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。     

一种快速建立上覆岩层压力体的方法

上覆岩层压力是地层沉积压实作用的源动力,也是地层孔隙压力计算的重要基础数据。本文通过Eaton公式推导出密度变化与上覆岩层压力和孔隙压力的计算模型,验证了不同厚度下低密度泥岩对上覆岩层压力以及孔隙压力的影响关系,证实密度差异为0.3 g/cm 3、厚度从100~500 m的低密泥岩对孔隙压力的影响最大仅为0.02 psi,从3~250 Hz的频率扫描密度曲线计算得到的上覆岩层压力几乎无差别,证实上覆岩层压力仅代表沉积地层的低频成分,因此根据正常压实地层有效应力和上覆岩层压力的关系确定了基于井控地震层速度场转换上覆岩层压力体的快速方法。以渤海西部某构造为例,新方法求取的上覆岩层压力体被多口钻井一一验证,满足了快速勘探评价的需求。     

地层渐进成拱对浅埋隧道上覆土压力影响研究

砂土及完整性较差、黏聚强度较小的破碎岩体中,浅埋隧道地层拱作用机制随地层变形发展而变化,受此影响隧道松动土压力也相应变化。常规方法忽略了地层拱不同阶段力学机制的不同,同时未考虑剪切面转动与大主应力旋转之间的相互关系,因此,不能解决浅埋隧道地层能否成拱、地层拱何时贯通至地表以及地层拱发展对隧道松动土压力影响等问题。针对这一情况,提出渐进地层拱力学模型以反映不同阶段地层拱的力学机制;其次,同时考虑主应力旋转、剪切面转动及二者相互关系,确定拱内土体应力分布;随后,优化了传统主应力偏转与地层差异沉降间的数学模型。在此基础上确定了渐进地层拱对隧道松动土压力的影响。改进方法结果与传统方法结果及试验结果的对比验证了改进方法的有效性与适用性。通过参数分析研究了隧道初始松动压力、随地层变形发展的松动压力以及地层拱贯通至地表时的极限变形等关键参数。最后,对下北山超大跨浅埋隧道的研究说明了改进方法的实用性。结论显示：（1）初始松动压力为初始松动区内土体重力,初始松动区范围不受覆跨比影响,而受地层强度影响,随内摩擦角增加而减小;（2）最大拱效应阶段以后,松动土压力随地层变形发展而增加,深埋、小跨度隧道（ ）增长速率较慢,反之较快;（3）极限变形随覆跨比、内摩擦角增加而增加,深埋、小跨度隧道地层拱效应更明显;（4）对于下北山隧道,初始地层拱存在,初始松动土压力为0.37 ,极限松动土压力为0.41 ,最终松动土压力为0.54 ,隧道变形应控制在5.7%以下避免地层拱贯通至地表。     

围岩自调节成拱特性的实验与数值分析

本文在围岩应力分析的基础上,通过物理实验模拟和数值计算,分析了由于隧道开挖后应力变化引起的围岩自调节成拱的特性及相关影响因素作用下的压力拱成拱规律。在本文中,将压力拱内边界距洞口的距离和拱体厚度作为判定压力拱成拱和评价围岩稳定的参数。当内边界靠近隧道洞口,围岩基本稳定; 压力拱的厚度小意味着需要较少的岩体来承担拱体自身和其上岩体的荷载。在此基础上,运用平面应变相似模拟实验模拟隧道开挖过程,对开挖过程中洞口周围应力升高区进行了观察和分析,明确了压力拱的成拱,以及随着距离洞口越近变形增加的幅度越大等现象。运用数值分析发现,随着节理的间距的减小,压力拱内边界靠近洞口,压力拱厚度增大; 在2组节理围岩中,节理倾角分别为30和60时,成拱最不利; 而节理的黏结强度对压力拱成拱的影响程度与节理摩擦角的大小相关联,摩擦角大于20时,节理黏结强度对压力拱成拱影响甚微。     

拉张盆地不同埋深复合地层中隧道围岩变形破坏数值模拟研究

不同埋深的软硬岩层叠置复合地层变形破坏形式复杂而使得软岩大变形和硬岩岩爆位置相关关系不够明确。在拉张盆地中自重应力为主,侧压系数一般较小且多数在1.0以内。本文以在水平和铅垂叠置复合地层中TBM开挖圆形断面隧道为例,采用有限差分程序FLAC3D对拉张盆地中不同埋深、不同叠置型式复合地层中TBM开挖后的三维弹塑性位移变形、主应力和塑性破坏分布变化特征展开数值模拟研究。模拟结果表明,围岩变形主要发生在软岩层地层中,埋深超过800 m后沿隧道轴向软岩大变形藕节状分段开始显现;随埋深增加,硬岩稳定性变差,顶拱位移增加尤其明显;随埋深增加,软岩和硬岩地层之间主应力差异变小,硬岩中储能明显;埋深越大塑性区分布范围越大;埋深较小时岩层以拉张破坏为主,埋深较大时以剪切破坏为主,两种状态的转换埋深(临界深度)约为800 m。由此对拉张盆地中深埋界限值给予了理论验证。     

土、岩及接触面力学特性研究

我国西北陕甘地区是中国乃至世界典型的黄土分布区,土、岩交界地层是浅埋破碎围岩中常出现的一种地层条件。一般地,土、岩交界地层形成年代较短,其上覆土层孔隙大、较松散;而岩层的性质差异较大,有泥岩、页岩以及风化程度不同的花岗岩。这一独特的地质特征不仅使得隧道围岩力学性质的发生显著变化,而且水文地质条件也发生了显著的变化,导致交界处含水量明显增大。在过去的实践中,土、岩交界地层并没有引起人们的广泛注意,从而导致了许多塌方以及围岩变形过大的事故。在宝天高速公路黑岭隧道的实践中发现,土、岩交界面段围岩的最大变形达到35 cm左右。隧道之所以出现塌方和围岩变形过大,原因在于没有正确的认识土岩交界地层条件下,围岩的变形规律和开挖后围岩应力的转移,从而导致按常规设计方法提供的支护措施与实际的围岩压力不相匹配。     

嵌岩桩承载变形特性的数值分析

嵌岩桩的单桩极限承载力高,现场试桩试验加载至极限状态代价和难度均较大,试验取得的数据较难全面反映嵌岩桩的承载变形特性。基于武汉绿地中心嵌岩桩试桩试验成果,采用ABAQUS有限元软件建立桩-土-岩共同作用模型,分析了基岩岩性、嵌岩深径比以及上覆土层厚度等对嵌岩桩承载变形特性的影响。数值计算表明,基于合理的本构模型、合理地参数取值,采用有限元方法对嵌岩桩试桩试验开展模拟分析,可以取得较为合理的拟合结果。基岩岩性、嵌岩深径比、上覆土层厚度对嵌岩桩的承载变形特性均有较大的影响。基岩岩性和嵌岩深度对上覆土层段侧摩阻力的发挥影响不大。嵌岩段的承载力是嵌岩桩总承载力的主要组成部分,但对穿越深厚上覆土层的嵌岩桩,上覆土层段桩侧摩阻力是嵌岩桩总承载力的重要组成部分,不应忽视。     

山区急倾斜煤层开采上覆岩层弯曲挠度预计

为了研究山区急倾斜煤层开采上覆岩层的弯曲变形规律,建立了上覆岩层弯曲变形的力学模型,运用弹性力学中的薄板弯曲理论,推导了上覆岩层弯曲挠度的预计公式,利用此公式对上覆岩层的弯曲挠度进行了计算。研究结果表明:(1)由于山区急倾斜煤层覆岩的线性荷载的作用,岩板的弯曲挠度曲线不再具有对称性,岩板弯曲挠度的最大值偏向于岩板倾斜的下山方向;(2)岩板弯曲挠度随着采深的增大而增大,岩板弯曲挠度最大值出现的位置逐渐由下山方向向采空区中点移动,但是最大挠度出现的位置不会越过采空区中点而位于倾斜岩板的上山方向;(3)岩板弯曲挠度随着山地倾角的增大而增大,岩板挠度最大值出现的位置距离采空区中点越来越远;(4)岩板弯曲挠度随着煤层倾角的增大而减小,岩板弯曲挠度最大值出现的位置距离采空区中点越来越远。     

基于覆岩破坏传递的导水裂缝带发育高度研究

采动影响下覆岩破坏及导水裂缝带高度对于水体下采煤、保水采煤等具有重要意义。分析了采动影响下覆岩破坏传递过程,并将其划分为传递发育阶段和终止阶段;通过理论分析建立了上覆岩层悬空完整和悬伸稳定力学模型,提出以极限悬空距和极限悬伸距为判据用于判断每层岩层破坏情况,得出了计算导水裂缝带高度理论新方法,并通过工程实例与实测值进行了对比分析。结果表明,基于覆岩破坏传递模型的导水裂缝带发育高度计算方法预计的导水裂缝带高度（158.8 m）与实测结果（150~170 m）吻合较好,验证了该理论方法的可行性。      

考虑岩体碎胀效应的采场覆岩冒落规律分析

应用改进的岩石破裂过程分析系统(RFPA2D),分析了煤层开采过程中上覆岩层发生离层、弯曲、端部和中部开裂直至冒落的全过程,再现了采动影响下冒落带、裂隙带、下沉带3带的形成过程以及裂隙拱的形成发展、整体覆岩的周期性运动模式。数值计算中,引入了冒落岩体的碎胀效应,使得计算结果更合理地反映了现场实际,主要表现在：冒落岩体的碎胀效应及拉伸、剪切破坏联合控制了覆岩的运动模式,随着工作面的不断推进,上覆岩层可呈现出周期性的运动特征;裂隙拱发展到一定高度后,工作面垂直方向上不再扩展,只在工作面推进方向向前扩展,此时裂隙拱拱顶为一近似水平线,冒落带、裂隙带和下沉带3带分明;覆岩运动引起的地表下沉范围和下沉量亦都更符合现场实际。     

越江隧道钻爆法施工最小岩石覆盖层厚度研究

越江隧道上覆最小岩石覆盖层厚度是决定隧道建设造价和安全的主要因素之一。以拟建的重庆朝天门两江隧道为例,采用工程类比法和3D弹塑性有限元数值模拟对隧道钻爆法施工的最小岩石覆盖层厚度进行了分析。工程类比分析表明,在正常水位条件下隧道最小岩石覆盖层厚度为22~27m;数值模拟分析表明,在历史最高洪水位条件下隧道最小岩石覆盖层厚度为23m。综合分析认为,两江隧道合理的最小岩石覆盖层厚度为23m。     

基于剪切破坏的深长隧道掌子面隔水岩层安全厚度的研究

突水是复杂地质区域隧道修建时常见的地质灾害。掌子面前方隔水岩层是阻止突水发生的重要安全屏障。本文主要对隧道前方隔水层临界安全厚度的确定方法进行研究。首先基于Mohr-Coulomb破坏准则构建了隔水岩层剪切破坏力学分析模型并得到相应的隔水岩层安全厚度的计算公式;其次,对于深埋隧道,构造应力场对水平应力影响更明显,通过理论分析以及安全性角度分析,发现利用竖向应力计算法向应力更合理;然后,考虑隧道开挖对初始地应力的影响,对上述模型做了进一步的改进;最后,结合跃龙门隧道工程突水灾害的特点,利用区间非概率可靠性以及概率分析两种方法对隔水岩层厚度进行分析,并与现场实测结果进行对比验证。工程案例应用结果表明本文所提出的计算模型是有效的。本文的研究成果既是对现有的临界隔水岩层厚度的知识体系进行补充和完善,也可为后续的风险评估、风险对策的制定提供辅助信息。     

Centrifuge modelling of twin-tunnelling induced ground movements in loess strata

A great concern for the safety of large cross-section tunnels, which are being or to be built in the loess strata of China, is attracted. Generally, loess is a multi-phase porous medium and develops complex stress and strain variation while executing a tunnel project. Another problem is that the soil surrounding both tunnel arches is subjected to a complex loading due to the double excavation. To obtain an in-depth knowledge of the mechanism of tunnel deformation induced by the twin-tunnelling, we conducted comprehensive centrifuge tests, which can simulate and reproduce strictly the action process of twin-tunnelling. Through the model tests, the response of twin-tunnelling on loess stratum deformation was obtained. The investigations showed that with the increase of tunnel spacing, the stratum deformation distribution near the vault changes from a single-peak V shape to a double-peak W shape. Additionally, the height of the stratum pressure arch effect increases significantly. The settlement of the preceding tunnel is slightly larger than that of the latter tunnel, and the twin-tunnelling effect gradually decreases with the increase of tunnel spacing. Through comparative analysis of the different combinations of tunnel spacing and tunnel interval, the interaction between two tunnels with different spacing and interval during tunnelling was investigated, further optimizing the reasonable tunnel spacing and construction steps, as well as providing reference for tunnel route selection in the loess strata.     

叠落盾构隧道受力分析及管片配筋

在现代城市轨道交通建设中,上下叠落地铁盾构隧道越来越多,这类叠落盾构隧道相互影响,塌落拱多次叠加,传统解析法计算隧道围岩压力存在困难,目前缺乏相应的叠落隧道围岩应力计算方法。为了研究叠落盾构隧道受力分析及管片配筋,以北京地铁6号线南锣鼓巷站—东四站叠落盾构隧道为工程实例,根据弹塑性理论模拟隧道开挖过程计算塌落拱多次叠加,结合强度折减法计算叠落隧道塑性区,然后根据塑性区计算塌落拱高度和围岩压力;根据厚壁圆筒理论,计算盾构施工和列车运营对下方隧道附加应力;根据以上分析,计算叠落隧道的下方盾构隧道管片内力并配筋。     

水平产状小厚度软岩层压缩挤出原理与条件探讨

根据Deere和Miller对岩石的分类,可将软岩分为塑性与弱弹性两种,据此提出压缩型挤出有两种情况,即完全塑性挤出与塑性加半弹性挤出,建立挤出变形的微分方程,获得了发生这两种挤出的最小覆盖层厚度、压缩变形破坏宽度、壁内应力分布、挤出体积与挤出长度等估值公式。还利用公式分析了一般情况的挤出条件,它们与岩石物理力学参数关系及其变化规律。对几个挤出大变形隧道的最小覆盖层厚度进行估算,结果符合实际,表明可供实际工程应用参考。     

吉沙引水隧洞工程地质条件初步分析及评价

吉沙水电站低压引水隧洞,位于青藏高原的东南端,地质环境条件复杂。通过勘查,对工程区的地貌特征、地层岩性、地质构造、水文地质、工程地质特征有了基本了解,对引水隧洞区存在的上覆岩体厚度问题,围岩稳定及施工涌水问题．隧洞外水压力问题以及岩体工程地质问题进行了分析与评价,并提出了工程处理建议。     

软弱下卧层上持力岩层的端阻力特征值取值

在分析岩体特征和岩体力学强度的基础上,从基于岩石抗拉强度的冲切破坏模式出发,建立起软弱下卧层上岩体的冲切安全指标和冲切端阻值系数数学模型,再利用岩石的力学性质经验数据,计算出沉积岩的拉压系数、冲切安全指标、端阻值系数,并对各自的特征进行了分析,认为以单轴饱和抗压强度为端阻力特征值取值指标,对于软弱下卧层上抗压强度大、拉...     

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。     

民和盆地南缘盐锅峡组的建立及其地质意义

民和盆地下白垩统地层出露广泛,在其中部有一整套以水下沉积构造和其中特有的蓝灰色标志层为主体的细碎屑岩系,与上、下地层有着极大差异,命名为“盐锅峡组”。该组地层剖面连续,出露甚好,顶底清楚,具独特的岩性、岩相特征。该组岩石地层单位的正式建立,不但便于区内地层划分与对比的需要,而且对盆内层序地层、构造演化、作用相分析都具重要作用。