关键块体概率分析在复杂构造条件下大型地下工程开挖中的应用

锦屏一级水电站泄洪洞位于雅砻江右岸埋深大于100m的大理岩中,构造条件复杂,确定隧洞开挖面是否可能产生关键块体对工程安全具有重要意义。本文在对泄洪洞中导洞地质调查和研究基础上,将随机概率模型引入关键块体理论,分析关键块体的生成概率、体积大小与安全系数,得出关键块体形成概率服从负指数分布,主要取决于J②、J④组裂隙迹长的分布情况;关键块体的体积与主要结构面迹长成正比,最终收敛于结构面对关键块体完全切割时的关键块体体积;关键块体的安全系数随主要结构面迹长的增加而降低,但是同样收敛于结构面对关键块体的完全切割情况。为设计有效的加固方案提供了依据,具有积极的工程应用价值。     

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。     

张集线旧堡隧道工程地质条件和岩体结构特征研究

新建的张集铁路（张家口 集宁段）旧堡隧道是全线关键性控制工程,位于河北省万全县旧堡乡与尚义县土夭村之间,隧道穿越由晚太古代马市口组(Arm)麻粒岩和黑云母斜长片麻岩组成的一套高级变质岩建造,断裂构造极为发育,岩体破碎。原设计Ⅱ、Ⅲ级围岩洞段占隧道线路总长的71.8%,而已施工揭露的工程地质条件较差,全部变更为Ⅲ级加强及Ⅳ、Ⅴ级围岩,变更率高达80.3%。施工过程中多次发生挤压大变形、塌方、突涌水等施工地质灾害,共处理大塌方段8处小塌方21处计130m,处理大变形18段计550m。本文分析了DK30+520～910洞段地层岩性、地质构造、地应力、地下水等隧道围岩主要工程地质条件,从结构面和工程地质岩组的物理力学特性出发,研究了该洞段特殊的岩体结构,指出该隧道围岩岩体结构特征主要受与隧道轴线小角度相交的构造挤压破碎带及软硬交替产出的岩组控制,隧道围岩变形破坏受岩体结构控制作用明显,并总结了施工中可能遇到的几种岩体结构。该研究对类似工程地质条件地区隧道工程围岩分类、支护设计和施工有一定的借鉴意义。     

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。     

变质片岩区边坡稳定性的块体理论分析

变质片岩区的边坡破坏与结构面和坡面的组合密切相关,块体理论在分析结构面和坡面组合方面有独特的优势。本文以秦岭北坡西安市黑河水库左岸108国道边坡为例,说明变质片岩区边坡稳定性的块体理论分析方法。作为准备工作,本文编制了块体理论相关程序和制作等密度图的相关程序。通过现场调查,本文将黑河库区108国道沿线边坡分成了15段,其中有4个潜在崩塌段。针对这4个潜在崩塌段,本文在每段中选取一个典型点,借助自编程序,使用块体理论分析方法寻找可动块体、关键块体并计算剩余下滑力。计算所得关键块体的结构面组合形式和实际相吻合,所得剩余下滑力计算结果表明4个潜在崩塌段中有3段崩塌危险性较高,且需要采取工程措施以防止崩塌阻断108国道。说明了变质片岩区边坡稳定性的块体理论分析方法,对变质片岩区其他工程具有一定借鉴意义。     

大瑞铁路澜沧江大桥工程边坡岩体结构特征研究

岩体中结构面的展布及其组合特征决定了岩体的工程地质性质和力学性状,影响着岩体的破坏方式。大瑞铁路澜沧江大桥所处的澜沧江构造带,具有高地震烈度、活跃的新构造运动、活跃的外动力地质条件、活跃的岸坡浅表改造过程等地质特征。工程区两岸节理裂隙等弱面发育,岸坡浅表改造过程强烈,导致岩体结构复杂。通过野外现场调查,对两岸边坡岩体结构面数据进行统计分析,采用x2检验与K-S检验法对结构面进行概率密度拟合,分析岩体结构特征。结果表明:(1)右岸的优势结构面有三组; (2)左岸的优势结构面有四组; (3)各组优势结构面产出状态数据均服从正态分布。在统计分析结果的基础上,建立两岸岩体结构的统计模型,并对边坡破坏模式进行定性分析,认为:(1)右岸边坡变形破坏模式为滑移 压致拉裂; (2)左岸结构面贯通性不好,主要的破坏模式是局部块体滑移。      

某电站大型地下洞室群主变洞确定性块体稳定性评价

以黄河上游某大型电站地下洞室群主变洞为例,通过在AutoCAD软件中建立洞室与结构面的三维实体模型,借助自编程序切割,展示这些结构面在主变洞边墙及拱顶的出露情况,在此基础上检索出组合块体21个,最后对这21个块体进行了确定性块体稳定性评价,给出其在主变洞上下游边墙及拱顶的块体组合情况、滑动方式、出露桩号和高度、出露面积、分布深度、体积、稳定性系数等。     

动荷载作用下隧道围岩块体稳定性分析及其应用

隧道围岩中的结构面将岩体切割成块体,块体在自然状态下的静力平衡因为隧道开挖而被打破,临空面的产生和动荷载的施加都可能导致块体的滑移,进而引起围岩失稳。以往应用块体理论寻找关键块体时,多只考虑纯重力的作用,而忽视了爆破振动、地震等动荷载对诱发失稳灾害的重要作用。将爆破振动荷载和地震荷载转化为等效静力,并通过数学计算求出使块体安全系数最低的动荷载方向,再利用关键块体理论矢量分析方法分析隧道围岩的稳定性。在长岗隧道中的应用表明,考虑动荷载作用下的块体安全系数明显小于只考虑重力作用时的安全系数,原本稳定的块体也可能在动荷载作用下变成关键块体导致围岩失稳,这与长岗隧道现场记录的破坏现象相符。     

坐标投影作图法在川藏线宿瓦卡岩质边坡稳定性分析中的应用

边坡稳定性问题是川藏线工程建设面临的重要问题。野外调查发现基岩边坡失稳一般表现为块体塌落或滑动。基于岩体结构控制理论,作者以川藏线西藏境内宿瓦卡附近的人工高边坡为例,进行了块体边坡稳定性分析。对比现有理论方法的优缺点,采用坐标投影作图法及其计算机化程序CPH。坐标投影作图法是一种以正投影为基础,以分析岩体结构面的几何关系及由其切割出来的块体的稳定性为目的的图解方法。根据现场量测取得的数据,采用CPH程序确定了块体边坡的结构面方程,从而求出各结构面产状。在此基础上建立水平切面图,并求得各块体顶点坐标,计算出块体的表面积及体积。根据极限平衡理论,运用CPH程序进行块体稳定性分析,并求出块体的稳定性系数。通过分析可知,坐标投影作图法及其计算机化的CPH程序在块体边坡稳定性分析中有着很好的应用效果。     

岩溶隧道顶板安全厚度的理论探讨与工程应用

在岩溶区隧道施工中,隧道顶部既有较大尺度溶洞引起的隧道顶板跨塌是威胁隧道施工的主要问题之一。从隧道施工引起的既有溶洞与隧道间岩层的受力,岩层力学性质和围岩水文地质条件变化出发,分析了隧道施工中影响岩层稳定的主要因素,在此基础上将隧道顶部既有较大尺度溶洞引起的隧道施工期顶板的破坏问题归结为两端简支或4边固支薄层岩板的失稳问题,建立了相应的力学分析模型。采用弹性板理论,对不同力学模型的受力状态进行分析,推导了建立在岩体抗拉和抗剪强度准则基础上的岩溶隧道顶板岩层最小安全厚度计算公式。采用该公式对武都水库导流洞既有溶洞影响下典型洞段隧道顶板稳定性进行分析,跟踪施工调查的顶板稳定情况性态验证了公式的适用性。     

Analytical model for the design of grouted rock bolts

An analytical model which represents the behaviour of a reinforced rock mass near a circular underground opening in a homogeneous, uniform stress field has been developed. The theory adopts the concepts of elastoplasticity and considers a proper interaction mechanism between the ground and the grouted (or friction) bolts. It highlights the influence of the bolt pattern on the extent of the yield zone and tunnel deformation. A dimensionless parameter is introduced as a design tool which relates the tunnel convergence to the bolt spacing for a given bolt length. This publication contains the derivation of the analytical model and an illustration of the effect of bolts on the stress and displacement field near an opening. Its application to tunnel design is discussed briefly. The verification of the theory by laboratory simulation and field measurements will be presented, in detail, in a future publication.     

The key blocks of unrolled joint traces in developed maps of tunnel walls

This paper presents a general method of key block analysis for cylindrical surfaces with numerous real or statistically produced joint traces. General tunnel curves, analytically represented, are unrolled to yield a ‘developed view’ on which the joint traces are continuous curves. Then, using extended block theory, the maximum key block regions are delimited from the curved polygons of the unrolled joint trace map. The methods discussed here apply to a cylindrical tunnel of any shape in section and in any orientation, including inclined tunnels and shafts. The trace maps for which the method applies can be generated statistically, as described herein, or surveyed from real traces on exposed tunnel walls. A brief introduction to the basic theory about tunnel key blocks is provided here so that this paper can be understood without reference to other papers on block theory.     

拓扑优化在隧道工程中的运用

拓扑优化作为结构优化的高层次优化方法,目前正成为工程界研究的热点,而对于隧道工程的拓扑优化还未见研究成果。建立了隧道洞室的拓扑优化模型,利用高层次拓扑优化理论对隧道洞室进行了拓扑优化分析,提出了预强支护理论,即开挖围岩影响区内进行强支护结合复合衬砌支护的三层支护体系,通过拓扑优化分析确定了预强支护的具体位置。     

半硬半软岩隧道塌方的力学特性及处理方法分析

由于蛟岭隧道出口横断面一半为硬岩,结构完整,而另一半为软岩,为风化岩层,且较为破碎,所以在隧道开挖时,硬岩一侧刚度较大,变形较小,自稳能力大;软岩一侧与之相反,遇水软化,流变性明显,所以在软硬岩交界面处,产生滑移,导致塌方,从而在软岩一侧采取了地表加固和掌子面管棚注浆的处理,形成了与硬岩接近的强度,使隧道周围形成一个承载环,并对处理段进行了监测,监测数据分析表明处理后迅速达到稳定。     

Application of fuzzy Delphi AHP method for the estimation and classification of Ghomrud tunnel from groundwater flow hazard

Water inflow and water pressure controls are needed in the design, construction, and exploitation of tunnels. The objective of this paper is to present a new system which can be appropriate for rating tunnel sites to evaluate the potential of groundwater inflow according to the preliminary site investigation data. In this paper, an evaluation model based on combining the analytic hierarchy process and the fuzzy Delphi method has been presented for assessing tunnel site rating from the groundwater hazard point of view. This research treats the tunnel site classification as a group decision problem and applies the fuzzy logic theory as the criterion to calculate the weighting factors. Afterward, the proposed method was successfully applied to determine the amount of groundwater inflow into tunnels. Results of several case studies in various geological conditions roughly show that it can be used to determine the groundwater inflow into tunnels. The introduced method has been examined successfully in Ghomroud tunnel. Results from the proposed method, analytical equations, and observed groundwater inflow into Ghomrud tunnel have been compared. Results show that, because most of parameters regulating groundwater inflow into tunnels have been considered in the method, results from the method are very close to the observed groundwater inflow. Applying this method, according to preliminary investigations conducted by the designers, provides a more suitable design of the drainage system, drilling method, and tunnel support.     

地铁隧道竖向土压力荷载的计算研究

在地下结构按荷载结构模型计算分析时,如何确定作用在地下结构上的上覆土荷载的大小及分布是合理设计的关键。对于松软地层浅埋隧道,竖向土压力经常取全部土层厚度重量;而覆土厚度较大时采用坍落拱统计公式以及泰沙基理论或普氏压力拱理论等,这些理论公式在选用时还存在一些问题,值得进一步研究改进。根据北京地铁所处地层、隧道尺寸及埋深情况,采用常用覆土压力理论对北京地铁四、五、十号线标准断面安全度进行试算分析,提出了北京地铁隧道竖向土压力荷载计算方法,对地铁隧道及城市地下工程均具有借鉴参考价值。     

隧道降水施工对既有市政管线隧道影响研究

针对成都某新建铁路隧道近接下穿既有市政管线隧道的降水施工方案,运用有限差分法和流固耦合理论,分析研究了降水施工过程中,既有市政管线隧道的受力特性及位移变化规律,研究结果表明:距离降水井约50m范围内,地表沉降量变化显著,易发生差异沉降;既有管线隧道初期与二衬结构应力和位移变化及分布规律几乎一致,交叉处界面位移最大,沿隧道纵向向两端逐渐减小且呈对称分布;交叉处30m范围内,初期支护和二次衬砌拱顶纵向应力主要为负值即压应力,仰拱纵向应力主要为正值即拉应力且最大拉应力超过了混凝土的极限抗拉强度。由此可知,降水施工对上部市政管线隧道的影响较大,降水施工前应采取一定的特殊辅助措施,以保证隧道结构安全性。     

土-地铁隧道动力相互作用模型试验分析

本文对土的动力特性本构模型以及土-结构的接触面模型进行了较详细的探讨,最后分别选用非线性等价粘弹性模型和Ramberg-Osgood模型。分析表明,在进行模型试验设计时,不仅材料要满足相似性原理,而且在设计边界条件和地震波输入时也应以上述模型为参照。通过对一圆形隧道的地震反应分析,表明拱顶处的最大动应力是圆形隧道出现裂痕的主要原因,进而分析了孔隙率对结构横向变形的影响,分析结果与实际工程情况较为吻合。本文的研究成果可为地铁隧道的抗震设计提供一定的参考意见。     

厦门翔安海底隧道不良地质段施工风险识别与应对

修建海底隧道技术难度高、施工风险大,其中不良地质段是施工高风险地段。厦门翔安海底隧道是中国大陆地区第一条海底隧道,长6.05 km,最深处位于海平面下约70 m,采用设置服务隧道的3孔隧道方式,设双向6车道,钻爆法施工。隧道场区以花岗岩地层为主,主要不良地质段包括两端陆域及浅滩全强风化地段和海域多处风化深槽,其施工期风险管理尤为重要。应用风险评估与分析理论,探讨了海底隧道施工风险发生机制及风险水平评估方法。针对厦门翔安隧道施工图设计阶段的地质勘测、土建结构设计和拟采用的施工方法,对不良地质段施工期的典型地质风险和施工风险进行识别与风险水平评估,研究了降低风险的相应对策,以便在施工中对风险进行管理,采取必要措施保障施工安全与质量。     

基于可拓学理论的围岩分级方法在变质软岩隧道中的应用

对可拓学中物元、可拓集合的概念进行了阐述,并以火车岭隧道为例,结合影响变质软岩区隧道稳定性的岩性、结构面、地下水等主要因素,选取钻孔岩芯质量、隧道埋深、地下水流量、饱和单轴抗压强度、结构面间距作为评价指标,同时选择3个典型岩段,建立相应的待评物元模型;对各评价指标及各围岩级别的关联度指标进行了计算,据此对3个岩段进行分级的结果表明,绿泥钠长石英片岩岩段为Ⅲ级,与原设计相符;绢云母石英片岩岩段为Ⅱ级,比原设计低一级;白云钠长石英片岩岩段为Ⅳ级,比原设计高一级.该分级方法与RMR法、Q法及公路隧道规范分级方法的对比结果表明,传统方法与现场条件存在较大误差,证明基于可拓学理论的围岩分级方法能较好地满足该围岩条件的要求,同时分析了传统围岩分级方法在该地质条件下应用的缺陷.