深埋隧洞力学响应监测与测试设计的思考

深埋隧洞工程越来越多,但相关工程经验积累不足,设计和计算方法远未成熟,深埋隧洞工程设计和施工安全控制需要大量现场监测和测试数据的支撑,而现有的监测和测试设计方法均针对浅埋工程的特点提出,在深埋隧洞施工过程中应用时遭遇到极大挑战。为此,首先依据现场揭露现象和多种先进观测技术获得的成果,分析了深埋硬岩隧洞施工期围岩的开挖力学响应特征和运行期衬砌的力学响应特征,剖析了现今主流观测方法存在的问题,提出了6条关于深埋隧洞典型断面监测和测试设计的建议,为促进此类工程相关设计方法的完善提供参考。     

正交各向异性岩体中非圆形水工隧洞的解析解

将围岩和衬砌分别视作均质、连续的线弹性正交各向异性和各向同性体,并充分考虑衬砌的支护滞后效应和隧洞运行时的内水压力作用,运用复变函数方法中的幂级数解法,提出了正交各向异性岩体中任意形状水工隧洞的力学解析方法。以直墙半圆拱形水工隧洞为例,所获得的解析解可精确满足衬砌内边界的应力边界条件以及围岩与衬砌接触面的应力、位移连续条件,同时还将解析结果与ANSYS数值结果对比分析,吻合良好。利用获得的解析解,讨论了围岩开挖面上不同的各向异性程度、不同的弹性对称面角度以及隧洞内不同的水压荷载对衬砌以及围岩上应力和位移分布的影响。     

横观各向同性岩体中马蹄形隧洞的位移反分析方法

将各向异性岩体中任意形状隧洞的位移解析解与智能算法--差分进化法（DE）结合,研究横观各向同性岩体中在各向异性面上开挖马蹄形隧洞的位移反分析问题,获得关于参数灵敏度、参数可惟一辨识性和测线布置方案的有关结论。计算发现,通过DE算法可获得很高精度的参数辨识结果;参数的可惟一辨识性不仅与灵敏度有关,还与具体的参数组合形式有关,在给定竖向地应力和各向同性面角度的情况下最多可以高精度惟一辨识5个参数;当待辨识参数的个数大于等于4时会产生不可完全高精度惟一辨识的参数组合,当待辨识参数的个数小于等于3时,任意的参数组合形式均可以被高精度惟一辨识。     

基于模糊综合评判的护盾式TBM施工围岩稳定性分类

针对传统分类方法难以对围岩稳定性进行评价的问题,以护盾式全断面隧掘进机（TBM）施工隧洞的围岩稳定性评价为目标,在研究护盾式TBM施工特点的基础上,参照国内、外常用的围岩分类方法,选择了岩石的回弹值、刀盘推力、刀盘扭矩、片状岩渣含量、地下水渗流量和最大主应力与洞轴线的夹角作为围岩稳定性评判因素。采用模糊综合评判方法,建立围岩稳定性多因素评判模型,通过确定评判因素的权重向量选取隶属函数,进而对围岩稳定性进行定量评判,并将之应用到某工程双护盾TBM施工的围岩稳定性评判中。结果表明：序号1、2、3和4洞段对应的较稳定、较稳定、局部稳定性差和不稳定的最大隶属度分别为0.494、0.403、0.388、0.442,分别对应Ⅱ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ类围岩;模糊综合评判方法合理,评判结果较为可靠。研究成果对护盾式TBM施工的围岩稳定性评价、围岩分类及支护方式选择等具有参考价值。     

基于收敛-约束法的隧洞纵向变形演化规律研究与支护时机估算

依托某供水工程输水隧洞建立三维数值模型,采用有限差分法和Mohr-Coulomb屈服准则进行施工开挖过程的数值模拟,研究不同围岩条件下隧洞支护时机的估算。首先,基于收敛-约束法进行隧洞开挖推进过程中的变形规律研究,分析监测断面的围岩变形特征,研究发现围岩位移的收敛规律与围岩质量相关,提出隧洞纵向变形曲线的修正公式。然后,采用一步挖穿分期释放的模拟方法,研究监测断面位移随开挖荷载释放的变化规律,以相同的位移释放系数为出发点,构建,开挖面推进距离与荷载释放率之间的关系,并将对应的围岩位移陡增点作为施加支护的推荐时机,得出不同围岩条件下施加支护与开挖面之间的控制距离。研究结果表明,提出的纵向变形公式相关参数确定过程简单,拟合效果良好,推荐的支护与开挖面之间的控制距离符合工程实际规律。     

深埋隧洞钻爆开挖围岩振动频率特性研究

针对深埋圆形隧洞全断面毫秒延迟钻爆开挖,通过建立开挖面上地应力瞬态卸荷与爆炸荷载激发围岩振动的理论计算模型,并结合实测振动信号分析,研究了影响围岩振动频率的因素及其频谱特性。研究结果表明,瞬态卸荷持续时间、爆炸荷载上升时间和开挖面大小是影响深埋隧洞钻爆开挖围岩振动频率的主要因素;在爆源近区围岩振动以爆炸荷载作用为主,但爆炸荷载上升时间远小于瞬态卸荷持续时间,由此导致爆炸荷载激发振动的频率高,其质点峰值振动速度衰减快,在中远区地应力瞬态卸荷可成为引起围岩振动的主要因素;瞬态卸荷与爆炸荷载共同作用产生的振动具有两个优势频带,其低频成分主要由瞬态卸荷引起,而高频成分主要由爆炸荷载引起。     

闸下变动水位的船闸输水水力学计算

为解决强潮海域闸下潮位变化剧烈的船闸输水系统水力学计算问题,以现有规范为基础,从输水计算原理出发,推导了变动水位条件下的输水水力学计算方法,应用该方法计算分析了变动水位对三堡船闸安保工程输水的影响,并对闸室面积、初始水头、闸外落潮速度等因素进行敏感性计算分析。结果表明,采用该方法计算得到变动水位条件下输水时间缩短,最大流量、最大比能也小于取初始恒定水位的计算成果,结果更符合强潮海域船闸实际输水过程,为类似条件船闸输水水力学计算提供了一种技术、经济合理可行的计算方法。     

南水北调中线工程典型倒虹吸进口上游垂向流速分布

倒虹吸是输水工程中常见的水工建筑物,研究倒虹吸进口上游的垂向流速分布是明晰其水力学性能的重要内容之一。以南水北调中线工程典型的唐河倒虹吸为研究对象,通过水力学概化模型试验,运用声学多普勒流速仪,实测不同水深和流量组合工况下倒虹吸进口上游的垂向流速分布。试验结果表明,受倒虹吸进口结构的影响,上游垂向流速分布呈现出明显的顶部流速降低和底部流速增加的现象,且淹没度越大、距离倒虹吸进口越近,上述趋势越显著;采用明渠对数型流速分布描述上述垂向流速分布时,其计算误差呈抛物线型分布,采用指数项修正后,新的修正公式可用于计算倒虹吸进口上游垂向流速分布。     

水库输水隧洞施工爆破振动对大坝安全影响监测及分析

阐述柏峰水库除险加固工程主坝输水隧洞施工爆破振动对大坝安全影响。选择有代表性的几个部位,采用原位质点振动速度测试的方法对整个施工期间爆破振动对大坝安全影响进行全过程监测与分析。对实测结果分析表明,爆破振动对大坝安全未产生明显的危害。监测成果可为工程爆破振动安全评价提供科学依据。     

引洮供水总干渠增湿黄土隧洞的动力特性分析

为了得到增湿后黄土围岩隧洞在地震作用下的动力特性, 基于初始弹性模量和抗剪强度指标与含水量的关系, 采用时程分析法, 对增湿情况下的黄土围岩-隧洞结构进行地震动力分析. 数值计算结果表明: 随着含水量的增加, 隧洞衬砌各部位主应力绝对值减小, 自振圆频率减小, 自振周期相应增大; 与输入的地震加速度峰值相比, 当黄土隧洞围岩含水量小于临界含水量时, 隧洞顶部加速度峰值大于输入地震加速度峰值, 大于临界含水量时则出现相反的结果; 同一含水量下, 隧洞衬砌对称部位最大、 最小主应力交替出现, 使隧洞衬砌材料发生疲劳损伤, 是隧洞衬砌破坏的主要原因. 本文研究结果可以为在不同含水量情况下黄土围岩-隧洞结构的抗震分析提供参考.