软弱围岩隧道施工全过程非线性有限元分析

结合赣州-龙岩铁路某单线隧道软弱围岩地质情况,采用非线性有限元法对软弱围岩条件下的铁路隧道湿喷纤维混凝土支护结构施工过程进行了数值模拟,分析了围岩和支护结构体的非线性力学行为的应力场分布、位移场,围岩塑性区分布特征,指出台阶步开挖时拱顶下沉、底板上鼓、墙腰收缩的主要控制因素.     

软弱破碎围岩双连拱隧道安全施工与监测

针对软弱破碎Ⅱ类围岩双连拱隧道采用三导洞施工方法的特点,阐述了其安全施工技术要点,实际施工中,就其监测内容及监测结果进行了实时分析,为隧道安全施工提供了依据,长期监控量测结果表明,该隧道结构是安全的,达到了围岩与支护结构体系安全与稳定的要求,所采用的安全施工措施以及信息化施工方法对类似工程具有指导和借鉴意义.     

厦门海底隧道施工方案优化研究

基于数值模拟方法,对厦门海底隧道施工进行优化分析。在侧压力系数为0.6和0.9情况下,首先针对3种常用施工方法——全断面开挖法、上下台阶法和台阶分部开挖法进行计算分析,通过比较隧道洞周关键点位移及洞周塑性区分布,得到全断面开挖对围岩的扰动较小;然后,通过计算分析不同台阶长度对隧道的稳定性的影响,得到上下台阶开挖台阶步距为10 m左右较为合理的结论,对海底隧道的施工具有一定的指导意义。     

Optimization Methods of Blasting Parameters of Large Cross-Section Tunnel in Horizontal Layered Rock Mass

For large cross-section tunnel in horizontal layered rock mass, blasting excavation often causes serious overbreak and underbreak. In this study, blasting excavation tests of tunnel upper face were conducted, blast-induced excavation damage and the influence mechanisms of weak beddings and joints were analyzed based on the Panlongshan tunnel. In order to achieve fine excavation, the cut mode of “center holes and four-wedge cutting holes”, the blasthole pattern of “empty holes, long holes, short holes and additional relief holes”, the maximum single-hole charge and the air-deck charge structure were proposed. Compared with the damage characteristics, overbreak and underbreak, and deformations of surrounding rock before and after optimization, the latter was better in tunnel contour formation and surrounding rock stability. The results show that after optimization, the large-area separation of vault rock mass is solved, the step-like overbreak of spandrel rock mass is reduced and the large-size rock block and underbreak are avoided. The maximum linear overbreak of vault, spandrel, and haunch surrounding rock is decreased by 42.3%, 53.7% and 45.1%, respectively. The underbreak at the bottom of the upper face is reduced from ??111.5 to ??16.5 cm. The average overbreak area is decreased by 61.1%. The surrounding rock displacement after optimization finally converges to the smaller value. The arch crown settlement and the horizontal convergence of haunch are reduced by about 21.6% and 18.3%, respectively. Furthermore, from the completion of blasting excavation to the stabilization of surrounding rock, it takes less time by using the optimized blasting scheme.

     

岩溶区隧道围岩--支护体系稳定性研究

岩溶是地下水地质作用的过程和结果，是隧道建设面临的不良地质现象之一。正在建设中的某高速公路隧道出口段岩溶地质作用强烈，溶隙、孔洞发育，且受构造变形及后期淋滤溶蚀作用强烈，力学强度低，岩性复杂。其角砾状粘土岩和水云母粘土岩多已泥化成粘土，遇水易膨胀。岩溶区隧道围岩——支护体系的稳定性是该隧道建设面临的主要问题。文章结合隧道施工过程中的围岩变形监控量测和三维弹塑性有限元数值仿真模拟对隧道围岩——支护体系的稳定性进行了研究。围岩水平收敛和拱顶下沉位移及速率变化特性表明，在监测时段内隧道围岩无趋于稳定的迹象。施工动态力学数值仿真模拟表明，在初期支护条件下，围岩出现了较大范围的塑性破坏区，两隧道之间(间距45．0m)围岩破坏接近度达到0．70，最大竖向位移达到3．0mm，表明隧道全断面施工时，两隧道相互作用影响程度较大。为确保隧道围岩——支护体系的稳定，选择合理的施工方法，制定切实可行的支护方案提供了信息。     

厦蓉高速公路某隧道洞口段开挖对仰坡变形影响的数值分析

针对一座浅埋偏压隧道,采用FLAC3D对该隧道进口段进洞开挖进行动态施工三维数值模拟。基于围岩应力分布特征,仰坡坡面轴向和横向位移的变化特征,分析了偏压浅埋隧道洞口段开挖引起的仰坡变形规律。计算结果揭示：仰坡后缘下沉,前缘向洞心外有移动趋势;隧道开挖引起隧洞洞身附近岩体出现较大应力集中和变形现象,洞口段洞身以上仰坡坡面主要以竖向沉降为主,洞身两侧向洞内挤压。在此基础上提出了保证仰坡稳定和安全进洞的一些建议。     

整体式中隔墙连拱隧道模型试验及现场监测

针对连拱隧道复杂的施工力学特性,结合实际工程,通过模型试验和现场监测分别研究了整体式中隔墙连拱隧道在中导正洞台阶法施工过程中的位移和中隔墙应力变化情况,并详细分析了各开挖步骤对其的影响。结果表明,对于整体式中隔墙连拱隧道,上台阶开挖对顶部位移和中隔墙应力的影响大于下台阶开挖产生的影响;隧道顶点位移-历时曲线总体形状呈S形,最大位移发生在后掘隧道的顶部。由于主洞的开挖将使中隔墙另一侧应力增加较大,而本侧应力增加较小甚至降低,因此,先掘隧道的开挖使中隔墙产生由先掘隧道侧向后掘隧道侧偏转的弯矩,而后掘隧道的开挖将使该弯矩值减小     

金华山软岩铁路隧道施工过程围岩屈服接近度分析

隧道施工过程中围岩处于复杂应力状态下,隧道围岩屈服区演化特征的确定对于围岩稳定性分析和开挖支护方案优化具有重要的意义。采用屈服接近度指标衡量围岩破坏接近程度可以合理地描述复杂应力状态下围岩的应力危险性,对Mohr-Coulomb类岩体材料的屈服接近度函数进行了相应的推导,并在非线性有限元用户子程序上编程予以实现。介绍了赣州-龙岩铁路DKl33+095～DKl38+237段软弱围岩单线隧道正台阶步施工方案以及湿喷纤维混凝土支护方案。为了对该隧道施工过程中隧道围岩屈服区的演化特征进行合理评价,采用非线性有限元法对软弱围岩条件下的铁路隧道施工过程进行了数值模拟,分析了施工过程中隧道围岩屈服接近度分布特征,判定了隧道台阶步施工过程中隧道围岩的稳定性。分析结果表明:该隧道施工过程中围岩破坏区主要发生在下台阶步施工过程中;屈服接近度指标比传统的塑性区分布提供的信息更加丰富,有利于工程技术人员定量地评价隧道开挖支护方案。     

不同倾角多层节理深部岩体开挖变形破坏规律模型试验研究

深部资源开发中地下洞室围岩稳定控制必须面对峰后碎裂岩体的变形和破坏问题,目前深部多裂隙岩体开挖强卸荷引起的围岩变形破坏规律尚不清楚,常导致大体积塌方、大变形等重大工程事故。采用大尺度三维模型相似试验系统,分析具有不同倾角的多层节理的岩体在高地应力下开挖变形破坏规律。试验结果表明：裂隙倾角较小时,隧道上、下侧围岩主要发生大变形,左、右侧围岩呈现分层破裂现象,随着裂隙倾角增大,破裂区从洞室左、右两侧逐渐扩展到洞室全周,顶部岩体越容易发生大体积滑塌;隧道围岩由内向外应力和位移值呈波动状分布;洞周塑性区范围随裂隙倾角增大而增大,裂隙倾角越大,洞周塑性区越容易与洞室上、下侧裂隙面连通。该研究为保障深部工程的安全修建与运营提供了试验基础。     

引水隧洞膨胀性围岩的稳定性分析

膨胀岩在实际工程中通常表现为围岩随时间的推移大量向洞室内塑性挤出或底板大量隆起,最终导致洞室支护和围岩产生裂损或破坏。山西万家寨引黄入晋工程南干线7号隧洞地层特点除砂岩与泥岩互层外,膨胀岩共有3～4层,且斜穿隧道。通过对隧洞开挖及支护过程应用考虑膨胀岩影响的粘弹塑性有限元进行分析,得出膨胀围岩对隧洞及支护结构的受力及稳定性的影响。建议在通水运行过程中密切监测其变形、应力应变、渗透压及外水压力的变化规律,以确保工程的安全运行。     

超大断面铁路隧道施工断面综合荷载释放过程研究

隧道开挖扰动会使影响范围内的围岩发生松弛,同时还产生一定的荷载作用于隧道结构。而在隧道开挖面推进时,作用于隧道结构上的荷载在应力调整过程中不断释放,最终在隧道结构及围岩达到稳定状态后荷载释放过程同时结束。通过数值分析及模型试验,对超大断面铁路隧道施时的隧道断面整体荷载释放过程进行了相关研究。研究了台阶法开挖过程中隧道洞壁不同特征点的荷载变化规律,并定义了能够表征隧道施工过程断面整体荷载释放状态的断面综合荷载释放率和荷载释放差异系数的概念,通过两者对隧道开挖断面整体荷载释放状态进行分析总结。在随后进行的隧道施工过程地质力学模型试验中,通过对开挖面推进洞壁不同位置围岩径向压力的变化规律进行监测,证明了数值模拟得到的结论,并进一步说明在隧道开挖的荷载释放过程研究中,应将整个断面作为研究对象,分析断面整体荷载释放状态,才能对隧道施工中的荷载释放过程有一个更加全面的认识。     

隧道围岩稳定性的有限元分析

根据地下结构设计理论和岩石屈服的Drucker-Prager准则，考虑到了围岩的自身承载能力，采用有限元的分析方法对广西柳州一处公路隧道围岩的稳定性进行了分析。分析了开挖方式、开挖顺序对围岩稳定性的影响，对围岩的开挖过程进行模拟。确定不同开挖方式下隧道围岩的位移、应力状态，以及位移、应力状态随时间的变化规律，为隧道施工过程中开挖方案的制定、支护时间的选取提供依据。     

岩爆破坏过程能量释放的数值模拟

岩爆是地下岩石开挖中的一种工程灾害现象,是岩体结构发生破坏时,由于内部储存的弹性能释放并转换为动能而造成动力形式的破坏。岩爆破坏过程中的能量释放与岩体在应力峰值前后的应力-应变特性紧密相关。另外,施工中开挖速度引起的加载速率的变化也会对岩爆的产生有明显影响。以岩体全过程应力-应变曲线试验为基础分析岩爆破坏过程。分析中采用的模型考虑了岩石峰值后应力-应变特性及加载速率的影响。运用数值方法对岩石洞室的开挖过程进行了模拟,在模拟中对岩体破坏的发生及弹性能释放过程进行了分析。数值分析结果显示,岩体洞室开挖过程中岩石破坏由岩体表面向岩体内部发展,岩石的弹性能释放率也随着破坏的发展而不断增加。分析结果还显示,岩体破坏时的弹性能释放速率会随着开挖速率的提高而明显增加。     

不等跨连拱隧道施工全过程的有限元模拟

用同济曙光岩土及地下工程设计与施工分析软件(GeoFBA2D),对某高速公路不等跨连拱隧道的施工全过程进行有限元模拟。得出隧道围岩应力、围岩位移、初衬与二衬的接触压力、中墙内力随施工过程的变化规律。研究表明,大洞的拱顶最大拉应力是小洞的4倍,不等跨效应十分明显;小洞拱顶沉降明显分为三个阶段;小洞的初衬与二衬的接触压力要比大洞大;中墙内力随施工过程变化显著,但最终值很小。结论对隧道设计和施工具有科学指导意义。     

糯扎渡水电站1#导流隧洞三维非线性有限元开挖模拟分析

糯扎渡水电站1#导流隧洞开挖经过F3断层,开挖过程中,F3断层影响带附近的岩体力学参数直接控制着围岩的变形和应力分布。为了评判后续Ⅱ,Ⅲ层开挖围岩的稳定性,首先利用隧洞第Ⅰ层开挖的位移监测数据反演出F3断层附近围岩的岩体力学参数和初始地应力场;然后,利用反演得到的初始地应力场和岩体力学参数进行Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ层开挖模拟分析,得到了F3断层附近围岩的应力变形情况。计算结果表明：随着开挖的不断进行,隧洞F3断层周围岩体的约束逐渐解除,围岩的应力逐渐增大,隧洞周边的位移也不断增大,并且隧洞周围应力变形在F3断层中心区域有明显的错动现象,说明F3断层对隧洞的开挖影响比较大,有必要对此区域后期变形加强观测和分析。     

巷道开挖围岩能量释放与偏应力应变能生成的分析计算

巷道开挖,围岩能量释放,同时在围岩中产生偏应力。围岩应力是原岩应力与偏应力的叠加,偏应力或偏应力能控制岩体破坏。在静水压力 和岩体体积应变为0的条件下,利用文[1]在弹性、非线性软化本构模型导得的巷道围岩应力分布表达式,用重积分计算了围岩弹性区和软化区中的偏应力应变能 ,证明了 可以简捷地用地应力 关于巷壁位移 做一次积分再乘巷壁周长的途径来得到,阐述了该计算途径的原理。巷道开挖过程围岩释放的能量等于围岩压力 关于 的积分乘巷壁周长。由此,可通过 ~ 曲线、 ~ 曲线所围面积的几何形式,表示围岩偏应力能、围岩弹性能释放量随 变化的情况。所得研究结果可以深化围岩由于开挖产生的力学响应及挖成后围岩工况规律的认识。     

深部复合地层TBM开挖扰动模型试验研究

针对全断面隧道掘进机（TBM）开挖过程掌子面岩体软硬交替变化的特点,以兰州水源地建设工程为背景,采用模型试验与数值模拟方法研究了复合地层TBM开挖过程隧洞围岩的动态响应规律。通过开展相似配比试验配制了不同围岩强度比的复合地层岩体相似材料,运用光纤光栅技术全程捕捉了隧洞开挖过程复合地层应变演化规律,并分析了隧洞围岩的宏观破裂形态。模型试验结果表明：TBM推进过程中复合地层应变变化规律体现了掌子面推进的空间效应,软岩部分应变要大于硬岩部分应变,且随着开挖步数的增加两种岩层应变差值越大;隧洞内岩体完全挖除后,围岩宏观破裂形态表明因复合地层岩体物理力学性质的差异,上覆软岩变形破坏较为严重,破裂和变形较为显著,在软、硬岩层交界面出现“变形不协调”现象。选取工程沿线某洞段的地质力学参数,基于破坏接近度（FAI）指标评价了隧洞开挖过程中复合地层围岩的稳定性,数值结果表明：开挖过程软岩中FAI变化较为明显,塑性区和破坏区分布范围更广,而下部硬岩受开挖扰动影响较小,只有拱底小范围岩体进入破坏状态。模型试验和数值结果均说明交替变化的掌子面岩体在开挖过程中其围岩在变形破坏等规律方面存在明显差异,因此,TBM在复合地层施工可采取重点部位监测预警、提前采取相应措施等手段,减少或避免卡机事故的发生。该研究成果对于指导复合地层TBM施工具有一定的借鉴和指导意义。     

深埋长隧洞三维地质力学模型试验研究

为了评价深埋长隧洞围岩的稳定性和隧洞间距的合理性,本文采用三维地质力学模型试验技术,研究在高地应力、高外水压力作用下,隧洞围岩整体稳定性以及相邻洞室开挖的相互影响效应,并与三维弹塑性有限元数值计算结果进行对比验证,研究结果表明:地质力学模型试验成果和数值计算结果基本一致,两者得到的位移场、应力场、屈服区范围都基本吻合。在高地应力、高外水压力作用下,工程所在的Ⅲ类围岩隧洞是可以安全成洞的。采用超载法进行试验和计算可知,在Ⅲ类围岩中极限超载安全系数k＞1.3,开挖隧洞对洞周围岩的位移与应力影响区一般小于1倍洞径范围,隧洞的间距是合适的。     

深埋隧道地质构造发育段围岩压力的特点

以龙厦铁路象山特长隧道地质构造发育、埋深大于500 m段围岩压力及围岩变形的现场测试资料为依据,对大埋深隧道地质构造发育段围岩压力的特点、变形压力的形成机制等进行了研究。研究表明：大埋深隧道,结构面或褶曲、逆断层发育,但地下水不发育的地段,即使围岩强度较高,隧道开挖后仍可能出现较大的变形;围岩较大变形主要是由于在自重应力和残余构造应力作用下被挤密的结构面在隧道开挖后因侧向限制消除而张开、扩容引起的,受其影响,初期支护将受到较大的围岩变形压力。上述地段围岩压力具有下列特点：（1）地下水不发育区段的围岩压力比地下水发育区段的大;（2）隧道纵向发育向斜的区段,拱顶至拱腰段围岩压力最大,越趋向于向斜核部,拱顶围岩压力越大;（3）发育褶曲的断面,与褶曲轴线垂直方向的围岩压力较大;（4）发育逆断层的断面,与断层倾向相反侧的围岩压力较大,该侧断层面附近的围岩压力最大,对侧断层面附近的围岩压力最小;（5）下台阶的围岩压力比上台阶的小,两者的相对差随上、下台阶施工间隔时间的延长而增大。     

Probabilistic analysis of tunnel displacements based on correlative recognition of rock mass parameters

Displacement is vital in the evaluations of tunnel excavation processes,as well as in determining the postexcavation stability of surrounding rock masses.The prediction of tunnel displacement is a complex problem because of the uncertainties of rock mass properties.Meanwhile,the variation and the correlation relationship of geotechnical material properties have been gradually recognized by researchers in recent years.In this paper,a novel probabilistic method is proposed to estimate the uncertainties of rock mass properties and tunnel displacement,which integrated multivariate distribution function and a relevance vector machine(RVM).The multivariate distribution function is used to establish the probability model of related random variables.RVM is coupled with the numerical simulation methods to construct the nonlinear relationship between tunnel displacements and rock mass parameters,which avoided a large number of numerical simulations.Also,the residual rock mass parameters are taken into account to reflect the brittleness of deeply buried rock mass.Then,based on the proposed method,the uncertainty of displacement in a deep tunnel of CJPL-II laboratory are analyzed and compared with the in-situ measurements.It is found that the predicted tunnel displacements by the RVM model closely match with the measured ones.The correlations of parameters have significant impacts on the uncertainty results.The uncertainty of tunnel displacement decreases while the reliability of the tunnel increases with the increases of the negative correlations among rock mass parameters.When compared to the deterministic method,the proposed approach is more rational and scientific,and also conformed to rock engineering practices.