结构性黄土深埋盾构隧道围岩力学特性研究

盾构施工会破坏黄土结构性,为探求黄土结构性变化对盾构隧道围岩力学特性的影响,引入应力比结构性参数对摩尔-库伦强度准则和芬纳公式进行修正,通过建立黄土围岩和管片之间力和位移的连续条件,对围岩塑性区半径进行了求解,并对解析解进行了对比验证,最后分析了关键参数对围岩力学性态的影响。结果表明:(1)太沙基土压力公式计算结果介于解析解上限值与下限值之间;(2)随着应力比结构性参数的增大,对应的塑性区半径和围岩压力值在不断减小;(3)随着覆跨比的增加,塑性区半径不断减小,围岩压力值不断增大,当黄土结构性比较强时,隧道覆土厚度达到一定值之后围岩压力解析公式才适用;(4)围岩压力和塑性区半径与开挖半径近似呈线性正相关关系。     

深埋黄土盾构隧道围岩压力解析

随着盾构隧道工程的发展,越来越多的深埋黄土盾构隧道逐步出现。对其围岩压力进行准确计算对衬砌设计及服役期的安全评价具有重要意义。围绕深埋黄土盾构隧道围岩压力的计算,考虑盾构隧道衬砌与围岩的径向变形连续条件,基于芬纳公式,推导了盾构隧道衬砌内力、围岩应力及围岩变形的解析解;引入黄土结构性参数,给出了适用黄土盾构隧道的围岩压力解析解;结合隧道开挖后围岩的广义剪应变,构建了黄土隧道围岩结构性参数的求解方法;结合黄土结构性参数,讨论了围岩增湿对黄土结构性参数及围岩压力的影响。研究发现:广义剪应变在塑性区内沿径向增大,在弹性区内逐渐减小,2倍塑性区半径外基本稳定;围岩的黄土结构性参数在塑性区内可认为均匀分布;围岩含水率由2%增加至20%时,塑性区的扩大幅度约为33%,围岩压力的增幅约为10%。研究成果以期对深埋黄土盾构隧道的围岩压力计算提供思路。     

基于黄土联合强度的黄土隧道围岩应力及位移研究

隧道围岩应力及位移计算问题是隧道工程界中传统研究课题之一,但黄土抗拉强度在黄土隧道围岩应力及位移计算中存在的影响需要进行合理性评价。基于建立的可综合考虑黄土抗拉和抗剪特性的联合强度,开展了极限应力平衡分析,重新推导了强度破坏曲线的主应力表达式;然后重新确定了轴对称圆形隧道条件下黄土围岩塑性区半径;最后得到了隧道周边黄土围岩位移表达式。研究结果表明:在围岩塑性区应力计算与比较中,基于联合强度确定的围岩塑性区应力小于基于传统的Mohr-Coulomb理论确定的围岩塑性区应力,而塑性区半径和隧道周边围岩位移相对较大;基于拉强度建立的联合强度理论克服了Mohr-Coulomb理论高估黄土抗拉强度的缺陷,可以合理评价黄土隧道围岩应力及位移。     

小净距平行盾构隧道施工先行隧道管片附加应力监测研究

通过现场监测,研究揭示小净距平行盾构隧道施工中后行隧道掘进引起的先行隧道管片附加应力的变化规律.介绍了管片附加应力测点布置及监测方法,分析给出了管片附加应力动态变化规律,研究了附加应力与后行隧道掘进距离的关系,对管片附加应力的最大值和稳定值进行了统计分析.监测结果表明,当后行隧道掘进到监测断面附近时,附加应力有突变量,水平直径处环向受到压力作用,环向应力的量值比纵向应力大.以期能为评价小净距盾构隧道施工相互影响程度及该类盾构隧道设计,施工提供参考依据.     

挤压性围岩隧道大变形机理及分级标准研究

结合高地应力条件下挤压性大变形隧道--乌鞘岭隧道工程实例,通过变形的现场量测结果,分析了挤压性围岩隧道大变形的基本特征。采用室内试验及现场量测等手段,综合分析确定了围岩物理力学参数,定量分析了洞室周边产生塑性区的条件、塑性区及洞壁位移的影响因素、塑性区半径与洞壁位移的关系。以现场量测数据为依托,结合理论计算,参考以往类似隧道经验,分别考虑了围岩的相对变形、强度应力比、原始地应力、弹性模量作为分级指标,并提出了综合系数α指标,采用综合指标判定法给出了大变形的分级标准,以及相应的防治措施。     

基于幂强化-理想塑性模型的深埋圆形水工衬砌隧洞弹塑性解

为了求解围岩与衬砌相互作用体系下深埋圆形水工衬砌隧洞的应力和位移,首先假定围岩采用幂强化-理想塑性模型,衬砌采用理想弹性模型,然后考虑渗流影响和主应力顺序,推导了施工期和运行期两种工况下深埋圆形水工衬砌隧洞的弹塑性解,最后探讨了围岩与衬砌渗透系数比、幂强化参数、屈服准则三个参数对塑性区半径、切向应力和位移的影响。研究结果表明:围岩与衬砌渗透系数比对施工期切向应力、施工期和运行期塑性区半径影响非常显著;幂强化参数对施工期、运行期的位移和塑性区半径影响比较显著;不同的屈服准则对施工期、运行期塑性区切向应力和塑性区半径影响比较显著。考虑围岩与衬砌的相互作用更接近于工程实际。     

湛江湾跨海盾构隧道管片现场监测试验研究

湛江湾隧道是目前国内最深的跨海盾构隧道,施工及运营期间承受海底60 m的水头压力。结合现场环境条件进行跟踪测试,成功监测到管片外部的水压力、土压力、管片内部钢筋应力和管片间接触应力,对隧道盾构施工松动区的范围、管片混凝土的结构应力进行计算分析,为及时了解工程结构的安全状态、指导安全施工提供实测参数;自创一种盾构隧道管片外部渗压计的安装方法并取得成功,在其他传感器的安装方法上也有所创新;监测成果显示,海底土层盾构工程中,结构外荷载主要以水压力为主,即使在渗透系数小的黏土层中,其外部荷载仍表现以水压力为主的特征。监测方法和成果可为今后沿海软土地区盾构隧道的监测、设计和施工提供重要参考。     

渗流-应力耦合作用下深埋黏土岩隧道盾构施工特性及其动态行为研究

基于连续介质大变形理论和损伤力学理论,将塑性损伤演化与渗流相互耦合的方法引入到Mohr-Coulomb准则,建立黏土岩弹塑性大变形渗流–应力耦合模型,以ABAQUS软件为平台对其进行二次开发。以比利时黏土岩核废料库工程为背景,在全面分析盾构施工影响围岩稳定性因素的基础上,建立反映施工质量的等代层模型,对不同施工质量时盾构掘进过程中围岩及开挖面的变形、孔隙压力及塑性区的演化规律进行数值模拟。计算结果表明,围岩变形在开挖面附近达到最大值,施工质量对围岩稳定性有明显的影响,施工质量越差,开挖扰动区的范围就越大,并且孔隙压力降低的幅度就越大。研究结果可为软岩隧道设计及施工提供参考。     

原状黄土的结构性强度特性及其在黄土隧道围岩压力分析中的应用

依据原状黄土的应力应变变化规律及其抗剪强度随结构性参数的变化规律,揭示了黄土结构性与强度之间的内在联系,表明结构性是黄土强度的控制因素,结构性参数比与黄土的强度比符合简单的正比关系,即结构性越强,土的强度也越高。黏聚力随结构性参数的变化呈双曲线形态,而内摩擦角基本不变。当土的结构完全破损时,黏聚力趋于0,与饱和正常固结土相似。并将抗剪强度随结构性变化的关系引入了黄土隧道力学特性的分析中,指出黄土隧道在开挖和支护过程中,对围岩结构性破坏越大,围岩稳定所需的支护力或塑性区的范围将越大。     

小转弯半径隧道盾构施工技术探讨

针对郑州市轨道交通1号线博体区间的富水砂层小转弯半径盾构隧道工程,从管片选择及盾尾间隙控制、管片壁后注浆加固、管片纵向加强和螺栓复紧、盾构推进轴线预偏、盾构测量与姿态控制、盾构施工参数选择等控制措施进行了论述,通过实际的操作和控制对小转弯半径曲线隧道盾构施工中易出现的管片错台、盾尾管片外弧面碎裂、角部碎损等施工难题给出解决措施,保证了盾构隧道施工的顺利进行,为今后类似工程施工提供了借鉴作用。     

深埋水工圆形隧洞塑性位移三剪统一解

基于三剪统一强度准则和弹脆塑性模型,考虑中间主应力、渗流、剪胀、软化和塑性区弹性模量等因素的影响,推导了含有5种因素综合影响的水工圆形隧洞塑性区位移解析解;通过算例分析,得出了各参数对隧洞塑性区位移的影响规律。结果表明:各参数取不同值时,位移解可退化为一系列解,参数值可根据具体工程进行合理选择,具有广泛的适用性;围岩剪胀特性对隧洞塑性区位移的影响显著,若不考虑其影响,将明显低估隧洞的变形以致工程设计偏于危险;考虑中间主应力的影响能发挥围岩的强度潜能,减少支护,节约工程造价;考虑渗流和软化特性对隧洞塑性区半径的影响可使塑性区范围更接近围岩真实的变形范围;塑性区弹性模量采用含有半径幂函数的表达式可充分考虑围岩受扰劣化后的应力重分布及爆破损伤等影响,更符合隧洞真实变形情况;该位移解为隧洞塑性区位移计算提供了理论依据,对工程设计有一定的参考价值。     

双连拱隧道偏压段管棚效应分析

 在海床复杂的地质条件下，海底双连拱隧道与陆地连接的浅埋软岩段容易形成偏压，从而影响围岩的稳定性。采用三维弹塑性有限差分法对双连拱隧道进口偏压段管棚的预支护作用进行分析，并分析了不同管棚参数下的计算结果。研究的主要内容包括：(1) 计算了隧道在有管棚支护和无管棚支护条件下的拱顶下沉和塑性区分布；(2) 给出了管棚设计参数和优化参数下不同的变形和弯矩变化；(3) 分析了拱顶下沉和水平收敛的FEM计算结果和实际测量结果。 计算结果表明，管棚支护和注浆加固围岩能有效减小隧道周围由偏压引起的塑性区，软岩中双连拱隧道偏压段采用管棚支护是很必要的；偏压通常会使连拱隧道侧洞的应力状态不同从而造成围岩变形的不同，为了更有效地控制围岩变形在管棚支护的设计中应该采用不均衡设计；数值计算结果与实测结果的一致性进一步说明了管棚优化设计的合理性。     

隧道围岩压力的弹塑性新解

在隧道衬砌设计中,围岩压力通常是最主要的荷载,也是最难以确定的荷载。围岩压力的弹塑性理论研究也从未间断。经典的芬纳公式和修正芬纳公式由于塑性区半径的不确定性而限制了其实际工程应用。以修正芬纳公式为基础,考虑围岩与衬砌的共同作用,在未作塑性区体积不变的假设条件下,推导得到塑性区半径的理论计算方法,从而可以直接应用修正芬纳公式计算围岩压力,为隧道衬砌设计提供指导。     

公路隧道围岩压力研究与发展

由于岩土体性质、地应力、边界条件、施工过程等方面的复杂性和随机性,使得公路隧道围岩压力的确定或计算变得十分困难.近百多年来,国内外的学者不断地结合新工艺、新技术,从不同角度出发对其进行了深入的研究,从最初的松动压力到现在的形变压力、从经验公式法到反分析预测法等,取得了不少有价值的成果.但随着近年来公路隧道的结构越来越复杂、断面越来越大,现有的这些围岩压力的计算方法已很难满足其建设的需要,发展更加合理的围岩压力计算方法已经成为一种迫切的需要.作者首先对经验公式法、理论计算法、现场量测法、模型试验法和反分析预测法等围岩压力计算方法的研究和发展进行分析和评价,指出这些方法中普遍存在的问题.在此基础上对我国公路、铁路隧道中经验公式的适应性和适用性进行了重点讨论,旨在为公路隧道围岩压力计算的研究和发展提供借鉴和参考意义.     

洞室衬砌与围岩相互作用机理研究

洞室开挖后围岩应力重新分布,引起围岩持续变形。修正的芬纳公式给出了无限大均匀体中轴对称圆形洞室塑性区大小的理论计算方法,该公式在地下洞室计算中得到了广泛的应用。根据修正的芬纳公式,按主应力大小不同分成两种况,分别推导出洞室周边弹塑性位移公式,分析了衬砌与围岩相互作用的机理,得出了围岩与衬砌相互作用规律,并提出了洞室支护的一些措施,为洞室衬砌设计提供指导。     

湿陷性黄土隧道的工程性质分析

黄土隧道往往具有特殊的湿陷性黄土围岩和干旱半干旱气候地区特殊的地形地貌及地质环境,对隧道结构构成了潜在的不利影响。在对湿陷性黄土隧道修建和运行中工程特性认识的基础上,首先,根据地形地貌、地层结构、侵蚀发育、地下水条件和黄土浸水水源,进行了隧道的岩土环境等级和浸水等级划分,以及湿陷性黄土隧道的环境等级划分。其次,给出了隧道黄土地基湿陷变形量的计算分析方法,依据黄土地基湿陷变形不均匀沉降对衬砌结构的作用影响,以及列车运行对路基沉降变形的控制标准和建筑地基湿陷变形对结构的作用影响,确定了隧道湿陷性黄土地基等级的划分标准。最后,考虑到现行《湿陷性黄土地区建筑规范》适用的局限性,结合湿陷性黄土隧道的工程特点,针对隧道施工过程中围岩稳定性和湿陷变形对衬砌结构影响的两个重要问题,相应的提出了隧道地基湿陷性变形的评价方法和围岩压力的确定方法;由竖向压缩应力系数确定湿陷压缩应力,结合试验得出的湿陷系数计算隧道下地基土在实际压缩应力条件下的湿陷变形量。在考虑黄土结构性的条件下,利用太沙基公式计算隧道围岩压力,得到了围岩压力随黄土构度的变化关系。     

基于可拓学理论的黄土隧道围岩分级方法研究

为解决现有黄土隧道围岩分级方法理论依据不足的问题,在总结分析黄土隧道围岩力学性能、构造特性评价指标的基础上,利用可拓学理论建立关联函数,解决各评价指标之间的融合问题,对黄土隧道围岩分级做一些探索性的工作,以期为黄土隧道的设计与施工提供理论依据。研究结果表明:基于可拓学理论的黄土隧道围岩分级方法综合考虑了黄土的强度性质、变形性质、各向异性、构造特性,使得其分级结果更加客观、准确;利用可拓围岩分级方法求得的掌子面围岩的关联度不仅可判定掌子面围岩级别,而且其数值大小可定量反映掌子面围岩质量好坏程度;可拓围岩分级结果与现场围岩级别分类的结果基本一致,存在的分级误差基本属于“亚级”之间的差异,未出现“跳级”现象;且该结果与规范中围岩分类结果相比,其准确度更高。     

水蚀影响下大跨钙积黄土隧道开挖稳定性分析

钙积黄土隧道施工过程力学响应复杂,以周山隧道为例,通过对场址周围地质特征分析,明确隧道灾害机制,并提出考虑水蚀软化影响的围岩压力计算方法,进一步通过数值模拟探究不同开挖方式对钙积黄土隧道稳定性影响规律。研究结果表明:(1)钙积黄土水蚀软化作用明显,隧道开挖需格外重视水对隧道稳定性的影响;(2)考虑钙积黄土浸水软化的围岩压力计算简化模型,计算参数选取简便,可用于隧道开挖稳定性的理论计算;(3)在钙积黄土发育地段,建议根据地质和水文条件对CRD与CD等工法进行比选,当地层含水率ω>25%时,宜采用CRD法施工。