隧道支护结构体系及其协同作用

隧道支护结构体系是围岩稳定性控制的关键,也是隧道设计的基本任务,而对支护结构之间相互作用过程和机制的系统认识则是定量化设计的基础. 本文从隧道围岩结构性和支护作用的本质特征出发,提出隧道支护具有"调动"和"协助"围岩承载的基本作用,明确了二者的功能分配原则和实现方式,即分别通过超前支护的保障作用、初期支护的核心作用和二次衬砌的安全储备作用共同完成;针对围岩的正面挤出、前倾式冒落和后倾式冒落等三种超前破坏模式,分别给出了相应的超前支护方式和支护效果评价方法;提出初期支护作为隧道围岩附加载荷的主要承担者,包括锚固体系与拱架及喷射混凝土结构,分别通过"调动"和"协助"围岩实现其承载功能,且同时具有"支"与"护"的作用;阐明了二次衬砌结构作为安全储备功能的内涵,建立了二次衬砌结构的载荷分担比率与刚度匹配性、支护时机的关系,并据此给出了二次衬砌结构参数和施作时机的建议值;建立了以围岩变形量$S$最小和协同度$\xi$最优为目标,基于超前支护、初期支护和二次衬砌与围岩相互作用三阶段的协同支护优化模型,明确了支护结构体系与围岩、不同支护结构之间以及支护结构要素之间三个层次的协同关系,并提出了隧道支护结构体系协同优化设计方法.      

某公路隧道不同纤维混凝土支护结构性能比较

软弱、破碎围岩的公路隧道支护一直是困扰公路隧道施工的技术难题。结合三里冲软弱围岩公路隧道工程地质条件和隧道开挖设计参数,采用FLAC软件对钢纤维混凝土锚喷和聚丙烯纤维混凝土锚喷2种初期支护结构进行数值模拟研究。从应力、位移和塑性区3个方面分析隧道围岩的稳定性。计算结果表明,聚丙烯纤维混凝土锚喷支护结构能充分发挥围岩自承载能力,提高隧道的稳定性,能有效减少二次衬砌混凝土的厚度。     

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。     

公路隧道新型衬砌结构双孔开挖与支护方案的研究

论文以公路隧道为研究对象,取Ⅳ级围岩,利用有限元程序对台阶开挖法和环形开挖法进行了数值模拟,分析了其支护后衬砌结构的应力和变形特征.在此基础上,针对目前隧道衬砌结构在修建和运营过程中的不足,提出一种双孔支护方案,并进行了较系统的数值模拟.研究结果表明:环形开挖法的最大应力和位移明显小于台阶开挖法,双孔支护方案能很好地减小衬砌的受力和变形,为隧道的设计和施工提供一种新的思路.     

基于D-P准则的盾构隧道围岩与衬砌结构相互作用分析

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.     

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.     

爆破地震波作用下城市隧道结构动力响应的敏感性

选取纵波作为研究对象,采用波函数展开法,推导了无限弹性介质中复合衬砌结构隧道在爆破地震波作用下动力响应问题的解析解,结合南京红山南路隧道群开挖工程开展了隧道结构动应力集中因数的敏感性分析,并通过曲线拟合分别得到了隧道围岩及内衬环向动应力集中因数随隧道结构动力学及几何参数变化的回归方程。分析结果表明:隧道围岩和二次衬砌层的弹性模量及围岩泊松比对考察点处环向动应力的影响较大,而初期支护层弹性模量的影响几乎可以忽略不计;衬砌层厚度变化对围岩环向动应力的影响要远大于内衬,在隧道施工设计时可以通过增加衬砌层的厚度平衡隧道结构的受力状态,但增加初期支护层的效果不如二次衬砌层。     

穿越古滑坡的浅埋偏压连拱隧道动态施工响应规律

复杂地质条件下地下工程围岩稳定性问题,一直是地质工程界备受关注的热门议题。文中针对云南思茅-小勐养高速公路曼歇4号连拱隧道的特殊复杂地质结构,通过数值模拟对穿越古滑坡的浅埋偏压连拱隧道施工过程围岩应力场、位移场和塑性区变化规律进行了数值分析,从而有效揭示出施工各阶段围岩应力集中位置和潜在塑性破坏区,不仅为隧道的安全顺利施工提供了预警信息和直接指导,同时为连拱隧道的优化设计提供可靠的理论依据。在穿越古滑坡的浅埋偏压连拱隧道施工中,应高度重视古滑坡的彻底治理和中隔墙的支护加固,从而确保整座连拱隧道的围岩稳定和安全运营。     

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。     

隧道及地下工程的基本问题及其研究进展1）

作为隧道及地下工程学科的3个基本问题,隧道围岩稳定性、支护--围岩相互作用和结构体系的动力响应一直都是本学科研究的核心问题,本文围绕上述问题重点分析了隧道围岩力学特性及其载荷效应,建立了深浅层围岩结构力学模型,并通过分析深层围岩中结构层稳定性得到了围岩特性曲线的解析公式,提出了围岩结构性特点及载荷效应的计算方法;通过对隧道支护与围岩作用关系的分析,将支护与围岩的动态作用分为4个阶段：即自由变形、超前支护、初期支护和二次衬砌阶段.由此提出了动态作用全过程的描述方法;基于广义与狭义载荷的理念,提出隧道支护具有调动和协助围岩承载基本功能的观点,明确了两种功能的实现方式,即通过围岩加固、超前加固及锚杆支护实现调动围岩承载,通过支护结构协助围岩承载;针对复杂的隧道支护结构体系,提出了多目标、分阶段协同作用动态优化概念,可使各种支护结构的施作实现时间和空间上的协调,提高可靠性;针对极不稳定的复杂隧道围岩的安全性特点,建立了3种模式的安全事故机理模型,基于工程响应特点提出了安全性分级的新理念,并形成了分级指标体系和分级方法;针对水下隧道及富水围岩条件,建立了3种模式的隧道突涌水机理模型,提出了基于围岩变形控制的安全性控制理论和方法.最后,对本学科发展的热点和核心问题进行了分析和展望.     

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。     

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。     

岩体力学中流变与断裂的耦合作用

本文首先分析含Ｉ型裂纹岩石的流变断裂特性，提出了Ⅰ型裂纹流变断裂初度的三个阈值；然后应用断裂力学和粘塑性理论。得出了具有屈服、蠕变和Ⅱ型裂纹扩展等物理力学特性的岩体隧洞的衬砌与围岩应力的解析表达式。     

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     

基于遗传算法的隧道围岩变形稳定可靠性分析

由于隧道的开挖,隧道围岩的初始应力状态将发生变化,围岩发生卸荷变形,并可能导致隧道的失稳。为了研究隧道开挖后围岩变形的可靠性,建立了隧道围岩变形可靠度指标计算模型,并用遗传算法进行求解。应用本文方法对一高速公路隧道围岩变形的可靠性进行分析。从结果可以看出,围岩的潜在破坏区域出现在拱顶和两侧拱肩区域,从这些区域的可靠度指标和破坏概率值可以看出,该隧道毛洞的拱顶下沉和拱肩收敛可靠度都满足不了规范的要求,要及时进行支护。