公路隧道炭质板岩变形规律及蠕变特性研究

针对深部高应力下大跨度隧道围岩大变形问题,开展了大变形支护方法、围岩变形测量和围岩蠕变特性实验研究工作.首先在木寨岭隧道选择相似地质区段,提出采用恒阻大变形锚网索(Negative Poisson’s Ratio,简称NPR锚索)支护方案对隧道围岩进行支护;然后,试验段内每隔5 m设置1个监测断面,每个断面设置5个测点,对围岩变形量进行连续测量;接着,通过两种方案施作条件下围岩变形量的对比分析,判断NPR支护方法的可行性;最后,建立木寨岭隧道典型炭质板岩的Burgers蠕变模型,通过"室内蠕变实验解"和"Burgers蠕变模型解析解"的对比分析,判断蠕变模型的科学性.现场试验结果表明:木寨岭隧道采用NPR锚网索耦合支护后,围岩最大变形量有效控制在350 mm以内,无破坏现象.蠕变实验解和理论解析解显示两个结果具有较高的拟合度,进而研究了木寨岭隧道薄层炭质板岩蠕变特征与板岩层理角度及含水率的关系,得到在不同含水率条件下炭质板岩蠕变规律方程.     

锚土界面位移特征及其蠕变损伤耦合效应研究

为了获得拉拔荷载作用下土锚结构加速蠕变破坏时间和时效损伤的传递特征,建立了能反映锚固结构蠕变三阶段变形特征的塑性加速元件模型,根据土锚结构蠕变位移的构成特点,对加速蠕变破坏时间、脱黏段范围相对剪切位移、锚固失效时锚固段的剪切位移、锚土界面时效损伤变量进行解析计算.结果表明:在逐级加载过程中锚土界面损伤具有明显的非线性损伤特征和加速蠕变位移,且损伤变量在锚固段顶端脱黏范围的损伤程度最大,而在锚固段底端损伤最小,同时随着时间的延续,损伤也逐渐增大,同时损伤加速的时间还与加速蠕变的时间较吻合.控制加载速率与极限拉拔力和减小锚固段顶端脱黏段范围的相对剪切位移,有助于土锚结构工程的时效稳定性.     

黄土隧道围岩特性曲线及其数值计算方法

隧道围岩体系与支护体系的相互作用是隧道工程研究的核心问题。对于黄土隧道而言,基于约束收敛法分析围岩变形规律,进而对围岩稳定性进行评价是一种黄土隧道研究的新方向新思路。本文基于FLAC3D大型通用有限差分软件,采用双线性应变软化遍布节理模型模拟黄土垂直节理特性,对三种不同弹性模量下大断面黄土隧道进行模拟并详细给出围岩特性曲线的数值求解方法。结果表明,在求解复杂边界条件下围岩特性曲线推荐采用数值计算的方法,本文采用的反向荷载计算法能有效地求解复杂围岩条件下黄土隧道的围岩特性曲线。随着位移的增加,也就是支护时机的推后,所需要的支护力在逐渐减小,围岩自承的荷载比重在增大。随着黄土隧道围岩弹性模量的增大,隧道拱顶在达到相同位移所需要的支护力在减小,说明围岩条件较好的时候可以适当减小支护强度。     

应力剪胀对浅埋隧道稳定性系数的影响

考虑剪胀对隧道围岩稳定性的影响,对浅埋圆形盾构隧道、浅埋两车道公路隧道和浅埋双线铁路隧道在围岩发生塑性流动时进行力学特征分析。分析圆形盾构隧道围岩的位移,塑性区分布和最大剪切应变率;计算圆形断面、双线铁路隧道、双车道公路隧道等3种不同断面形状隧道的稳定性系数,分析剪胀角对围岩稳定性系数的影响。研究结果表明：剪胀角对围岩位移的影响存在一个临界值;在围岩发生塑性流动时,塑性区随着剪胀角的增大而逐渐增加;剪胀角对围岩剪切破坏带和围岩稳定性系数都有较大影响;随着剪胀角的变化,隧道临界稳定系数也发生变化。     

大断面隧道支护结构地震反应特性分析

从围岩-支护结构-地震相互作用研究思路出发,利用ADINA非线性有限元软件,通过大断面隧道施工力学及瞬时动力时程分析,研究隧道支护结构在水平(Ya)、纵向(Za)及水平-纵向(YZa)不同地震加速度作用下的位移、应力反应特性.结果表明,水平地震加速度对支护结构的水平位移、最大主应力、加速度和速度影响大,纵向地震加速度对纵向位移、有效应力、最大及最小主应力、最大剪应力、加速度和速度影响都大.在Ya=0.191 g、0.440 g或Za=0.141 g及其YZa共同作用下,大断面隧道初期支护遭到破坏,二次衬砌局部损坏;在Ya=0.440 g或Za=0.326 g及其YZa共同作用下,隧道二次衬砌遭到损坏;在Ya=0.880 g或Za=0.652 g时,隧道支护结构可能会遭到严重破坏.     

深埋软岩隧道不同施工工法力学效应分析

针对穿越软岩地段深埋隧道施工易坍塌的状况,在支护结构类型和参数一致的情况下,采用有限差分程序FLAC3D分别对四种工法(全断面法、台阶法、预留核心土法以及单侧壁导坑法)下隧道的掘进过程进行了三维数值模拟.分析了洞周围岩和支护结构在各种工法下的力学响应规律,并重点探讨了洞周围岩特征点位移、掌子面稳定性以及支护结构受力等效应.根据计算结果对上述四种工法进行了优选,并得出以下结论:从围岩变形及受力方面分析,单侧壁导坑法最优;预留核心土法更适合于深埋软岩隧道的施工;高应力大变形条件下,仰拱处变形应作为围岩稳定判据的关键因素之一;深埋隧道开挖过程中,竖向应力对支护结构影响较强,水平应力对支护结构影响较弱.     

山岭隧道塌方处理加固措施及 FLAC3D模拟对比分析

由于在山岭隧道的修建过程中,经常出现塌方事故,结合工程具体情况,从围岩层状分布、雨水侵蚀作用等方面,分析了隧道拱顶出现塌方的原因以及所采用加固措施的有效性;并对塌方周边断面加固前后围岩位移和支护结构应力进行了监测.监测结果表明,隧道拱顶塌方处加固措施行之有效,围岩变形及结构应力得到了较好控制.再利用FLAC3D软件对隧道塌方段进行数值模拟分析,得到的结果与现场监测结果基本一致,这表明加固措施对塌方的处理效果良好.     

考虑隧底隆起斜坡段浅埋隧道稳定性上限分析

采用极限分析上限法,基于内外能耗守恒原理,通过构建考虑隧底隆起的斜坡地段浅埋隧道破坏模式,推导出围岩压力的计算式,并通过典型算例重点分析了典型因素对隧道围岩稳定性的影响。研究结果表明:基于泰沙基极限平衡法进行隧道围岩支护设计较为保守,不考虑隧底隆起的极限分析方法次之考虑隧底隆起极限分析方法的风险最大;斜坡地表倾角增大对浅埋隧道稳定性有着不可忽视的不利影响;围岩压力随岩土侧压力系数减小、埋深增大、断面尺寸加大而增大;岩土黏聚力增大、内摩擦角增大对提高浅埋隧道围岩稳定性有积极作用。     

前置式洞口法在西施坡隧道工程中的应用实例

为了解决山岭公路隧道进洞施工中的绿色环保问题,以工程实例为研究背景,介绍了隧道洞口处前置支护的施工过程,模拟了洞口处围岩的力学行为,分析了洞口段围岩和前置支护结构的位移场分布规律,结合了洞口段现场施工时的动态监控量测.研究结果表明:利用前置式洞口法处理山岭隧道洞口浅埋的工况时,洞口施工槽两侧及仰坡处的水平方向位移均不超过5mm,前置支护措施能提高隧道洞口处土体的整体稳定性.     

公路隧道初期支护可靠度分析

在分析公路隧道初期支护可靠性方面,蒙特卡罗法具有较高的精度。由于工程结构破坏概率通常较小,这就要求采用蒙特卡罗方法时必须要有足够大的抽样模拟总数才能给出正确的估计,利用方差减缩技术中的对偶抽样技巧可以迅速的降低抽样模拟次数。基于有限元模拟中隧道初期支护极限状态的功能函数的分析,依据公路隧道设计规范,确定了初期支护可靠度分析的极限位移的功能函数。并且利用APDL语言,编制了调用ANSYS建模求解模块分析隧道可靠度的程序,基于对偶抽样蒙特卡罗有限元模拟分析了深埋隧道初期支护的可靠性。     

深埋软岩隧道大变形非线性力学特征

分析隧道断面形状、初始地应力状态和岩体强度之间的关系,并利用ABAQUS有限元软件比较分析了围岩及初期支护在大变形条件下的非线性力学特性.研究结果表明:(1)围岩的非线性主要是材料非线性和接触的非线性,破坏模式表现为小应变大位移;(2)初期支护受几何非线性影响显著,力学分析应采用大变形理论;(3)初期支护应采取降低几何非线性影响的结构,改变弯曲变形模式,提高支护能力.     

茶镇隧道施工位移监测与分析

茶镇隧道围岩软弱破碎稳定性差,变形大.为及时掌握施工过程中围岩及支护结构的变形特性,保证施工安全,对围岩及支护结构进行了拱顶下沉和周边收敛位移量测.通过对K225+266横断面量测数据的综合分析,揭示了该条隧道在Ⅴ类围岩以及特定支护情况下位移变化的规律,得到了围岩位移稳定约需2～3周的开挖时间以及4～5倍开挖洞径的距离.为合理确定隧道二次衬砌的施工时间提供了较为可靠的依据,同时通过对量测信息的及时反馈,指导了现场施工,确保了施工安全.     

ANSYS在巷道支护设计中的应用

通过ANSYS有限元软件数值模拟分析巷道不同断面形状和不同支护方式时巷道围岩的位移、应力和塑性变形,可以选择出合理的支护方式以控制破坏区的扩展,从而保护和提高破坏区岩体的残余强度,使围岩与支架相互作用并在达到平衡时所需的支护抗力最小或不需支护.围岩的位移、应力和塑性变形是支护设计理论评价巷道围岩稳定性的主要参数,因而ANSYS在巷道支护设计中既使用方便又具有较好地推广应用前景.     

地下巷道锚喷支护结构的可靠性分析

对于采用锚喷支护的岩石巷道，依据弹塑性小变形理论，提出应对支护结构进行概率极限状态优化，利用蒙特卡络方法，建立了巷道围岩稳定，锚喷支护结构的可靠性计算公式，从而为巷道围岩稳定性评估，支护设计提供可靠的理论依据。     

上界首隧道围岩稳定性分析

隧道开挖过程中围岩破坏容易引发隧道坍塌事故,为了保证上界首隧道的施工安全,根据本区工程地质特征,建立了FLAC3D数值模拟模型。采用FLAC 数值模拟方法对该隧道三台阶法施工全过程进行模拟分析,得到了上界首隧道的围岩变形规律。结果表明,竖向位移主要集中在拱顶和拱底处,拱顶最大位移为6．92mm ,拱底最大位移为4．71mm ;水平位移主要集中在隧道两肩和两腰处,最大水平位移为4．11mm。隧道开挖初期竖向位移与水平收敛速率都比较大,处于不稳定状态,而后变化速度慢慢减小,在施作仰拱支护闭合后,基本稳定下来,说明本段选用的施工方法和初期支护参数合理。     

岩质隧道开挖最大径向位移的室内模型试验

为研究围岩径向位移与施工工艺间的相互关系,基于围岩开挖扰动时应力响应原理,分析隧道缩尺模型的边界条件及试验方案.通过模型试验,建立岩质隧道的纵向变形规律曲线,获得隧道开挖最大径向位移与施工工艺的变化规律.结果表明:隧道断面径向位移大小与掘进进尺及频次密切相关,此规律可以作为支护方案的参考资料;越接近掘进面,围岩径向位移增大趋势越显著,距掘进面约5倍洞径时,围岩处于自稳状态.为对比分析,基于同样的边界条件,建立了数值模拟研究模型.通过数值计算,验证了缩尺模型试验所得结果的合理性.该研究对支护结构的优化分析设计有一定指导意义.     

公路隧道应力释放率对软弱围岩稳定性影响

近年来,由于新奥法广泛地运用于地下工程的施工过程中,围岩与支护结构之间的相互作用以及支护时机受到越来越多的关注。中条山隧道洞口段软弱围岩开挖步序多、工序及应力变化复杂,尤其是核心土解除后和二衬施工前安全风险大。本文采用有限差分软件对该隧道洞口段施工过程进行三维数值模拟,研究了洞周位移及支护结构在不同应力释放率下的力学响应,重点分析了典型断面处洞周围岩及支护结构的位移和受力情况,以及洞周位移随施工过程的动态变化规律。研究结果表明：对于软弱围岩公路隧道,应力释放率越大,围岩的塑性区发展范围越大,洞周位移越大;开挖过程中,拱顶沉降受到的持续性扰动较大;待二次衬砌施作后,仰拱隆起和收敛位移趋于稳定。     

茶镇隧道围岩松动圈范围测量与研究

为了向隧道围岩支护设计提供可靠的松动圈厚度理论依据,以茶镇隧道的工程实际为例,通过弹塑性理论分析,采用围岩深部位移测量的方法,计算了茶镇隧道围岩松动圈的分布范围,分析了茶镇隧道围岩松动圈对围岩稳定性、锚杆支护参数设计合理性的影响.研究结果表明:通过理论计算得出的松动圈厚度为1.9mB2.0m.     

管片衬砌配合碎石可压缩层与锚杆的支护型式研究

针对深埋地层中修建盾构隧道,特别是围岩表现蠕变特性,研究一种管片衬砌配合压缩层与锚杆的联合支护技术.采用有限差分与离散元的耦合计算方法,进行了管片衬砌壁后注浆、管片衬砌壁后填充碎石可压缩层、管片衬砌配合碎石可压缩层和高强预应力锚杆的支护效果对比研究.从围岩塑性区发展、沉降随时间变化、管片衬砌弯矩和轴力分析了联合支护效果.从碎石可压缩层的压缩变形路径、锚固围岩的位移矢量等角度揭示了联合支护的细观作用机理.研究结果表明:仅采取管片衬砌配合碎石可压缩层的让压支护手段无法维持管片衬砌的长期稳定;联合支护结构型式既可以提高围岩自身承载能力,也能够有效吸收围岩的蠕变变形.联合支护的作用机理由两部分构成:碎石可压缩层的让压作用与高强预应力锚杆加固围岩作用.其中,碎石可压缩层的让压机理主要通过颗粒间相互嵌挤和错动移位作用调减管片衬砌壁后接触力;高强预应力锚杆的加固机理是由锚杆形成的锚固区控制了蠕变变形的过大发展.研究结果对未来盾构工法修建深部高地应力、强蠕变隧道的支护型式设计具有一定参考价值.     

浅埋偏压隧道开挖数值模拟及稳定性研究

浅埋偏压会对隧道围岩稳定和支护结构产生很大影响,开挖过程中极易发生垮塌。利用FLAC3D 程序对烟海高速公路解家河隧道穿越浅埋偏压洞段采用的施工过程进行仿真分析,得到解家河隧道在采用不同开挖工序时各阶段围岩及支护结构的变形和应力变化情况。结合现场监测断面的量测成果,经过数据整理和计算得到解家河隧道浅埋偏压洞段围岩及支护的受力特征,对隧道围岩稳定性进行分析判断。所得结论为解家河隧道顺利施工提供了可靠依据,可为具有类似地质、地形情况的隧道设计和施工提供技术参考。