柔性层对流变岩体中隧道位移与压力的影响研究

基于高地应力软岩隧道明显流变效应的特点,提出了"围岩-柔性层-初期支护"的支护方案。针对柔性层的安装对隧道位移和压力的影响,建立了"围岩-柔性层-初期支护"力学模型,推导了考虑隧道开挖空间效应时围岩、衬砌的位移和应力理论解答,并与相同模型下的有限元解进行了对比验证。结果表明,柔性层可以有效地吸收围岩的流变变形,使初期支护的受力状态得到很好的改善,有利于高地应力软岩隧道的长期稳定。此外,柔性层对隧道支护效果的影响与其几何参数与力学参数密切相关。随着柔性层厚度的增加,初期支护的压力和位移逐渐减小,而围岩的位移却不断增大;且当柔性层厚度达到一定值时,通过增加其厚度以达到减小支护压力和位移的效果不再显著。若柔性层填充材料的力学参数取值过大,初期支护的受力状态改善效果不明显,应根据围岩的实际情况来选取填充材料。本文研究可以较为便利地对隧道应力、位移进行参数分析,进一步指导工程的初步设计。     

隧道施工中围岩与支护结构的黏弹性分析

本文结合某高速公路隧道设计与施工,利用黏弹性理论,对隧道围岩与支护结构时间相依应力与位移进行了研究。首先,将隧道开挖后围岩受力分析视为具有初始应力、在洞周位移作用下的边值问题,导出了隧道时间相依的围岩与支护结构应力与位移,结果表明,其应力和位移与隧道围岩和支护结构间相互作用相关。然后,利用变形协调条件,导出了隧道围岩与支护结构间的相互作用,结果表明,围岩、初期支护与二次衬砌之间的相互作用不仅与围岩和衬砌的材料性质、结构尺寸相关,而且与施做初衬和二衬的时间相关。最后,结合具体隧道设计与施工,利用本文时间相依应力,对围岩应力释放与支护施做时机、载荷分配与支护结构受力分析进行了探讨,给出了不同荷载分担比下二次衬砌的受力与变形,为隧道施工与设计提供参考。     

分数阶流变岩体中深埋圆形支护隧道力学分析

为用更少的参数描述不同岩体的实际流变特性,引入分数阶Kelvin粘弹模型并对深埋圆形支护隧道的开挖过程进行力学分析．利用Laplace变换原理、分数阶微积分得到了衬砌支护力和洞口位移的时效解答,并对解答的正确性进行了验证．讨论了不同分数阶阶次下支护力、洞口位移及等效应力随时间变化的规律．分析结果表明,阶次较小的模型,洞口位移在短期内迅速增大,随后缓慢增长,在经历很长时间后仍在持续增长,且等效应力在相同时刻下更接近于0,更容易发生破坏,因此在工程中对阶次较小模型对应的岩体要关注其长时间后的蠕变位移和受力状态．     

考虑锚杆作用的深埋软岩隧道黏弹塑性力学响应解析

深埋软岩隧道围岩表现出显著的塑性软化与剪胀特性,而当下的理论分析很少同时考虑这两点,导致预测结果与隧道实际变形行为存在一定误差.为解决该问题,本文基于Kelvin-Voigt流变模型和Mohr-Coulomb强度准则,考虑了塑性阶段时围岩软化与剪胀特征,并引入了掌子面空间约束效应,建立了深埋软岩隧道黏弹-塑性计算分析模...     

支护条件下软岩隧道小型拱形塌腔围岩变形分析

以小型拱形塌方为研究对象,考虑支护条件,对自重应力场作用下软岩隧道小型拱形塌方腔体周边围岩及支护结构的变形受力进行了深入研究。结果表明:塌方腔体围岩水平位移增加值不均匀,拱顶处接近于0,垂直位移增加值相对均匀,两者最大值均位于塌腔与隧道断面交界点;距洞壁越近,水平位移和垂直位移越大;围岩应力释放程度不同,不同测线水平应力变化规律差异较大,垂直应力随距洞壁距离增加而不断增加,最终趋于稳定;塌方后支护结构的局部轴力变大,剪应力也较正常情况增加,表明支护结构受力明显增加,如处治不及时则可能发生二次塌方。提出应用锚杆进行塌方处治的方案,得出锚杆发挥了良好的加固围岩作用,围岩变形得到了有效控制。     

深埋偏压小净距隧道施工力学特征数值模拟研究

以瑞赣高速公路峡山隧道区间为工程背景, 针对小净距双洞并行隧道的复杂 受力状态, 采用有限元法对深埋条件下的小净距段偏压隧道采用不同施工方案进行数值模拟. 对双侧壁导坑法、CD法和上下台阶法等不同的施工方法对围岩应力、围岩变形、锚喷支护体 系结构内力、拱顶位移及围岩稳定性进行对比. 分析不同方案下开挖前、后隧道围岩与支护 结构的位移、应力变化规律. 在此基础上对不同方案施工过程对隧道中间夹岩的力学行为进 行分析, 提出了隧道中间夹岩薄弱面的概念, 更加明确了该工程地质条件下隧道夹岩的薄弱 控制面. 并以此为依据指导工程施工, 在实际施工中取得了较好的效果.     

基于刚度系数折减率的软岩蠕变变形规律研究

为了研究软岩蠕变变形过程中岩体抵抗变形能力降低的程度,将岩石变形破坏过程中切线模量相对于初始模量的改变量与初始模量的比值定义为刚度系数折减率,分析了软岩单轴压缩荷载及软岩蠕变变形过程中刚度系数折减率的变化规律。软岩单轴压缩荷载下,切线模量随着应变的增大而逐渐降低,刚度系数折减率随着应变的增加而逐渐增大,即随着变形的增大,软岩试件抵抗变形的能力逐渐降低。软岩蠕变过程中刚度系数折减率曲线也可以划分为三个阶段:在初始蠕变阶段瞬时弹性变形使得软岩刚度系数折减率迅速降低;在等速蠕变阶段平稳下降之后进入加速蠕变阶段,下降速率迅速增大。软岩刚度系数折减率的分析可为岩体蠕变过程中变形特性及变形控制分析提供理论依据。     

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。     

基于突变理论深埋硬岩隧道的失稳分析

在分析隧道开挖引起围岩扰动和损伤的基础上,运用突变理论探讨了深埋硬岩隧道失稳的机理;基于势能原理,建立了深埋硬岩隧道失稳的尖点突变模型,导出了失稳的力学判据条件。结果表明:深埋硬岩隧道的失稳不仅受岩体特性及所受载荷的影响,而且与围岩中弹性区刚度和塑性区刚度的比值有关;开挖过程中,围岩受扰动和损伤程度越大,岩体完整性系数越小,力学参数指标弱化程度越高,塑性区范围越大,刚度比越小,围岩系统发生失稳的可能性就越大。工程实例分析表明,分析结果与实际经验基本一致;研究成果可为预防隧道失稳、采取合理的施工工艺和支护措施提供参考依据。     

基于D-P准则的盾构隧道围岩与衬砌结构相互作用分析1）

在进行盾构隧道管片衬砌结构载荷计算时，常采用全土柱或压力拱理论计算围岩松动压力，但当盾构隧道面临深埋条件且需计入形变压力时，该方法难以适用.鉴于此，基于Drucker-Prager屈服准则，推导了考虑渗流效应影响下围岩与衬砌结构相互作用的弹塑性解析解，给出了围岩弹、塑性区应力与位移、塑性区半径等关键参数与支护阻力间关系的解析式.阐述了上述解析结果在确定衬砌结构载荷中的应用，即建立围岩与衬砌结构静力平衡状态并求二者对应曲线的交点.进一步地，考虑接头引起管片衬砌结构整体刚度降低对围岩与衬砌结构相互作用的影响，引入刚度折减系数，并在衬砌结构围岩压力确定中对施工期流固耦合效应的影响和渗流力对衬砌结构支护特性曲线的影响进行了简化处理.最后，通过算例将解析解与水下盾构隧道载荷实测值和数值计算值进行了比较.结果表明：用解析方法得到的施工期和稳定期的管片衬砌结构围岩压力比现场实测值分别大28%和12%，稳定期围岩压力比数值计算值大5%，可为类似工程的设计施工提供一定的参考价值.     

深埋与浅埋软岩洞室的开挖变形

由于地质赋存环境的不同,深埋与浅埋洞室在开挖后将产生不同的变形规律. 本文基于有限差分计算软件FLAC3D,数值模拟了深埋与浅埋软岩洞室随应力边界条件、岩石力学性能、洞室断面形状等因素变化的变形特点. 计算结果将对洞室的选型与开挖支护等提供参考.     

2021-07期目录

在陈宗基院士关于地下硐室长期稳定性力学问题研究的基础上,采用Sadovsky院士关于复杂地质岩体的等级构造学说,围绕深部岩体非均匀构造与封闭应力固有的统计力学属性,研究了岩体非均匀变形与封闭应力特性,以及深部硐室围岩的长期稳定性等两个力学问题。给出了岩体非均匀构造与封闭应力的数学表征;根据质量守恒定律得到了计算深部硐室围岩长期变形的一般公式;得到了围岩变形中劈裂扩容变形占主要部分的结论,并且阐明了深部围岩卸荷时更易出现劈裂破坏的原因。给出了劈裂破坏形态的演进序列与扩容位移的计算方法。将围岩松动圈范围、破裂区位置和边壁位移的计算结果与锦屏一级电站厂房现有监测数据进行了对比,两者相当吻合。     

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.      

浅埋隧道围岩应力场的解析解

隧道围岩应力和变形分析是隧道设计的重要内容。对深埋隧道的研究已取得了很多结果。但对于受地表边界和地面荷载的影响，浅埋隧道围岩分析在数学处理上仍存在一定的困难。一般采用边界元或有限元等数值方法，未见有解析解的报导。本文采用复变函数解法研究地面荷载作用下浅埋圆形隧道围岩的平面弹性问题，该解法利用复变函数保角变换将物理平面上的研究域映射到像平面上的圆环域内。将复势函数进行罗伦级数展开，通过边界条件得到罗伦级数展开式系数的递推公式，并由复势函数确定应力分量和位移分量。最后通过算例给出了围岩应力分布和沉降曲线。所得结果适用于任意分布荷载的情况，具有通用性。     

滑坡地段隧道变形机理的模型试验研究

通过室内地质力学模型试验,研究了滑坡地段坡体变形与隧道的相互作用机理、围岩和衬砌压力的变化规律以及坡体和隧道的变形特征,着重研究了滑带土浸水软化及发生蠕变时坡体变形与隧道的相互作用关系。本文的成果可为该类病害的预测预报和有效整治提供科学依据。     

引黄工程大型地下泵站围岩监测技术研究

山西省引黄工程国际一标主要包括2只大型地下泵站及引水洞，通过对具备不同特征的泵房、洞室、立井等结构部位的围岩及内衬结构应力、应变、位移等监测与分析，及时总结围岩变形规律以指导施工，控制围岩动态，掌握围岩断面尺寸的变化，了解围岩的松弛程度及影响范围，确保施工期和运行期的安全，为其他类似大型地下复杂结构围岩及内衬结构的安全性及耐久性研究提供可靠的技术支持。     

Viscoplastic creep of rocks around a lined tunnel

A rock-support analysis is done assuming that the rock behaves elastic/viscoplastically while the support can be any kind of nonlinear support. The case of circular tunnels is considered and the formulation of the mathematical problem is discussed. Furthermore, the creep of rock around a tunnel with nonlinear supports (called “yieldable” or “self-adapting” supports) to limit the closure of the tunnel is studied. It is shown that the ultimate ground reaction is not unique since it depends on the loading history such as excavation layout and support design. For relatively small pressures exerted by the support, it is shown that the onset of failure by dilatancy can be determined. Two kinds of solutions are given: a simplified approximate one, which is easy to apply and with which the qualitative discussion of the solution is simple and revealing, and a more rigorous general elaborate numerical solution obtained by using computer programs.