隧道及地下工程的基本问题及其研究进展

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.     

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.      

流变岩体中让压支护作用下隧道力学行为研究

高地应力深埋软岩隧道大变形问题已成为隧道工程建设领域的突出难题. 根据高地应力深埋软岩隧道的变形特征, 基于"围岩能量吸收、变形释放"的让压支护是解决软岩隧道大变形问题的有效方法. 针对流变岩体中深埋圆形隧道在让压支护作用下的力学响应问题, 通过引入分数阶微积分理论, 采用Abel黏壶元件建立了改进的分数阶Burgers蠕变模型来表征围岩的时效变形. 此外, 通过在让压支护不同变形阶段引入刚度修正系数, 克服了传统支护未能考虑围岩变形释放的问题. 据此, 本文推导了在考虑支护延迟安装影响下, 不同变形阶段围岩与让压支护相互作用的解析解. 为了验证理论研究的正确性, 对一算例进行了不同解答及工程结果的比对, 吻合较好. 最后, 参数研究结果表明: 围岩与让压支护间的相互作用受蠕变本构模型分数阶阶数影响较大. 隧道的位移或支护压力与让压位移、支护刚度修正系数间存在线性比例关系, 但由于刚度修正系数仅保持在较小的变化范围内, 隧道的位移或支护压力变化并不显著.      

京承高速公路新道沟连拱隧道的优化设计

本文以京承高速公路新道沟连拱隧道为实例,应用有限元数值方法对连拱隧道二次衬砌的围岩抗力、应力、变形及其稳定性等问题进行了模拟与分析。首先,基于连拱衬砌的结构型式,作者建立了该隧道的数值模型,并提出用弹性杆单元按作用力等效的原则模拟围岩抗力;根据数值模拟结果对隧道支护结构的承载能力进行了讨论,并基于规范对二次衬砌进行了结构强度校核。该研究结果为新道沟隧道支护结构设计的优化提供了科学依据。     

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。     

基于改进山本法的浅埋隧道支护结构受力特性研究

隧道支护结构计算时常假定为正圆形,但与工程实际存在差异。本研究结合谢家烋围岩压力计算理论,改进日本山本法支护结构计算模型,提出一种山岭浅埋隧道三心圆支护结构计算模型。应用于某红黏土隧道支护结构,将改进山本法计算结果与山本法、隧道设计规范电算结果和现场实测值比对。研究结果表明：改进山本法所得围岩压力和支护结构轴力结果与实测数据最接近,最大误差12.9%,且趋于安全;改进山本法所得弯矩结果显示拱脚处弯矩最大,与现场结构破坏形式相符;根据计算结果确定荷载集中部位,制定专项加固方案,保证隧道施工和运营安全。研究成果可为优化类圆形隧道断面理论提供参考,为隧道支护结构计算提供一种新方法。     

基于分形理论和Mori-Tanaka方法的颗粒土渗透注浆加固体性能预测方法及应用

在注浆加固工程中, 为了避免空间变异性导致的支护结构受力过大而失稳, 提出合理的注浆加固体刚度及强度预测方法十分必要. 本文利用分形理论描述颗粒土类型的隧道围岩的孔隙特征, 基于迂曲度经验公式建立了地层体孔隙率和面孔隙率的转换关系. 以体孔隙率为变量, 结合Mori-Tanaka方法, 提出新的注浆加固体的宏观刚度预测方法. 利用能量法求解连通孔隙不同屈曲半波分布形态下的临界载荷作为加固体的单轴抗压强度, 从而建立了新的注浆加固体的强度预测理论模型. 以玉京山隧道为工程算例, 将本文方法在FLAC3D中进行二次开发, 通过对不同的地层单元随机生成孔隙率, 并利用本文方法计算并赋予地层单元不同的物理力学性质, 实现了围岩空间变异性的模拟, 数值模拟和现场监测得到的隧道洞身水平收敛的最大绝对误差仅为8 mm. 数值模拟结果表明, 对玉京山隧道回填区域进行注浆加固可以降低50%~90%的围岩位移, 极大地降低围岩不良区域对应的支护结构弯矩, 降低支护结构扭矩至0, 并将支护结构变形控制在10 mm以内, 但注浆加固难以改变灰岩和回填体之间的载荷分配规律.      

公路隧道大管棚超前支护技术与工程实践

超前大管棚支护是隧道施工中穿越软弱破碎围岩的一种有效的加固施工方法。通过介绍超前大管棚在不良地质隧道施工中的受力原理、大管棚设计与施工要点及适用范围等内容,并结合重庆玉峰山隧道出口洞口段超前大管棚施工实例,对超前管棚在施工中的应用价值做一论证,有助于该方法的应用推广。     

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.     

软弱围岩隧道塌方段力学性状测试与数值分析

为研究软弱围岩隧道塌方段的力学性状和处治方案,以拴马岭隧道为例,通过现场监测和数值模拟手段,对软弱围岩隧道塌方成因以及采用小导管环向注浆、锁脚锚杆、小导管超前注浆治理软弱围岩隧道塌方的效果进行了分析。结果表明:软弱围岩隧道塌方是以陡倾角断裂面发生剪切滑移为主因的剪切滑移型塌方;相比锁脚锚杆而言,系统锚杆对伴有土质的砂岩作用效果较差;环向注浆加固可有效遏制围岩塑性破坏的发展;三层小导管注浆在土质砂岩中加固效果突出,其加固段沉降最大值为10mm,是环向注浆加固段的28.5%;锁脚锚杆在围岩软弱段加固效果优于坚硬围岩。     

软弱破碎围岩双连拱隧道安全施工与监测

针对软弱破碎Ⅱ类围岩双连拱隧道采用三导洞施工方法的特点,阐述了其安全施工技术要点,实际施工中,就其监测内容及监测结果进行了实时分析,为隧道安全施工提供了依据,长期监控量测结果表明,该隧道结构是安全的,达到了围岩与支护结构体系安全与稳定的要求,所采用的安全施工措施以及信息化施工方法对类似工程具有指导和借鉴意义.     

粘弹性岩体力学模型识别与参数反演解析方法研究

本文基于圆形和非圆形隧道围岩粘弹性位移反演分析解析方法的最新进展，根据隧道围岩力学参数解析解的反演规律，提出了五个粘弹性力学模型识别与参数定理，并通过算例和工程实例对所给出的定理作了必要的验证。     

浅埋偏压连拱隧道现场监测与结构受力分析研究

针对浅埋偏压连拱隧道结构受力的复杂性,结合石红高速大中山1#连拱隧道的实际情况,选择典型断面埋设监控量测设备对隧道施工过程中围岩变形和结构受力进行适时监测,并结合有限元分析软件MIDAS,对中隔墙空间受力特征进行研究.得出了支护结构在偏压作用下和施工扰动下的受力状态和变形特征.结果表明,在浅埋偏压条件下,减少支护结构受力的不均对于保证隧道结构稳定的重要性以及运用监控量测与数值模拟相互印证的方法可以更准确地分析隧道结构的稳定性,更好地指导施工.     

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...     

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。     

水平互层围岩隧道破坏机理及其范围预测模型

水平互层围岩因其显著的层理构造, 导致其破坏形式相较于均质围岩有较大区别. 目前针对水平互层围岩的研究集中在单一破坏模式, 未考虑破坏形式的多样性. 为探究水平互层围岩的破坏范围, 首先按其层理面划分为单层围岩进行分析, 将围岩破坏分为拉破坏、楔形剪切破坏和拱形剪切破坏3种典型模式, 分别建立了岩梁受拉分析模型和拱形关键块剪切分析模型进行分析, 提出了相应的破坏准则, 并引入塌落系数和临界高度对不同破坏模式的孕育条件进行研究, 将此方法应用于矿井巷道和隧道工程实例中, 与既有方法进行比较, 验证了单层围岩破坏机理模型的可靠性, 同时代入离层破坏算例中验证其实用性. 并以此为基础, 结合破坏范围层间连续条件和破坏休止条件建立水平互层围岩破坏预测模型, 将上述水平互层围岩破坏模型应用于补连塔矿巷道实例. 结果表明本文预测的水平互层围岩破坏范围与数值模拟结果、真实塌落情况吻合较好. 研究成果可为水平互层围岩隧道支护方案设计提供理论基础.