SIGMA模块进行数值模拟,以数值模拟的计算结果作为判断围岩稳定性的控制指标,结合现场压力盒进行监控量测,并利用加权回归分析方法对监测数据进行处理,得出各监测点实测围岩稳定压力。通过对数值模拟结果与现场监测数据的对比分析,可知隧道围岩处于稳定状态。结果表明,利用有限元对隧道进行数值模拟和加权回归分析对监测数据进行处理,两种方法相结合对判断偏压连拱隧道围岩稳定性具有很好的效果。     

涔天河工程1号泄洪洞出口边坡与隧洞联合变形分析

涔天河水利枢纽扩建工程1#泄洪洞出口段开挖断面大、坡度较陡、围岩风化程度高、洞口偏压严重。由于受持续强降雨影响,隧洞出口段上半洞开挖完以后,洞口边墙围岩及洞顶仰坡出现了系统性拉裂现象,导致工程停工。为尽快恢复施工,保障水库按时下闸蓄水,在原有支护措施基础上提出了一系列增强加固支护措施,并增加洞室及边坡变形监测。通过建立能反映真实施工过程的大型三维计算模型,利用初期变形监测数据,对围岩的变形参数进行初步估计,并预测了隧洞出口下半洞及出口明渠基础开挖产生的变形情况,初步研究表明,在初设与增强加固支护措施的保护下,洞口及边坡的总体安全性可以得到保障,研究成果促进了工程恢复施工。而后,结合新增的由于隧洞出口下半洞及出口明渠基础开挖产生的变形监测数据,对施工开挖进行了全过程反演分析,获得了更为准确的岩土体变形参数,变形监测数据与数值模拟结果吻合良好,说明了反演分析的可靠性。最后,对工程永久衬砌施工进行模拟,计算了工程完工后永久衬砌新增变形量,并对衬砌应力进行了安全校核。本文研究成果对工程快速恢复施工及水库按时蓄水泄洪产生了较为重要的作用。     

The Dynamic Evaluation of Rock Slope Stability Considering the Effects of Microseismic Damage

A state-of-the-art microseismic monitoring system has been implemented at the left bank slope of the Jinping first stage hydropower station since June 2009. The main objectives are to ensure slope safety under continuous excavation at the left slope, and, very recently, the safety of the concrete arch dam. The safety of the excavated slope is investigated through the development of fast and accurate real-time event location techniques aimed at assessing the evolution and migration of the seismic activity, as well as through the development of prediction capabilities for rock slope instability. Myriads of seismic events at the slope have been recorded by the microseismic monitoring system. Regions of damaged rock mass have been identified and delineated on the basis of the tempo-spatial distribution analysis of microseismic activity during the periods of excavation and consolidation grouting. However, how to effectively utilize the abundant microseismic data in order to quantify the stability of the slope remains a challenge. In this paper, a rock mass damage evolutional model based on microseismic data is proposed, combined with a 3D finite element method (FEM) model for feedback analysis of the left bank slope stability. The model elements with microseismic damage are interrogated and the deteriorated mechanical parameters determined accordingly. The relationship between microseismic activities induced by rock mass damage during slope instability, strength degradation, and dynamic instability of the slope are explored, and the slope stability is quantitatively evaluated. The results indicate that a constitutive relation considering microseismic damage is concordant with the simulation results and the influence of rock mass damage can be allowed for its feedback analysis of 3D slope stability. In addition, the safety coefficient of the rock slope considering microseismic damage is reduced by a value of 0.11, in comparison to the virgin rock slope model. Our results demonstrate that microseismic activity induced by construction disturbance only slightly affects the stability of the slope. The proposed feedback analysis technique provides a novel method for dynamically assessing rock slope stability and can be used to assess the slope stability of other similar rock slopes.     

Toppling and stabilization of the intake slope for the Fengtan Hydropower Station enlargement project, Mid-South China

The intake slope for the Fengtan Hydropower Station enlargement project is composed of thickly bedded sedimentary rock. During excavation of the intake slope and tunnels, toppling was observed in the rock masses of the intake slope. Research was conducted to study the engineering geological conditions and the deformation characteristics of the slope during excavation. The in situ monitoring data and possible causes for toppling were analyzed. A method for analyzing monitoring data was proposed, which can be used to calculate the depth and rotation angle of block toppling. The monitoring results showed that toppling occurred only at a shallow depth, and induced local instability of the slope. Deformation had been controlled and the slope tended to be stable after reinforcement. Through this case study, it can be seen that the stability of the slope and underground openings during and after excavation is variable, especially when the loading conditions and topography are changed. A proper construction sequence is essential, i.e., excavation from the inside toward the free slope surface; excavating the slope above the tunnel after the tunnel lining is in place. This is particularly important for the excavation of multiple tunnels at the slope toe.     

通透肋式拱梁隧道出口端边坡稳定性地质分析

以通透肋式拱梁隧道出口端边坡作为研究对象,通过对边坡的工程地质条件和岩体结构特征的研究,分析了边坡的变形破坏模式,采用合理的理论方法对边坡进行稳定性计算和分析。依据稳定性评价结果,并结合边坡变形破坏模式及机制分析,提出了相应的支护措施。     

煤系地层大跨度隧道围岩结构稳定性研究

针对目前大跨穿煤隧道的研究热点,以重庆市绕城高速公路环山坪隧道为研究对象,在界定大跨度隧道及分析其围岩稳定性关键影响因素的基础上,结合现场监测和数值模拟对大跨度穿煤隧道围岩结构稳定性进行了分析。结果表明,大跨度隧道各处等效应力集中对扁平率变化敏感程度不同,拱脚最为敏感,拱顶基本不随扁平率的改变而变化。隧道穿越软弱煤层段时,围岩应力重分布受影响明显,拱顶位移随开挖面不断推进急剧增加,且隧道围岩塑形圈不断向拱顶围岩内部发展。尤其当煤层软弱带与隧道顺层相交时,隧道荷载结构偏压效应凸显,偏压荷载随煤层倾角变陡而增大,易造成支护结构失稳破坏,在设计及施工中应特别加以重视。     

公路隧道V级围岩初支型钢支架受力分布及动态变化研究

随着隧道施工地层条件的复杂化,型钢支架与锚喷网联合支护体系已被广泛应用于围岩较差的隧道初期支护。型钢支架是初支的主要受力结构,其受力分布及其动态变化是支护体系稳定的关键控制因素之一,隧道顶部、拱腰及仰拱连接处型钢支架受力变化能有效地反应围岩压力的变化情况。针对Ⅴ级围岩隧道开挖后复杂的应力状况,采用围岩变形控制理论作为隧道施工的安全控制标准。通过对河北省道京承线滦平过境路棒槌沟隧道初支型钢支架受力的监测与分析,基于大量监测数据对监测断面型钢支架受力分布动态变化状况展开研究。结果表明:(1)隧道偏压现象严重,应根据受力分布规律,及时优化支护参数; (2)隧道掌子面与监测断面距离为0~4m时,型钢支架压力增加显著,是隧道施工中加强支架控制的关键时段; (3)型钢支架连接处及拱脚位置受力较大,设计时应合理调整各段型钢支架的长度及连接位置,确保连接处的刚度。研究结果对指导施工及反馈隧道设计具有重要理论与实际意义,也为类似研究提供参考。     

基于有限元修正节理岩质边坡稳定性计算的解析解

采用有限元方法探讨在人工开挖或自然侵蚀环境下,岩质边坡体内应力场的变化及节理发育形成机理,并采用有限元强度折减法对后缘具有张节理边坡的稳定性影响因素进行敏感性对比分析,进而得出具有非贯通节理边坡稳定性计算的修正解析解。结果表明：卸荷及风化作用导致边坡体由表及里出现应力重分布及应力集中的现象,使边坡后缘由顶部向下发育一簇竖直向下或略向临空面倾斜的张节理,当张节理与下部的缓倾剪节理贯通时,边坡发生破坏;边坡稳定性最敏感的影响因素为受剪节理的倾角及贯通度,其次是节理的强度参数;可将工程中较难调查的节理贯通度转化为节理的强度参数来等效表达,并根据Mohr-Coulomb强度准则推导得到适用于具有非贯通节理的岩质边坡稳定性的修正解析解。     

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。     

偏压软弱围岩隧道开挖顺序比较研究

针对偏压软弱围岩隧道预留核心土法不同开挖顺序造成围岩不同变形量的问题,结合洞头山工程实例,运用现场监控量测结合MIDAS数值模拟的方法,分析比较偏压软弱围岩隧道在不同开挖顺序下各阶段围岩位移变形量。研究表明:开挖顺序的改变能够有效减小隧道各部围岩变形量,且减小程度从大到小的岩体位置依次为浅埋拱腰处、浅埋拱脚处、深埋拱腰处、深埋拱脚与拱顶;拱浅埋侧最大主应力明显减小。因此对于偏压软弱围岩隧道先开挖深埋侧比先开挖浅埋侧更为安全合理。研究成果为隧道信息化施工提供依据,也为洞头山及具有类似地质地形情况的隧道施工提供借鉴与指导。