基于CDEM的隧道卸压爆破及岩爆抑制效应模拟

硬岩隧道开挖过程中的岩爆灾害与隧道围岩的应力状态密切相关，卸压爆破可减缓围岩体应力集中程度，是一种直接有效的岩爆防治措施。以巴陕高速公路米仓山隧道岩爆段卸压爆破为例，运用GDEM-BlockDyna(块体动力学仿真系统)软件进行考虑高地应力和岩体非均质性条件的隧道分步开挖数值模拟分析；将卸压爆破作为唯一变量，进行了两组方案(是否进行卸压爆破)的数值模拟对比分析，并结合微震监测数据，对隧道围岩卸压爆破效果进行检验。结果表明:在隧道围岩分步开挖过程(未进行卸压爆破)的模拟中，围岩出现起裂损伤，应力集中和局部裂纹贯通等现象，并可能诱发岩爆灾害；在围岩卸压爆破条件下，围岩应力集中以及损伤程度有所降低，岩爆风险得到抑制。对比两组模拟结果，损伤均集中于拱顶及拱底，损伤半径比值(卸压/未卸压)分别为3.4倍(拱顶)、1.47倍(拱底)，损伤体积比值(卸压/未卸压)为5.36倍，但区域最大损伤量值从1(未卸压)降低到0.6(卸压)，且围岩应力峰值降低约5 MPa，应力梯度降低0.8 MPa ·m-1，表明围岩仍具有自稳能力，岩爆发生风险降低。相关结果可为隧道高地应力围岩段实施卸压爆破和合理设计卸压爆破方式提供理论依据。     

均质岩体中隧道围岩破坏过程的试验与数值模拟

采用模型试验与离散元模拟的方法,对均质岩体中隧道开挖后围岩的变形破坏过程进行了研究,并对围岩变形破坏过程中围岩应力及地表位移的变化规律进行了分析,模型试验结果与数值模拟结果取得了较好的一致性。研究结果表明：隧道开挖后,拱顶处围岩变形明显并出现裂缝,围岩破坏从拱顶开始,进而呈渐进式向上发展,最终形成稳定的塌落拱;开挖后,隧道围岩径向应力减小,隧道周边一定范围内围岩切向应力减小,且随隧道变形破坏的发展,围岩切向应力减小的区域逐渐扩大;隧道塌方后,拱底垂直应力增加,开挖结束至塌方开始期间地表位移增量最大,塌方期间地表位移增量最小。     

深埋隧道层状围岩变形特征分析

层状岩体在地下工程中经常遇到的,它具有明显的各向异性力学性质。结合共和隧道现场监测和数值模拟相结合的方法对层状岩体的破坏特征进行了分析,研究结果表明：围岩的变形位移、破坏区都主要集中隧道拱顶右侧,即靠河侧大于靠山侧。隧道围岩变形破坏区不在最大主应力方向上,而是在岩体层理垂直方向。层状岩体中洞室变形破坏特征除了因地形产生的偏压影响外,更重要的是受地层结构特征的影响,即与层状岩体的力学性质极大相关,其结果可为指导隧道的施工和设计提供有效依据。     

深埋顺层偏压隧道围岩破坏机理及规律研究——以郑万线某隧道为例

处于薄—中层倾斜层状岩体中的深埋隧道常会产生地质顺层偏压的问题,导致隧道局部塌方、偏压变形及支护结构破坏。本文以郑万线某隧道为例,采用理论分析、数值模拟方法对深埋顺层隧道的破坏机理及不同结构面参数下的破坏规律展开了研究。研究结果表明:（1）深埋顺层偏压隧道洞周围岩将根据其切向应力与结构面夹角的不同发生岩层拉裂破坏、结构面剪切破坏及岩体自身破坏,其中切向应力与结构面平行位置,即反倾侧拱腰及顺倾侧拱脚位置主要发生拉裂破坏,此处围岩塑性区范围最广,围岩位移最大,围岩处于极不稳定状态;（2）顺层偏压隧道的破坏规律与结构面强度参数有直接关系,围岩塑性区范围及围岩位移均随着结构面摩擦角的增大而降低,且降低趋势逐渐放缓,当结构面摩擦角达到岩体摩擦角后,结构面摩擦角继续增加对围岩稳定性影响较小;（3）围岩塑性区及围岩位移场偏压分布特征随结构面倾角的变化而整体旋转,且对于隧道底部而言,结构面最不利倾角为0°,此时隧底最大上鼓量大于其他倾角下的最大上鼓量;对于隧道拱部而言,最不利倾角为40°,此时洞周最大收敛值大于其他倾角下的最大收敛值,最不利位置位于反倾侧拱腰。     

不同层理面角度在层状岩体隧道围岩变形中的响应特征研究

层状复合岩体在隧道工程中随处可见,层理面的软弱性直接决定层状岩体隧道围岩的稳定性。为了揭示层理面对隧道围岩变形的影响规律,本文采用AutoCAD软件建立某隧道横断面,将该断面图导入有限元模拟软件ABAQUS中,并利用0厚度Cohesive单元对模型嵌入不同角度层理面,从而构建含不同层理面的隧道断面模型。基于该数值模型研究了层状隧道围岩变形中层理面角度的响应特征,得到从水平层理过渡到竖直层理的过程中,围岩变形区域也从顶部变化到侧壁。结合二次开发获取的声发射模拟数据,得到了不同层理面角度下的围岩易破裂区,针对该区域分布特征,隧道施工后可采用三维激光扫描技术生成点云数据,进行隧道断面的三维重构,为规避点云数据量庞大的缺点,引入分级重采样思想,对层状围岩易变形区进行局部点云细化,通过隧道断面易变形区点云模型的实时对比分析,实现隧道围岩的高效、精确化监测,可指导隧道围岩的安全稳定运营。     

初期支护对软岩隧道围岩稳定性和位移影响分析

软弱岩体隧道开挖后,围岩变形具有异常显著的流变性。基于Poyting-Thomoson模型,对隧道围岩位移进行了粘弹性解析分析,根据所得出的解析解,结合渝（重庆）沙（长沙）高速公路石龙隧道位移监控量测实践,对初期支护后隧道围岩变形特征量进行了分析对比,结果表明,理论曲线能较好地反映围岩实际位移变化特征。最后通过将支护前后围岩受力状态与单轴和三轴应力状态岩石蠕变进行类比,得知初期支护在一定程度上减小了围岩的最终变形量,可以有效地抑制隧道围岩的变形速率。其结果为确定合理的二次支护时机提供了理论依据,对同类隧道的施工支护具有很好的指导意义和较高的参考价值。     

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。     

不同支护条件下锚杆支护作用的模型试验研究与数值分析

以重庆至长沙公路共和隧道为研究对象,研制出相似模型材料和配套试验设备,进行不同长度锚杆支护条件下的隧道超载试验。采用应变测量技术,测量两种不同长度锚杆支护工况下的隧道关键部位的应变值,据此分析围岩体在锚杆支护后的应力变化规律。通过模型材料室内试验,获取岩体相关计算参数,采用与模型试验相同的边界条件进行相应工况的有限元数值模拟,研究围岩体的变形量、应力场和锚杆轴力因锚杆长度不同而产生的变化。结果表明,模型试验和数值模拟反映围岩体应力和锚杆轴力因锚杆长度的不同而产生的变化是一致的。     

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。     

巴西劈裂法在层状岩体抗拉强度测试中的分析与讨论

为分析巴西圆盘劈裂法在层状岩体抗拉强度试验中的适用性,在以往层状岩体巴西圆盘劈裂试验成果分析基础上,选取层理砂岩为试验对象,设计并进行了考虑不同层理角度的砂岩巴西圆盘劈裂试验。分析结果表明,（1）层状岩体抗拉强度的各向异性特点非常明显,层理角度对各种层状岩体的劈裂抗拉强度的影响规律是基本类似的,只是影响程度不一样;（2）不同层理角度圆盘试样的破裂面形状差别较大,其破坏模式可以归纳为直线型、折线型和弧形型;（3）当层理角度0°＜β＜90°时,破裂面的发展规律不能严格满足巴西圆盘劈裂试验力学理论模型的假定,采用式（1）计算得到的劈裂抗拉强度只能是一个近似的值;（4）当圆盘试样加载线两侧的岩石材料、层理结构对称分布时,加载时圆盘内的应力分布可以较好地满足其理论计算模型,其试验结果比较准确。研究成果可为层状岩体抗拉强度的准确测定提供较好的参考。     

锦屏一级水电站地下厂区破坏成因分析

锦屏一级水电站地下厂区位于雅砻江右岸一套大理岩地层中,埋深350m,地下厂区洞室在开挖过程中,围岩出现各种变形破坏现象。通过分析破坏现象,总结了破坏现象的规律性:主厂房及主变室破坏现象主要集中在下游边墙顶拱,破坏方式以岩体开裂为主;母线洞及压力管道下平段破坏现象主要集中在顶拱外侧,破坏方式以弯折破坏为主。最后利用数值模拟结果解释了径向应力大于岩体强度是引起锚索超限的原因。     

基于Hoek-Brown强度准则的隧道软弱围岩稳定性分析

因长期遭受地质作用和构造力的改造作用,地下岩体中存在大量的软弱破碎带,隧道开挖穿越这一地带很容易出现较大的变形,甚至出现塌方等事故。论文采用TGP超前地质预报与掌子面围岩调查相结合的方法进行隧道掌子面及前方未开挖岩体的精细化地质调查,获取了隧道围岩的Hoek-Brown参数。采用FLAC3D数值模拟方法,分析了破碎带围岩在既定支护条件下的稳定性,并与现场监测数据进行对比,验证此方法的正确性。研究结果表明,数值模拟结果与实际监测结果较为吻合,可以将此方法用于指导未开挖段隧道的稳定性预测,以确保隧道掘进过程的施工安全。     

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。     

水-力耦合作用下三趾马红土围岩变形特征研究

以地下水位线以下的石楼隧道典型三趾马红土围岩段为例,通过现场监测对三趾马红土围岩的体积含水量、孔隙水压力、围岩应力（土压力）、拱顶沉降与水平收敛进行了分析。在此基础上,通过原位大剪试验获得了可靠的围岩抗剪强度参数,并建立了隧道三维有限元数值模型,分别对考虑水-力耦合效应、不考虑水-力耦合效应的三趾马红土围岩变形规律进行了探讨,分析了孔隙水压力随着隧道开挖的变化和三趾马红土围岩位移场、应力场受水-力耦合效应的影响程度,并提出了围岩破坏变形机制。结果表明:（1）实测拱顶下沉大于围岩水平变形,围岩应力可分为增长期（ < 20d）、调整期（20~60d）、稳定期（>60d）3个阶段,且整体应力水平较高,下台阶含水量大于上台阶,孔隙水压力经历了由负变正的过程。（2）现场剪切试验所测围岩的黏聚力为64.0kPa,内摩擦角为27.7°。（3）数值分析表明,隧道开挖后孔隙水压力场变化十分明显,这是由地下水流速场的改变引起的,水力坡降在衬砌面附近最为明显,渗透动水压力导致土体产生一定的渗透变形;考虑水-力耦合后围岩剪应力、最大剪应变、拱顶沉降、水平收敛、底板隆起均较大。（4）受开挖及支护的影响,地下水产生渗流并依次经过拱顶、边墙,最终汇集于隧底;受开挖、地下水渗流的影响,围岩节理裂隙进一步扩张,成为地下水良好的运移通道;围岩的有效应力随着孔隙水压力的减小而增大,围岩的力学强度在土体趋于饱和状态时骤降,反过来,高有效应力、低围岩强度以及贯通性节理裂隙三者共同改变着地下水渗流场的状态。（5）为保障围岩整体稳定性,建议及时排出隧道底部积水并施做仰拱。     

复杂山区深埋隧道软岩大变形机理研究——以杨家坪隧道为例

杨家坪隧道施工过程中,软岩大变形不同程度地造成边墙内挤侵限、初期支护和二次衬砌严重变形破坏。为了揭示杨家坪隧道软岩大变形的成因机制,综合工程地质勘察、现场监控量测、室内岩石力学试验、数值模拟和微观分析等手段对其进行综合研究。现场监测结果显示发生大变形的区段与隧道渗水有关,室内物理力学试验表明,千枚岩的纵波波速随浸泡时间变化衰减了2.04%～5.85%,当充分浸泡28 d后,其单轴抗压强度和弹性模量与天然状态相比分别降低了59.56%和69.68%,说明千枚岩遇水后结构产生了损伤劣化。通过X射线衍射进行矿物成分检测,进一步分析了水岩作用造成隧道围岩强度降低的微观原因。根据现场地应力测试及初始地应力场反演分析可知,杨家坪隧道轴线92.08%的区域处于高到极高地应力状态。此外,高陡倾薄层状千枚岩地层的工程力学特性,以及水和千枚岩的相互耦合作用是杨家坪隧道围岩大变形的主要原因。     

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。     

小净距公路隧道支护时机对围岩稳定性影响研究

随着西部高速公路的大规模建设,受地形和施工场地的限制,小净距隧道已越来越多地在工程实际中使用。由于小净距隧道施工工艺复杂,围岩变形和破坏机理也较为复杂,隧道的施工和支护时机对围岩和支护结构的稳定性影响很大。结合正在施工的沪－蓉－西高速公路漆树槽分岔隧道小净距段的施工特点,开展隧道在不同荷载释放比例下不同支护时机对围岩稳定性影响的研究。研究结果表明：支护越早,衬砌和锚杆承担的荷载越大,围岩的塑性变形和塑性区范围越小。及时施作二次衬砌,可以显著控制岩柱部位的变形,改善围岩的应力状态。研究成果将对同类条件下小净距隧道的施工和设计具有指导意义。     

Topology optimization to prevent tunnel heaves under different stress biaxialities

Floor or sidewall heave imposes a severe issue in tunnel construction. We propose a two‐phase mixture model consisting of the original rock and the fully anchored rock mass. The host ground is discretized by finite elements. The relative ratios of two phases in various elements are optimized by optimality criteria method so that the floor or sidewall heave is minimized. The topology of reinforcement is designed to prevent floor heave or sidewall heave of a tunnel surrounded by homogeneous rock. The stress biaxiality k dictates whether the floor heave or the sidewall heave control the tunnel distortion. The results indicate the importance to set reinforcement near the tunnel corners to prevent sidewall and floor heaves. Part of the results is confirmed in the practices. Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑统计损伤模型的非均质节理岩体拉剪破坏机制研究

拉剪应力状态极易导致岩体破坏乃至失稳,为研究节理岩体拉剪破坏规律,开展了拉剪荷载下共面非贯通节理岩体变形破坏的理论与数值计算研究。通过自定义考虑岩石统计损伤演化的Mohr-Coulomb和最大拉应力准则模型,编写力学参数服从Weibull分布的fish函数,研究了拉剪条件下非均质节理岩体的破坏模式及破坏规律,讨论了岩石均质度、法向拉应力及剪切速率对岩体破坏模式及其力学性质的影响。结果表明,(1) 拉剪应力状态下节理岩体的破坏模式以张拉破坏为主,加载初期破坏位置分布散乱,随着加载和损伤演化逐渐形成带状破裂面,岩体宏观力学性质明显降低;(2) 非均质性对岩体破坏影响显著,主要表现为均质度的增加,岩体由弥散型破坏向集中型破坏转变,破裂面起伏度增大,同时岩体的宏观力学性质增强并最终趋向于均质岩体;(3) 低应力水平下拉应力增大不改变节理岩体以拉张破坏为主的破裂模式,但剪切破坏比例明显减少,同时岩体抗剪强度降低,破裂面的粗糙度增大;(4) 剪切速率对岩体力学性质的影响显著,静态加载范围内岩体抗剪强度随剪切速率的增大而增大,且增幅越来越小。     

顺层岩质边坡渐进破坏及失稳机理的数值模拟研究

提出了利用Lagrangian乘子网格来模拟顺层边坡层间结构面接触行为的方法,并推导了考虑接触约束的Lagrangian控制方程的弱形式及其有限元离散方程。Lagrangian乘子网格容许界面出现较大的切向滑移,较好地解决了接触问题中的高度非线性和响应不平滑性。应用以上方法对沪－蓉－西高速公路某顺层岩质高边坡进行了数值模拟分析,得到了临滑状态下的位移场、应力应变场、结构面上的接触状态、层间滑移距离以及接触摩擦力的分布规律。数值模拟结果表明,顺层岩质边坡的破坏是一个渐进的过程,由最初的层间错动,发展为顺层蠕滑,最后在坡底剪出而破坏;其破坏型式由最初的顺层滑动逐步向溃曲破坏转化。