大埋深引水隧洞穿越断裂带围岩变形规律研究

断裂带是深埋隧洞开挖过程中常见的不良地质现象。以滇中引水工程香炉山隧洞为工程背景,通过建立隧洞穿越断裂带的开挖数值模型,研究了隧洞拱顶、拱底、拱腰两侧的围岩变形规律,进一步分析了隧洞在穿越不同断裂带宽度、倾角、走向以及不同隧洞埋深工况下对围岩变形的影响。研究表明,由于断裂带区域的存在,围岩的垂直位移和水平位移发生了明显的改变,越靠近断裂带核心区域,隧洞拱顶、拱底和拱腰两侧围岩的变形越大,在断裂带中心区域附近围岩的变形达到最大值;围岩的垂直位移和水平位移随着断裂带宽度和隧洞埋深的增大而增大,随着断裂带倾角的增大而减小;断裂带走向的变化对围岩的垂直位移和水平位移影响较小。对于拱顶沉降,其综合因素影响程度从小到大依次为断裂带走向、断裂带倾角、断裂带宽度、隧洞埋深。     

基于离散-连续耦合方法的隧道压力拱特性研究

隧道压力拱问题一直是隧道工程研究的关键问题,目前常用的连续介质数值模拟方法对于隧道压力拱特性的微观研究有所欠缺,而擅长微观力学研究的离散元数值模拟方法对计算机存储空间和计算时间的要求太高。基于现有离散-连续耦合思路,通过力的传递实现离散-连续模型的耦合;研究了耦合算法中的平均应力计算方法、平均应力计算区域面积及耦合程序遍历颗粒方法;基于自行开发优化的离散-连续耦合程序,模拟了隧道开挖后的围岩受力特性,研究了隧道压力拱形成机理及压力拱特性;计算了埋深分别为10 m,14 m,18 m,22 m,26 m,30 m和34 m情况下的隧道开挖产生的压力拱应力集中等效区域,揭示了隧道压力拱随着隧道埋深的变化规律。研究结果表明,自行开发优化的离散-连续耦合程序能在保证计算精度的前提下,充分发挥离散元方法在微观力学研究方面的优势;隧道开挖后,开挖面周边范围出现层状压力环,但在拱顶和仰拱底附近区域的围岩压力环的环间接触力降低,围岩承载能力急剧降低,形成压力拱;随着隧道埋深的增加,隧道压力拱应力集中等效区域减小,隧道周边围岩的压力拱承载能力越来越大;但当隧道埋深达到一定界限后,隧道压力拱高度趋于稳定。     

小间距隧道爆破开挖动力效应数值模拟研究

从爆破施工的特点入手，对小间距隧道在采用典型双侧导坑法时的爆破施工动力效应进行了数值模拟研究，给出了爆破施工在已有洞室周边产生的动力效应的一般规律，指出在爆破（后开挖洞室）开挖影响区以内，合理确定已有洞室二次衬砌施作时间的重要性，并给出了爆破施工对已有洞室稳定性影响较大的关键开挖位置。研究表明，爆破动载荷对小间距隧道围岩稳定性的影响主要表现为爆炸应力波造成围岩临空面的反射拉伸破坏，破坏较严重的是已有洞室的迎爆墙、拱脚、拱顶等部位。所得结论对小间距隧道爆破施工有一定的参考价值。     

圆宝山隧道炭质板岩大变形段初期支护结构受力特性研究

为了准确掌握丽香铁路圆宝山隧道炭质板岩大变形段初期支护结构受力特性,结合深埋炭质板岩隧道大变形特点,通过调查分析发现炭质板岩具有显著的各向异性特征,在地下水、高地应力及施工扰动等复杂因素作用下表现出显著的蠕变特性,从而导致隧道发生大变形。同时,对圆宝山隧道展开围岩变形及初期支护受力监测,监测结果表明,薄层炭质板岩段围岩的变形速率、变形量整体上较中厚层炭质板岩段围岩大,且达到稳定所需的时间更长;围岩压力与钢拱架应力基本呈从拱顶到拱脚减小的趋势,且围岩压力最大值出现在拱肩,而钢拱架应力最大值分布位置不固定,常见分布位置为两侧拱墙上下,这与钢拱架因发生扭曲而设置横支撑基本吻合;变更支护参数后,围岩的时效特性有明显改善,尤以薄层炭质板岩段围岩最为明显,同时围岩压力分布更加均匀,钢拱架出现拉应力现象不再集中。基于上述研究成果,选择I18型工字钢焊制钢架、设置间距为0.6m、喷射厚为27cm的C25混凝土作为初期支护,同时采用"弱爆破、短进尺"的掘进方式,以达到控制深埋炭质板岩隧道围岩变形的目的。     

浅埋双连拱隧道围岩——边坡体系变形机理及稳定性分析

双连拱隧道是一种新的隧道形式, 由于其整体跨度大、结构复杂、施工工序繁琐, 在地形偏压、地质条件复杂的情况下修建双连拱隧道难度较高, 尤其在洞口段容易出现衬砌开裂、边坡变形等一系列工程问题。结合安徽铜黄高速公路汤屯段富溪隧道进口段工程, 采用地质条件研究与数值模拟分析相结合的研究手段, 对复杂地质条件下偏压双连拱隧道围岩① 边坡体系在施工过程中应力应变发展过程进行了研究。综合分析表明, 富溪隧道进口段处于F5断层影响带内, 岩体呈碎裂结构,同时, 受到地形偏压影响, 隧道开挖后衬砌和围岩表现为沉降变形和侧向变形, 进口边坡在隧道围岩变形的诱导下, 表现为“蠕滑- 拉裂”变形破裂。根据以上研究成果, 提出了富溪隧道变形治理应以控制进口段隧道拱顶的变形为主。     

寒区非圆形隧道冻胀力的解析解

利用复变函数相应理论引入一种求解考虑衬砌结构的季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形的方法.方法克服了隧道断面形状为非圆形状并且同时考虑非圆形隧道支护、冻胀圈、未冻围岩时,经典的复变函数理论不能直接应用求解非圆形隧道应力和位移的问题.方法通过将经典复变函数理论与连续性条件结合,导出了非圆形隧道衬砌-冻胀圈-未冻围岩系统在正交曲线坐标系ζ平面内的解析式,然后通过保角变换求得直角坐标系Z平面上考虑衬砌支护的寒区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形.将推导的解析式应用于鹧鸪山隧道洞口段研究中,得到鹧鸪山隧道洞口段冻胀应力和冻胀位移解析解,并将解析解与数值解进行对比,验证解析解的正确性.由结果可知:围岩冻胀力对衬砌影响明显,在拱顶、拱脚、拱底处因冻胀造成的环向附加应力显著增大;在拱脚及两侧拱肩处会受到较大的法向附加应力;由于衬砌几何形状的原因,造成了衬砌冻胀变形的不均匀,进而造成冻胀力分布不均.应用复变函数理论将冻胀圈考虑为马蹄形、直墙拱形等非圆形状较以往将冻胀圈考虑为单一圆环的冻胀力研究更符合实际,较以往研究更能反映实际工况.研究结果为季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力的弹塑性分析奠定了基础.     

寒区非圆形隧道冻胀力的解析解

利用复变函数相应理论引入一种求解考虑衬砌结构的季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形的方法. 方法克服了隧道断面形状为非圆形状并且同时考虑非圆形隧道支护、冻胀圈、未冻围岩时, 经典的复变函数理论不能直接应用求解非圆形隧道应力和位移的问题. 方法通过将经典复变函数理论与连续性条件结合, 导出了非圆形隧道衬砌-冻胀圈-未冻围岩系统在正交曲线坐标系$\zeta $平面内的解析式, 然后通过保角变换求得直角坐标系$Z$平面上考虑衬砌支护的寒区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形. 将推导的解析式应用于鹧鸪山隧道洞口段研究中, 得到鹧鸪山隧道洞口段冻胀应力和冻胀位移解析解, 并将解析解与数值解进行对比,验证解析解的正确性. 由结果可知: 围岩冻胀力对衬砌影响明显, 在拱顶、拱脚、拱底处因冻胀造成的环向附加应力显著增大; 在拱脚及两侧拱肩处会受到较大的法向附加应力; 由于衬砌几何形状的原因, 造成了衬砌冻胀变形的不均匀, 进而造成冻胀力分布不均.应用复变函数理论将冻胀圈考虑为马蹄形、直墙拱形等非圆形状较以往将冻胀圈考虑为单一圆环的冻胀力研究更符合实际, 较以往研究更能反映实际工况. 研究结果为季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力的弹塑性分析奠定了基础.      

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。     

基于破坏接近度的地铁隧道流固耦合稳定性分析

合肥地铁1号线盾构隧道下穿南淝河,施工中存在安全风险。运用FLAC3D进行了隧道盾构开挖过程的模拟,基于破坏接近度(FAI)对盾构隧道开挖过程中的岩土体稳定性进行分析。通过破坏接近度指标能够全面直观地评价隧道周围各区域岩土体的稳定性程度,定量给出损伤区和扰动区的范围。数值模拟结果表明:盾构开挖使隧道周边土体孔隙、水压力较初始值显著降低,导致了隧洞周边水力坡降增大,进而使地下水向隧洞拱顶及两侧流动,这些部位有发生涌水的可能;盾构开挖过程中,岩土体渗流场产生的渗流作用力对应力场分布产生较大的影响,在流固耦合条件下,隧洞周边岩土体FAI显著增大,部分区域已进入损伤区;在掌子面推进的过程中,当掌子面在分析断面前后2个开挖步数范围内时,断面的破坏接近度的分布变化明显,表明该范围内土体稳定状态受开挖扰动影响显著。研究盾构开挖过程中的破坏接近度分布及演化规律对施工中采取相应施工措施具有重要的指导意义。     

地下坑道对其临界震塌爆距处钻地武器爆炸载荷的动力响应

利用非线性显式动力有限元程序,采用多物质流固耦合计算方法,就GBU-28钻地弹在地下坑道临界震塌爆距处爆炸时,对地下直墙拱坑道的动力响应进行数值模拟。根据围岩动力稳定性和混凝土动态强度判据,结合模拟结果,分析衬砌结构与围岩的相互作用。钻地弹在直墙圆拱断面的坑道临界震塌爆距处爆炸时:围岩处于临界破坏状态,但混凝土衬砌结构处于稳定状态;拱顶的应力峰值明显,且柱状装药情况下,爆炸近区的应力较集团装药情况下的大;拱肩位置出现应力集中;围岩与衬砌结构特征位置处的相互作用载荷与对应质点的振动速度相互耦合,基本成对应的关系。     

某深埋隧道围岩破裂发展机理数值模拟

围绕某深埋隧道支护结构失效机理展开研究。调查了某深埋隧道围岩地质及支护结构失效特征,根据深埋隧道围岩的地质力学历史,提出岩石峰后力学特征描述的塑性应变指标。通过数值模拟获得在开挖扰动下该隧道围岩中应力大小的交替分布及围岩破裂的分层现象,分析了分层断裂中次生自由面、多重似开挖面形成的力学机制,揭示出武陵山脉隧道深埋段支护结构破坏的原因在于围岩的分层破裂。研究结果为深部隧道支护设计及稳定性分析提供了有效的思路与处理方法。     

城市浅埋软岩隧道施工沉降分析及对策

浅埋软岩隧道施工沉降变形控制是浅埋地下工程面临的关键难题,其中最基础的内容是对开挖引起的沉降变形规律的掌握。通过对新建龙岩至厦门铁路石桥头隧道地表沉降变形观测分析,将地表沉降变形划分为三个主要阶段：初始沉降阶段、加速沉降阶段和减速沉降阶段; 结合隧道拱顶沉降监测结果,得出浅埋软岩隧道地表沉降与拱顶沉降正相关的结论。隧道开挖对掌子面前后纵向地表沉降的主要影响范围分别为15D和3D(D为开挖跨度); 横向地表沉降影响范围包括隧道中线两侧各4D的范围,地表建(构)筑物受到较大影响包括隧道中线两侧各2D的范围。针对地表和拱顶沉降过大,采取全断面超前预注浆方案进行处理,监测结果显示全断面超前预注浆能有效控制拱顶下沉和地表沉降量,收敛值减小则不显著,说明该方案达到了控制沉降变形的目的。
浅埋软岩隧道〓地表沉降〓拱顶沉降〓监测〓全断面超前预注浆
P642
A
2009-04-14
2009-06-04
陈利杰,主要从事铁路隧道工程技术管理工作.Email: lxtlzhb@126.com     

浅埋小净距隧道爆破损伤探测及数值模拟分析

为了研究爆破荷载对浅埋小净距隧道围岩造成的损伤影响,以济南顺河快速路南延工程浅埋暗挖段为工程背景,通过LSDYNA软件将建立的各向异性动态损伤本构用于隧道爆破的损伤数值模拟,研究炮孔周围的损伤范围;并基于声波测试原理,对浅埋小净距隧道围岩的损伤进行了现场探测。结果表明:在数值模拟中,单个炮孔爆破形成的最大损伤影响半径为0.58 m,最大损伤影响深度为1.88 m,根据岩体的损伤破坏阈值,岩体的破坏水平范围可达0.14 m,破坏深度为1.70 m;根据现场探测,中夹岩受双线隧道交替爆破开挖其损伤程度较围岩其他部位要高,爆破开挖对隧道围岩造成的损伤范围在0.50 m左右,与模拟结果相接近,验证了各向异性动态损伤本构的准确性。研究成果对浅埋小净距隧道的爆破开挖和损伤控制具有一定指导作用。     

块体理论赤平解析法在锦屏二级水电站皮带机隧洞稳定分析中的应用

在小子样结构响应试验数据样本的基础上,利用支持向量机回归的方法模拟了圆柱壳体动态 极限应变峰值同壳体几何尺寸和外加脉冲载荷大小的非线性函数关系,同时通过改进的模拟 退火单纯形混合算法优化了支持向量机的性能参数,并将支持向量机回归分析的预测性能同 BP人工神经网络方法做了比较,验证了具有优化性能参数组合的支持向量机在小样本条件下 更好的预测和推广能力. 最后,从支持向量机回归模型导出了大尺寸圆柱壳体抗脉冲载荷的 强度极限同自身几何尺寸的多元函数关系,从而为该类型壳体设备抗脉冲载荷的强度分析提 供了一个可借鉴的预估模型. 研究结果表明了支持向量机在机械结构的强度预估和可靠性分 析等力学领域具有广泛的应用前景.     

地震CT与FBG传感器技术在隧道结构诊断中的应用

针对飞鱼泽隧道的上行线二衬拱顶靠档墙处出现裂缝,经地震CT技术查清隧道上所覆盖岩体的工程地质结构结果表明,沿隧道轴向存在三个岩体破碎带,其中在小里程入口段,岩体完整性较差。在隧道病害治理和隧道健康监测中,经光纤Bragg光栅（FBG）传感器的监测结果表明,松散破碎岩体的地质情况得到了相应的加固。因此,地震CT和FBG两者的检测结论是相互印证的。     

地下洞室开挖过程中洞周损伤分布的时变反演

洞室开挖过程中，洞周围岩的损伤场是时间和空间的函数。本文由建立的岩体时变损伤本构模型，基于位移反演理论，依据各步开挖后洞周及深部测线量测位移，对地下洞室由开挖引起的时变损伤分布情况进行辨识。通过构造损伤分布拟合函数直接反演洞周损伤分布的时变过程，尝试了用拟合函数法实现动态分布参数的反分析。在对某直墙半园拱顶隧道进行反演时，将洞室边界映射成单位圆，建立了由衰减函数和傅立叶级数构成的拟合函数，并采用约束优化法反演。最终结果显示，反演得到的区域损伤平均值与真值相比，绝大多数误差较小。本文法在地下工程施工的岩体内部损伤监测中具有一定的参考价值。     

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。     

不同围压下含天然贯通节理岩石卸载破坏机理研究

二郎山特长高速公路隧道断裂带较多，受此影响，隧道开挖后岩爆灾害十分严重．从此隧道中取样制备成含天然贯通节理试件，进行常规单轴压缩室内试验，获取基本力学参数和破坏模式．本文以室内实验结果为依据，确定数值试验时所采用的岩石和节理的力学参数，利用RFPA软件开展数值试验，研究了不同围压同轴向荷载下卸掉围压诱发岩石失稳破坏机理．试验结果表明，五种不同围压(5、10、15、20、25 MPa)卸载后应力-应变曲线均呈“断崖式”跌落，试样均突然破坏，与现场岩爆情况吻合；受贯通节理影响，不同围压试样的具体破坏形态、声发射数量最大值出现时刻有所差异；在卸载阶段五种试样声发射累积数量都突然急剧增大．