强风化花岗岩弹塑性本构模型研究(Ⅱ):工程应用

根据文献[1]优化反演得到隧址处强风化围岩应变硬化弹塑性本构模型的计算参数,通过数值仿真研究CRD法、双侧壁法和台阶法3种工法时围岩与支护结构的受力变形情况,结果表明,CRD法为最优工法。在此基础上,根据翔安隧道左线ZK8+257～ZK8+307段的现场实际施工情况,建立三维模型动态模拟隧道CRD法开挖支护全过程,并将计算的变形位移与现场实测数据进行对比分析。研究表明：提出的弹塑性硬化本构模型及其数值仿真技术可较好地反映强风化花岗岩隧道开挖过程中的变形和破坏规律。其研究成果可为衬砌结构设计以及国内同类型隧道的施工和衬砌支护技术设计提供可靠指导。     

正削式隧道门围岩和衬砌应力计算及设计方法研究

对无明显墙式结构的正削式隧道门,现行规范没有现成的设计方法及结构检算模式。采用三维有限元数值分析方法,针对两种在洞口段的不同施工方法（明挖工法和暗挖工法）,对隧道门洞口段的力学特性及设计方法进行了研究。研究结果表明：洞口段长度取42 m进行整体设计比较合理;在洞口28 m范围内的浅埋段,拱顶围岩压力随着埋深的增大而逐渐增加,且暗挖工法产生的围岩压力最大,铁路规范计算结果次之,明挖工法产生的压力最小;采用明挖工法施工时,在纵向上,洞口段42 m范围内衬砌拱顶表现出纵梁弯曲特征,部分仰拱处于弯拉状态,内力呈空间效应,均需要对横、纵向内力进行结构检算;采用暗挖工法施工时,只需进行横向内力检算即可。在成洞条件允许的情况下,建议使用暗挖工法进行隧道洞口段施工,可有效改善隧道洞口段结构受力。     

城市地下软弱围岩超大断面隧道施工工法

如何保障超大断面隧道的稳定性是当前国内外地下工程亟需解决的技术难题,而超大断面隧道在穿过软弱围岩地带时更容易发生变形失稳破坏等现象.选择合理的开挖工法对隧道施工时的安全性以及围岩的支护控制效果都具有重要意义.以深圳侨城东路北延通道工程东路隧道标准段为研究背景,针对超大断面隧道、地质条件复杂、围岩多为Ⅳ至Ⅴ级的复杂特征,通过原位钻探和室内岩石物理力学实验,获得隧道围岩关键参数,分析隧道围岩大变形机理;利用FLAC3 D数值模拟软件建立隧道模型,模拟全断面法、CRD法、三台阶法和三台阶七步预留核心土法4种不同开挖工法对隧道软弱围岩稳定性的影响;通过揭示其位移应力变化规律,结合室内相似比物理模型试验结果,总结大跨度隧道围岩的应变特征.研究表明:三台阶七步开挖法为侨城东路隧道标准段的最优开挖工法.     

地裂缝场地地铁隧道施工C RD工法优化研究

以西安地铁6号线区间隧道浅埋暗挖施工穿越地裂缝场地为研究工程背景,考虑地裂缝场地的特殊性构建了基于传统CRD工法的施工优化工法,并对传统CRD工法和优化CRD工法施工开挖过程进行了三维动态的有限元数值模拟,结合现场监测试验数据,对比分析了两种工法下地裂缝场地地表沉降变形规律和地铁隧道受力变形特征。结果表明:两种CRD工法下地表沉降变形均呈反S型,大致可分为开挖前微小变形、开挖时急剧下沉变形及开挖后平稳变形等3个阶段;与掌子面距离越近,地面沉降速率越大;与传统CRD工法相比,优化CRD工法通过适当增加锁脚、锁腰锚杆数量,提高初支喷混强度,达到简化临时支护、扩大下台阶施工面、方便临时支护施作拆除和提升初支闭合、临时中隔壁拆除速度的目的,整体施工速度提升1.37倍,地表最大沉降量降低52.96%,影响范围减少22.17%,隧道拱顶最大沉降量降低54.53%;优化CRD工法具有施工速度快、影响范围小以及地表与结构沉降控制好等优点,不仅可以提高工程效益,而且可以保障施工安全性和隧道建成使用的可靠性。研究结果可为西安市及其他地裂缝发育区地裂缝场地地铁隧道暗挖施工提供科学参考和借鉴。     

CRD法开挖对海底隧道结构内力及安全系数影响

翔安隧道是我国第一条大跨度公路海底隧道,其两端陆域段位于富水的强风化岩层中,地质条件极为复杂,设计采用分部开挖法施工,并在隧道施工期间,利用振弦式钢筋计对隧道初期支护及临时支护的钢支撑进行了应力监控。论文基于现场监测数据,并结合数值方法,分别对CRD1、CRD2部和CRD1、CRD3部超前的两种不同开挖顺序对隧道支护结构内力的影响进行了探讨。研究结果表明,采用CRD1、CRD2部超前开挖时的结构内力要略大于采用CRD1、CRD3部超前开挖时的结果,CRD3部的开挖对结构内力的影响较大,两种开挖顺序的安全系数都满足规范要求,所以结构是安全的。     

隧道开挖对下伏水平薄煤层采空区地层的扰动及衬砌受荷特征

为探明下伏薄煤层采空区地层中隧道施工对地层的扰动以及衬砌结构受荷特性,采用离散元颗粒流软件,从细观角度对隧道开挖引起的地层应力变化特性进行了模拟分析,同时在室内开展模型试验量测了下伏煤层采空区地层隧道衬砌背后土压力以及二次衬砌结构内力（轴力、弯矩）,分析了特定围压下间距对土压力和二次衬砌受力的影响。结果表明,下伏煤层采空区地层因隧道开挖引起的围岩松动区呈“O”形分布,隧道下伏围岩颗粒接触力反而小于隧道上覆围岩;洞周允许位移越大,颗粒接触力链间断区域越大;间距越小,颗粒接触力链间断区域越大,当间距大于2.0D（D为隧道跨度）时,下伏采空区对隧道围岩颗粒接触力影响逐渐消失,降低了地基反力,间距越小,降低程度越高;二次衬砌内力分布有一定的离散性,二次衬砌裂缝最先出现在拱底,是隧道主体结构的薄弱环节。     

谈浅埋土质隧道暗挖法施工

根据新奥法隧道施工理论,结合杭州市象山隧道施工的实例,扼要地介绍了浅埋土质隧道(暗挖法)施工的CRD工法,全面阐述了浅埋土质隧道CRD工法的施工要点。     

隧道施工数值模拟及衬砌强度安全系数分析

以某隧道为背景 ,采用二维弹塑性有限元分析方法 ,模拟隧道开挖和支护过程 ,计算衬砌和围岩内力及衬砌的强度安全系数 ,研究衬砌厚度变化对其安全系数和结构稳定性的影响 ,探讨最小衬砌安全厚度 ,为类似隧道设计施工提供科学依据     

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。     

隧道衬砌随机分析的区间有限元法

隧道衬砌结构内力计算中,围岩的力学参数和结构的参数具有不确定性,同时,其不确定性是有界的。对于这些参数的不确定性,在工程上可以用一个合理的区间数值来估计。对于单个随机变量,可以采用有限元方程来求解结构内力;而对于多个随机变量的情况,考虑到计算模型的不确定性和数学求解的复杂性,利用有限元程序来导出各变量对结构内力的作用效应,进而得到不同参数组合的区间值,最终确定隧道衬砌的结构内力区间值,为隧道衬砌结构内力的计算和工程应用提供一种新方法。     

节理岩体中双向八车道小净距隧道施工方案优化分析

结合福州国际机场高速公路2期工程魁岐2号双洞八车道特大断面小净距隧道工程,建立了离散元数值模拟分析模型,针对节理岩体中特大断面小净距隧道施工方案进行了优化分析。分别研究了双侧壁导坑法、CRD法和CD法3种施工方案下隧道拱顶下沉、中间岩柱水平位移、围岩水平位移和围岩塑性区的变化规律。基于研究成果,并结合魁岐2号特大断面小净距隧道现场实际情况,在该隧道进口Ⅴ级围岩段,将双侧壁导坑法变更为CRD法,顺利完成了施工,此施工方案的变更对降低施工成本、加快施工进度、缩短施工工期均起到了较好的作用。研究结果可为类似条件下特大断面小净距隧道的设计、施工提供借鉴与参考。     

海底隧道围岩位移全曲线研究

限于施工现场条件,目前的隧道量测位移均是隧道实际位移的一部分,而隧道量测全位移则少有研究。以厦门海底隧道工程为依托,对隧道开挖各部拱顶下沉监测数据进行了回归分析,得出了海底隧道CRD1和CRD3部拱顶下沉未监测到位移的第1部分Y1。采用三维有限差分程序研究海底隧道各部位移全曲线,得出了掌子面到达研究断面前发生位移所占比例。根据实测资料得出海底隧道CRD1部和CRD3部拱顶下沉未监测到的位移第2部分Y0。将Y0和Y1与实测部分Ym相加,即得到隧道位移全曲线。     

数值流形元中水压力与开挖作用的模拟方法研究

水是影响岩土工程安全性的活跃因素,开挖是岩土工程中常见的工程作用,作为一种较新的数值方法,数值流形方法在这两方面的研究仍然较少,影响了数值流形方法在实际工程中的应用。针对结构面可能承受三种不同类型的水压力作用,分别给出了相应的计算公式以计算水压力对岩体结构的影响。数值方法中常删除开挖区域块体和单元的做法模拟开挖,这种处理方法易于描述且物理意义明确,相应的算例表明将它引入数值流形方法之后,数值流形方法能够合理地模拟开挖后的围岩变形,扩展了数值流形方法的应用范围并为更深入研究流形方法奠定了基础。     

水文地质计算中的有限单元和边界单元交连耦合法

 本文提出的有限单元和边界单元交连耦合法(CFEBEM)可作为地下水流场和水文地质参数正反演计算的有效工具。该方法改进了Liggett(1983)的代入耦合法,通过内边界节点组和交连方程,实现有限单元和边界单元的多区耦合。CFEBEM方法发挥了有限单元和边界单元各自的特长,具有单元区划分灵活、方程组装简便和计算精度高等特点,可有效地解决结构复杂含水层及大型密集抽水条件下的流场计算和水文地质参数反演。在太原岩溶地下水资源评价和合理开发研究中的应用,证明了这种方法的有效性。     

大断面海底隧道CRD法绝对位移控制基准建立及应用研究

隧道位移控制基准的建立是确保隧道安全施工的一项重要内容。以厦门－翔安海底隧道陆域浅埋暗挖段CRD法施工为工程背景,陆域浅埋段总长约2 525 m,主要穿越全、强风化花岗岩地带,含水率高、自稳能力差。依据全站仪非接触量测获得初期支护三维绝对位移分布规律,确定三维绝对位移基准控制指标,同时对86个围岩位移监测断面的监测数据进行变形正常断面和变形异常或险情断面的位移量统计分析,最终确定CRD法（center cross diaphragm method,交叉中隔壁法）三维绝对位移控制基准。研究结果表明,将CRD1、CRD3部拱顶竖直位移和上中隔墙、下中隔墙水平位移作为CRD法位移控制指标;CRD1部和CRD3部拱顶下沉极限位移分别为200 mm和130 mm;CRD3部拱顶竖直位移约为CRD1部的0.5～1倍;上中隔墙水平极限位移约为100 mm,下中隔墙水平极限位移约为15 mm。通过现场97个断面应用,共发现58次异常和险情,由于发现及时,处置有力,保证了施工安全。     

平行小净距盾构与CRD法黄土地铁隧道施工力学研究

西安轨道交通工程是目前首例在我国黄土地区修建的地铁隧道,一号线枣园北路站至汉城路站K12+792.744～K12+889.899区间隧道为同时满足双线正常行车和右线停车线扩大断面的功能需要,选取了左线小断面隧道为盾构法与右线大断面隧道为CRD法相结合的施工方案。针对该地铁隧道的施工过程,进行了三维动态数值模拟和施工力学分析,通过分析施工引起的地表变形、中间土体应力和围岩塑性区的特征和规律,从而研究得出CRD法与盾构法隧道先后施工相互影响的规律性成果：先行大断面隧道采取CRD法施工对后行小断面盾构隧道上方地表沉降的影响较后者对前者的影响大;后行隧道的贯通使得先行隧道开挖形成的地表变形轴线向后行隧道侧偏移了约0.5倍净距,并且地表变形的横向影响范围和地表沉降量均有增大,主要表现在靠后行隧道一侧;先行大断面隧道的开挖较后者对中间土体应力影响大,对相邻洞土体的影响在同掌子面处最为显著。结合西安地铁隧道工程实践开展的数值模拟分析研究,可为今后在黄土地区修建地铁隧道提供具有指导意义的研究成果和宝贵的工程实践经验。     

矿物热膨胀系数计算的修正Ruffa法及其应用

对矿物热膨胀系数计算的Ruffa法进行了详细的评估和修正，提出了矿物热膨胀系数计算的修正Ruffa法；用Ruffa法、修正Ruffa法对若干种结构类型的矿物的热膨胀系数进行了计算并与实验结果进行对比，结果表明修正Ruffa法比Ruffa法具有更高的精度和更广的适用范围。     

岩溶围岩分级初步探讨

岩溶隧道施工中多处遇各种形态岩溶,通常应根据开挖情况对原设计围岩级别作调整,从而提出岩溶围岩级别划分问题。对岩溶围岩级别的几个基本概念进行解释,提出以岩溶发育程度修正系数为核心的岩溶围岩分级模型和建议标准,以武隆隧道横洞段为例进行应用探讨。实践证明,本方法分级结果与隧道施工实际基本相符。本方法因考虑了岩溶发育的可能性及岩溶形态等综合因素,是原分级方法基础上针对岩溶围岩的修正,其分级结果比较接近施工实际,但尚需大量工程实践验证。