基于统一强度理论深埋圆形隧道围岩的剪胀分析

基于连续介质理论中岩体的剪胀角与围压和塑性剪切应变密切相关,隧洞周边岩体的应力状态因开挖卸荷而发生应力重分布,迫使其围压由原地应力逐渐衰减,塑性剪切应变不断增加,引起剪胀效应呈非线性变化。首先,基于统一强度理论和非关联流动法则,将潜在塑性区围岩按等围压释放划分为若干同心圆,提出了考虑中间主应力和非线性剪胀性的有限差分法,计算应变软化围岩的力学问题,并以实例验证其正确性。其次,通过参数分析,研究塑性区内岩体的剪胀角受中间主应力、临界软化系数和支护力的影响规律。研究结果表明,中间主应力主要影响剪胀角的峰值,随着中间主应力效应增加,剪胀峰值增加;临界软化系数主要影响剪胀角的变化率,随着临界软化系数的增加,剪胀角变化缓慢;中间主应力和临界软化系数共同影响塑性区剪胀角的变化;随着支护力的增加,洞壁处的剪胀角增加;双剪强度理论计算的位移值较小,应谨慎采用,同时采用Mohr-Coulomb强度准则时可以适当考虑围岩的承载潜力。     

考虑剪胀角的节理化岩体隧道开挖进尺优化研究

合理进尺的选取是影响隧道开挖施工安全和效率的关键问题之一。以杨家坪隧道现场监测数据为根据,通过ABAQUS软件开展数值试算确定了最接近实际隧道围岩的剪胀角,建立了考虑剪胀角影响的Mohr-Coulomb模型的隧道开挖数值模型,并按1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 m开挖进尺开展了计算,对开挖过程中隧道围岩的变形和力学响应规律进行了对比研究。结果显示,考虑剪胀角影响的数值模型计算结果的总体规律与实测结果一致性较好;有锚杆支护的情况下开挖进尺选择为3.0 m能较好地兼顾施工安全与效率,应注意控制距开挖面5.0 m范围内的拱顶变形。     

偏压隧道偏压应力比特征分析

偏压隧道是公路和铁路建设中经常遇到的隧道类型,由于其受力的不对称性及设计、施工的特殊性,一直是隧道施工研究的热点。以往针对偏压隧道的研究主要集中在偏压隧道的成因、围岩稳定性、应力应变分布规律及施工影响等方面,但缺少对偏压隧道偏压应力比以及公路、铁路设计规范给出条件的偏压应力比的研究,而且公路和铁路设计规范中给出的偏压隧道对应的坡面倾角和隧道埋置深度缺少相关理论来支撑。本文针对铁路双线隧道设计规范给出的临界坡度和覆盖层厚度条件,采用数值模拟的方法,求出地形偏压隧道对称位置的应力比值,定量分析了规范给定条件下偏压应力比的特征值。结果表明：在保证安全的前提下,当Ⅲ级围岩拱肩应力比大于7.45、Ⅳ（土）级围岩拱肩应力比大于2.23、Ⅳ（石）级围岩拱肩应力比大于3.34、Ⅴ级围岩拱肩处应力比大于1.06时,可将隧道考虑成偏压隧道,从而为定量判别偏压隧道提供理论依据。     

深埋圆形隧道弹塑性位移统一解及其比较分析

基于统一强度理论和非关联线性流动法则,考虑塑性区的真实弹性应变,推导了深埋圆形隧道弹塑性位移统一解。位移统一解合理地考虑了中间主应力效应和围岩剪胀特性的影响,具有广泛的理论意义。经与文献简化位移解析解比较分析知,围岩塑性区的弹性应变对隧道位移影响显著,简化解析解所得结果偏小,简化解析解和文中统一解之间的差异与中间主应力效应和围岩剪胀特性密切相关;考虑中间主应力的影响,能更加充分发挥围岩的强度潜能;隧道支护设计应考虑围岩剪胀特性的重要影响     

基于统一强度理论深埋圆形隧道围岩的剪胀分析

基于连续介质理论中岩体的剪胀角与围压和塑性剪切应变密切相关,隧洞周边岩体的应力状态因开挖卸荷而发生应力重分布,迫使其围压由原地应力逐渐衰减,塑性剪切应变不断增加,引起剪胀效应呈非线性变化。首先,基于统一强度理论和非关联流动法则,将潜在塑性区围岩按等围压释放划分为若干同心圆,提出了考虑中间主应力和非线性剪胀性的有限差分法,计算应变软化围岩的力学问题,并以实例验证其正确性。其次,通过参数分析,研究塑性区内岩体的剪胀角受中间主应力、临界软化系数和支护力的影响规律。研究结果表明,中间主应力主要影响剪胀角的峰值,随着中间主应力效应增加,剪胀峰值增加;临界软化系数主要影响剪胀角的变化率,随着临界软化系数的增加,剪胀角变化缓慢;中间主应力和临界软化系数共同影响塑性区剪胀角的变化;随着支护力的增加,洞壁处的剪胀角增加;双剪强度理论计算的位移值较小,谨慎采用,同时采用Mohr-Coulomb强度准则时可以适当考虑围岩的承载潜力。     

基于统一强度理论深埋圆形隧道围岩的剪胀分析

基于连续介质理论中岩体的剪胀角与围压和塑性剪切应变密切相关,隧洞周边岩体的应力状态因开挖卸荷而发生应力重分布,迫使其围压由原地应力逐渐衰减,塑性剪切应变不断增加,引起剪胀效应呈非线性变化。首先,基于统一强度理论和非关联流动法则,将潜在塑性区围岩按等围压释放划分为若干同心圆,提出了考虑中间主应力和非线性剪胀性的有限差分法,计算应变软化围岩的力学问题,并以实例验证其正确性。其次,通过参数分析,研究塑性区内岩体的剪胀角受中间主应力、临界软化系数和支护力的影响规律。研究结果表明,中间主应力主要影响剪胀角的峰值,随着中间主应力效应增加,剪胀峰值增加;临界软化系数主要影响剪胀角的变化率,随着临界软化系数的增加,剪胀角变化缓慢;中间主应力和临界软化系数共同影响塑性区剪胀角的变化;随着支护力的增加,洞壁处的剪胀角增加;双剪强度理论计算的位移值较小,谨慎采用,同时采用Mohr-Coulomb强度准则时可以适当考虑围岩的承载潜力。     

浅埋偏压软岩隧道数值模拟及方案比选

围岩的应力应变是分析隧道开挖中围岩稳定性的重要依据。目前比较成熟的隧道施工力学方法主要是对隧道开挖过程进行数值模拟。通过大型有限元软件ANSYS,计算了不同埋深、不同坡度角、不同覆盖层厚度条件下,马鞍形浅埋偏压软岩隧道围岩的应力应变,分析其规律并进行方案比选,确定了此类隧道比较合理的设计方案。分析结果表明：以2倍洞径的埋深作为偏压隧道深埋或浅埋的判断依据是合理的;在保证围岩稳定不发生片帮冒顶的前提下,减小埋深和覆盖层厚度是比较合理的;隧道内壁各点的应力应变规律可以为隧道开挖中支护结构参数的选取提供参考。     

考虑膨胀应力和剪胀的深埋隧道弹塑性解

基于湿度应力场理论,推导了考虑膨胀应力和剪胀特性的圆形隧道开挖后围岩力学响应的弹塑性解。将隧道软弱围岩遇水膨胀现象视为湿度-应力耦合过程,基于Fick第二定律,推导了圆形隧洞围岩内湿度扩散非稳态解。采用非关联流动法则,获得了隧道高膨胀势区的应力和位移解答。以两种不同质量岩体开挖的隧洞为例,分析了膨胀围岩应力和变形的影响因素。结果表明,考虑膨胀应力（取决于围岩含水率变化和湿度膨胀系数）时,塑性区扩大,松动圈厚度增加,应力收敛变慢。当膨胀应力增大到一定程度时,塑性区将出现拉应力区。膨胀岩隧洞开挖遇水作用,膨胀应力增加的围岩变形远大于地应力引起的围岩变形。同时,应力剪胀对膨胀性围岩的变形影响不容忽视,尤其是在支护抗力较小的情况下,洞壁处径向位移增加显著。     

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。     

偏压、错台小间距隧道施工位移场动态模拟分析

采用三维非线性有限元法,对偏压、错台的浅埋小间距隧道在不同开挖顺序下的动态施工过程进行了模拟。通过对位移场的分析,研究了其施工力学特性。由于两隧洞之间的相互影响,并行小间距隧道对围岩的扰动程度大于两独立隧道作用的叠加;相互影响对中间岩柱的作用最为明显,对洞周、地表影响相对较弱。两洞开挖顺序不同,最终位移场的分布规律相同,但量值上存在一定差异。研究给出了在偏压、错台情况下的两洞开挖的合理顺序。     

基于现场测试的大跨扁平连拱隧道最佳支护时机研究

大跨扁平连拱隧道由于其开挖跨度大和断面扁平等特点,施工过程中围岩与结构的受力、变形同四车道连拱隧道或分离式隧道存在较大的差异,相应地影响到二次衬砌的最佳支护时机。以某六车道连拱隧道为依托工程,探讨了以隧道位移释放比为基本指标的支护时机确定方法,并通过对围岩位移与不同支护时机条件下二次衬砌内力的现场测试与综合分析,依据“支护抗力最小”的原则,提出了大跨扁平连拱隧道二次衬砌最佳施作时机。     

考虑扩容的围岩局部破坏过程中声发射及能量释放的数值模拟

本文模拟了巷道开挖之后,围岩发生局部破坏过程中的声发射及能量释放的演变规律,其中考虑了围岩的峰后扩容特性。介绍了FLAC中扩容角的引入方法,对于剪切而言,仅第3塑性主应变的增量才与扩容角有关。阐述了统计声发射及能量释放的方法,前者仅统计事件的数目,而后者可以考虑事件的大小。研究发现,扩容角的增加会使巷道围岩中的剪破坏单元数及所释放的能量提高;会使V形坑变大、变钝、变深,这是由于第3主应力与剪切带之间的夹角增加的结果。解释了设置固定的抗拉强度,单元却发生拉伸软化及释放拉伸应变能的原因。从与能量释放有关的量的演变规律中一般能发现V形坑式破坏的前兆,而从声发射数上则不然,这反映了统计事件大小的优势。如果将扩容角置零,会低估围岩的破坏范围及释放的能量,但是对于巷道围岩的再次平衡却是有利的。     

公路隧道下穿3层采空区施工模型试验研究

隧道近接下穿3层倾斜采空区施工容易引起围岩松动范围叠加、增大,地层的非对称移动易使隧道结构受非对称荷载作用。采取室内模型试验模拟公路隧道下穿3层煤层采空区的开挖过程,通过埋设土压力盒、电阻应变片、地中位移计,测量隧道开挖过程中初期支护受力和地层位移。试验结果表明,一定范围倾角越小,隧道测试断面开挖过程中的采空区地层的沉降速率越大,时程曲线越陡,后期沉降值较大,扰动程度随地层与隧道距离的增加先增大后减小;一定倾角的采空区会使离采空区较远一侧的仰拱处土压力明显增大,结构设计时应予以加强;在15°～30°范围内,倾角对围岩压力的分布形态、量值影响不大,对钢拱架内力影响较大,倾角越大,初期支护偏心距越大。对于Ⅳ级围岩,双车道隧道近接（2 m）3层采空区地层施工时,建议先进行超前支护,再采用台阶法开挖,进尺不大于1 m,钢拱架间距不大于0.5 m。     

大断面小净距隧道围岩稳定性数值分析 大断面小净距隧道围岩稳定性数值分析

结合小净距隧道工程特点,分别建立不同跨度小净距隧道有限元计算模型,对隧道施工过程力学特征及围岩稳定性进行对比分析,以研究三车道大断面小净距隧道区别于两车道小净距隧道的基本力学特征。分析结果表明,对应不同隧道跨度、隧道净距和围岩级别对隧道施工过程中围岩稳定性的影响有显著差别,相同隧道净距条件下,三车道小净距隧道围岩应力状态比两车道隧道差,净距越小,差别越大,而围岩质量越低,差别也越显著;另外,在质量较差的围岩中,大断面小净距隧道围岩受力最薄弱部位主要集中在岩柱雁形部,而两车道小净距隧道则为岩柱中部。研究结果可为大断面小净距隧道的设计、施工提供有益的参考。     

汶川地震公路隧道普通段震害分析及震害机制研究

在汶川地震中隧道普通段出现了严重的震害,为了提高高烈度地震区隧道普通段的抗震性能,通过统计分析汶川地震公路隧道普通段震害调查资料,对隧道普通段进行了震害分析。结果表明,隧道普通段震害主要发生在软岩均一段、软硬围岩交接段软岩部分以及围岩缺陷段。通过三维有限差分数值模拟和现场典型震害分析,研究了公路隧道普通段的震害机制,探明了围岩均一普通段隧道震害机制,即硬岩隧道普通段基本无震害,软岩隧道普通段震害较严重,衬砌结构受地震惯性力影响较大,强制位移次之;探明了围岩软硬交接普通段隧道震害机制,即震害主要发生在软硬围岩交接段软岩部分,震害的主要影响因素为强制位移,地震惯性力次之;探明了围岩缺陷普通段隧道震害机制,即震害主要由地震惯性力造成强制位移影响很小。研究成果可为高烈度地震区公路隧道普通段的抗震设防提供参考。     

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。     

基于非完整拱效应的软岩隧道掌子面变形及其控制研究

为研究大断面软岩隧道掌子面变形规律及控制方法,基于新意法及非完整拱效应理论对雷公山隧道构造破碎区域掌子面大变形失稳机理进行分析,基于GSI围岩评级系统获得隧道围岩的力学参数,通过FLAC3D构建隧道三维数值模型,进行系列工况试验,研究隧道在非完整拱部效应时掌子面挤出位移及预收敛位移的变化特征,分析隧道掌子面预约束及预加固措施对大断面软岩隧道稳定性的影响。结果表明,掌子面处的挤出位移均在内轮廓中心处达到最大,并呈环形逐渐向外减小,超前核心土预加固在掌子面中心处对挤出位移及预收敛位移影响最为明显;隧道开挖在掌子面纵向造成的扰动范围约为1.2倍洞跨,在掌子面径向造成的扰动大约为1.5倍洞跨;根据计算结果提出掌子面加固措施,通过对隧道预收敛变形及挤出变形的监测分析,验证支护方案的可靠性,提出的掌子面预约束及预加固措施对大断面软岩隧道施工具一定的借鉴意义。     

基于静力推覆试验的山岭隧道衬砌-地层相互作用机制研究

随着我国交通强国建设向西部丘陵重山地区推进,地震作用下山岭隧道衬砌与地层的相互作用机制愈发受到关注。以常规二车道公路隧道(V级围岩段)为原型,开展山岭隧道静力推覆模型试验,重点分析地层位移、地层应变、围岩压力随推覆距离的变化规律,探讨了衬砌-地层相互作用机制。试验结果表明：衬砌-地层相互作用可分为挤密、倾覆、裹挟3个阶段。倾覆阶段地层以起拱线为支点环向绕流,裹挟阶段地层带动衬砌发生整体位移。起拱附近线地层以径向挤压为主,形成挤压变形区,拱肩附近地层则以环向挤压为主,形成滑移变形区。左右两侧围岩压力的响应规律恰好相反,即右侧挤压区的围岩压力较左侧大,而右侧滑移区的围岩压力较左侧小。研究成果可为基于反应位移法的山岭隧道抗震计算提供试验依据与技术支撑。     

基于现场位移监测数据统计分析的隧道 围岩稳定性研究

在隧道施工过程中,位移监测数据常作为现场判定围岩稳定性的最重要依据,很多时候甚至是惟一的依据。但是,在我国的隧道设计过程中,目前还没有建立基于位移的隧道围岩稳定性判别基准,主要原因是不同岩性、不同地质环境下,围岩的位移差距可能很大。此外,洞形、跨度、埋深等因素都可能会影响围岩位移的大小。不过,通过对现场的监测位移数据进行统计分析表明,在一般围岩条件下,对于同一级别的围岩,其相对位移值分布在相对较窄的范围内,而对不同级别的围岩,其相对位移值则有较为明显的差异。基于这一特性,可针对不同级别的围岩,通过现场位移监测数据进行统计分析方法建立围岩稳定性的判别基准,并作为围岩分级的基本依据。随着以新奥法和控制围岩变形为主旨思想的矿山法在高速铁 路、高速公路隧道的大量应用,这种基于相对位移的围岩判别标准及分级方法将隧道设计更加符合当前的隧道施工技术水 平。     

松散堆积体隧道围岩变形破坏细观特征研究

隧道穿越复杂松散堆积体地层时,如何确保隧道施工过程的安全是工程人员普遍关心的课题。依托云南省罗打拉隧道,基于Monte Carlo随机原理,结合数字图像处理技术,建立了考虑接触面单元及抗拉强度的堆积体地层隧道开挖细观结构模型,并探讨了隧道开挖引起的堆积体围岩变形、破坏过程以及失稳机制,并在现场进行应用验证。研究结果表明,构建的堆积体地层隧道开挖细观结构模型可有效反映隧道开挖过程中围岩的破坏过程,围岩位移等值线呈波动性与非对称性分布;围岩破坏以剪切破坏为主,局部存在拉裂?剪切复合破坏,且破坏区由边缘块石尖端向深层逐步扩展,形成包裹块石的剪切楔形区及拉剪松动圈,在施工扰动下易发生局部失稳。针对堆积体地层破坏特征,提出了围岩注浆加固措施,地层加固后土石颗粒间胶结良好,开挖轮廓周边形成有效的注浆加固圈,开挖支护过程围岩变形可控,支护结构稳定,效果良好,可为后续类似松散堆积体地层隧道的设计、施工提供新思路。