Forward prediction for tunnel geology and classification of surrounding rock based on seismic wave velocity layered tomography

Excavation under complex geological conditions requires effective and accurate geological forward-prospecting to detect the unfavorable geological structure and estimate the classification of surrounding rock in front of the tunnel face. In this work, a forward-prediction method for tunnel geology and classification of surrounding rock is developed based on seismic wave velocity layered tomography. In particular, for the problem of strong multi-solution of wave velocity inversion caused by few ray paths in the narrow space of the tunnel, a layered inversion based on regularization is proposed. By reducing the inversion area of each iteration step and applying straight-line interface assumption, the convergence and accuracy of wave velocity inversion are effectively improved. Furthermore, a surrounding rock classification network based on autoencoder is constructed. The mapping relationship between wave velocity and classification of surrounding rock is established with density, Poisson's ratio and elastic modulus as links. Two numerical examples with geological conditions similar to that in the field tunnel and a field case study in an urban subway tunnel verify the potential of the proposed method for practical application.     

基于隧道空间全波场二维数值模拟与特征分析

基于隧道地震波场二维数值模拟是研究隧道超前探测过程中地震波传播规律的基础,目前关于这方面的研究均建立在隧道侧壁观测系统的基础上,并且把隧道空间作为与周围地层具有同样弹性参数的均匀介质考虑,因此不能实现全波场模拟,与实际存在差异。基于实际隧道空间,建立了更加接近实际的隧道地质模型,实现了隧道空间的二维全波场模拟。通过二维全波场模拟及实例结果对比分析表明：① 采用空间四阶时间二阶交错网格有限差分法能有效实现基于隧道空气介质的二维全波场模拟;② 当地质界面倾角为90°时,掌子面附近激发的共激发点观测系统比侧壁的共接收点观测系统更有利于反射波的获取;③ 随着地质界面倾角的减小,界面同侧激发和接收的反射波能量增强;④对于局部地质体和大倾角地质界面,掌子面附近激发横波能量强于纵波,有利于横波成像。     

基于中厚圆柱壳理论的地铁隧道结构振动特性分析

以土介质中的地铁隧道为研究背景,首先利用考虑横向剪切变形的中厚圆柱壳理论建立了隧道结构的振动方程,其次利用均匀、各向同性、线弹性介质的Navier’s波动理论建立了隧道周围土体的运动方程,在此基础上,利用波传播方法,通过接触面连续条件建立了考虑土层-隧道结构动力相互作用的隧道结构振动控制方程,继而利用其频散特征方程,对隧道结构的振动特性进行了分析,并与基于薄壳理论、有限元理论的相应结果进行了对比,验证了方程的有效性,进而就隧道半径、壁厚、长度以及隧道埋深对隧道结构振动特性的影响进行了分析。     

基于椭圆展开共反射点叠加的隧道地震波超前探测成像方法与应用

采用地震波法探明隧道前方断层、溶洞等不良地质体,是隧道施工安全的重要保障,而有效的成像方法则是关键。椭圆展开是一种新型的偏移成像方法,已在地表地震勘探中得到应用,然而尚未被引入隧道地震探测中。针对隧道环境,基于非标准椭圆方程,构建了隧道空间观测方式椭圆展开方法,同时重新设定隧道轴线方向为椭圆展开法向出射点方向,实现了对隧道掌子面前方区域地质的成像;通过共震源点地震记录的椭圆展开及相干叠加,最终实现掌子面前不良地质的识别和定位,形成了基于椭圆展开共反射点叠加的隧道地震波超前探测成像方法。在此基础上,基于交错网格有限差分方法,对岩性界面和断层进行了系统的正演成像研究,分析了不同地质模型的成像特征;最后,依托现场进行了探测试验,探测结果与开挖揭露情况基本一致,验证了成像方法的有效性和实用性。     

土岩变化地层长隧道纵向地震响应解析解

土岩地层交界面是制约长隧道结构抗震安全的关键控制节点,但现有设计方法均未考虑隧道沿其纵向的地层变化。基于隧道的动力响应特点提出力学模型,将隧道沿纵向简化为两段处于不同地层条件中的半无限长弹性地基梁。通过求解结构的位移微分控制方程,推导出土岩变化地层长隧道纵向地震响应的解析表达式,并引入位移相位角模拟行波效应,提出了面向工程设计的土岩变化地层长隧道纵向抗震简化分析方法。通过与有限元基准模型在相同条件下的对比分析,验证了该方法的有效性。最后应用该解析公式进行参数敏感性分析,揭示了结构刚度、地层剪切波速比等关键因素对土岩变化地层隧道结构地震响应的影响规律:隧道结构刚度越大,结构内力响应越剧烈,隧道地层突变段的内力峰值差越大,地层突变的影响范围也随之变宽;地层剪切波速比越大,隧道地层突变段的内力峰值差越大,但地层突变的影响范围却不受影响。     

隧道地震超前探测正演与应用研究

针对隧道开挖过程中常见的不良地质体断层和岩溶,进行了地震正演研究。波场快照显示在隧道观测系统条件下,可接受到超前方向断层和岩溶反射的地震波场。其中,断层模型波场清晰,可以发现明显的反射P波、反射S波、透射P波和透射S波;而岩溶模型由于其形态不规则,波场比较复杂,岩溶模型长边为10 m、短边为5 m时,也可以识别反射P波和转换S波,以上正演结论展示了地震波在断层和岩溶中的传播过程,说明了隧道地震预报的可行性,将该方法在郑万铁路雷家坡隧道进行了工程应用,解释结果与现场情况高度一致,说明该方法可以为隧道工程安全掘进提供参考依据。     

基于薄壁圆柱壳理论的盾构隧道抗震拟静力分析法

为简化盾构隧道抗震分析,在获得深埋盾构隧道周边自由场剪应变和剪应力的基础上,基于弹性薄壁圆柱壳理论,给出了求解深埋盾构隧道水平地震剪切波作用下的附加内力计算公式,并与同等条件等效刚度数值分析方法结果进行了对比。研究表明：滑移和不滑移条件下的拟静力计算结果与相应的数值分析结果具有良好的一致性,说明基于弹性薄壁圆柱壳理论获得的盾构隧道拟静力公式具有良好的合理性。研究还表明：水平地震剪切波作用下,可滑移条件下的附加弯矩和附加剪力分别大于不滑移条件下的附加弯矩和附加剪力,可滑移条件下的附加轴力小于不滑移条件下的附加轴力;附加弯矩和附加轴力呈现反对称分布特性,其最大值通常分布在45°和225°雷达对称轴或135°和315°雷达对称轴上,附加剪力最大值一般分布在0°和180°雷达对称轴上。研究结论对盾构隧道工程抗震设计具有一定的参考价值。     

地表移动荷载对既有地下隧洞动力影响解析研究

为获得地表移动荷载对地下隧洞的动力影响,首次给出了地表移动荷载作用下半空间隧洞动力响应解析解。地表移动荷载采用移动简谐荷载模拟,含隧洞半空间地基通过各向同性弹性介质模拟。基于弹性地基控制方程在直角坐标系和柱坐标系下基本解及平面与柱面波函数波形转换,结合地基表面和隧洞柱面施加边界条件,在频域中求得移动荷载下半空间弹性地基与隧洞解析解答,并结合快速Fourier逆变换求得隧洞时域动力响应。利用本解析模型,可计算获得地面移动荷载引起的地下隧洞振动影响,通过与已有研究对比,对本模型正确性进行验证。计算分析了不同荷载移动速度与隧洞埋深下,隧洞表面位移、加速度和地基中动应力响应。研究表明,随着荷载移动速度增加,隧道拱顶地基中动应力与振动加速度均显著增加。地基中动应力随隧道埋深增加迅速衰减,隧洞加速度随埋深衰减相对较慢,但当隧洞埋深超过某一临界深度时,隧洞振动可低于我国规范规定限值。在低速范围,隧洞临界深度随荷载速度线性增加,但当荷载速度超过一定值,隧洞临界深度随着荷载速度呈指数型增长。     

地震分析中的人工边界及其在LS-DYNA中的实现

 地震分析中的局部人工边界由于具有易于实现、稳定性较好的特点,目前在时域有限元法中得到广泛应用。基于球坐标系的膨胀波(P波)和剪切波(S波)理论,引入无限介质线弹性本构关系,并采用多个平面子波和远场散射波混合透射,推导一种新的三维黏弹性人工边界方程。在有限元分析中采用边界单元作等效处理,并将地震加速度记录转化为基底边界单元上的等效节点力进行输入,建立一种新的地震反应数值模拟技术。最后以人防工程结构的地震分析为例,利用有限元软件LS-DYNA分析弹性边界、透射边界及黏弹性边界对计算结果的影响。数值模拟表明,黏弹性人工边界简单实用,可解决地震动输入和自由场响应模拟问题,能更好地模拟人工边界外半无限介质的弹性恢复性能和能量辐射作用,并验证其有效性。     

层状地基中隧道开挖对临近既有隧道的影响分析

首次采用弹性层状半空间地基模型,建立了多层地基中隧道开挖对临近既有隧道影响的连续弹性分析方法,改变了过去采用简化分析方法仅能在均质地基中求解此类工程问题的状况。首先,采用Laplace积分变换得到了直角坐标系下单层地基应力和位移的初始函数,在此基础上,运用矩阵递推技术,给出了竖向荷载作用下层状地基中应力和位移的解析表达式并将其作为分析该问题的基本解。然后,采用弹性层状半空间地基模型将既有隧道视为Euler-Bernoulli梁,地基土体连续位移采用弹性层状半空间体系的基本解进行计算,并引入临近隧道开挖引起的土体自由位移场影响建立该问题的连续弹性求解方程,从而可以求得隧道纵向位移和内力。最后,结合离心模型试验和有限元数值模拟算例进行分析,验证了本文方法的有效性。此外,为考察地基土成层性对既有隧道性状的影响,还对几种典型层状地基中的隧道进行了参数分析。成果可为合理制定地下工程施工对临近既有隧道的保护措施提供一定的依据。     

超长沉管隧道纵向地震响应频域分析方法

中国目前还没有专门的沉管隧道抗震规范,且以往的地震响应分析方法考虑的因素不够全面,比如通常忽略隧道惯性的影响、不能考虑复杂地基条件、不能考虑沉管底部非一致地震激励以及不能考虑土体动刚度系数和阻尼系数的外部激励频率相关性等。基于此考虑,在借鉴日本水下隧道抗震设计规范所推荐方法(响应位移法)的基础上,利用Winkler地基梁理论和快速Fourier变换技术,建立了动力Winkler地基梁频域分析方法。最后,分别采用响应位移法和本文所提之分析方法对港珠澳大桥海底沉管隧道工程进行了纵向地震响应计算,对两种计算方法作了讨论和评价,并提出了一些对港珠澳沉管隧道工程抗震设计具有参考价值的结论和建议。     

水下盾构隧道抗震设计分析方法的适应性研究

 针对断面大、水头高，结构复杂的水下盾构隧道，通过分析其在横向和纵向结构特点，提出了合理的抗震设计方法。在地层条件较均匀的横断面，通过成层重复反射理论，计算出工程场地地层的实际地震响应，采用反应位移法对隧道典型断面进行地震反应分析，再将其结果与静力计算结果叠加后作为抗震设计的依据。纵向则考虑线状结构特点、沿隧道纵向地层的不均匀性、地震行波效应和边界效应等方面的因素，应用三维时程响应法加以计算分析。对2种方法的特点、适用条件和分析流程进行了系统阐述，并将其应用于越长江盾构隧道工程，揭示了该典型水下盾构隧道的动力响应特征及抗震的薄弱部位。     

Rayleigh波作用下圆形隧洞衬砌横向内力的解析解

 考虑土–结构相互作用,Rayleigh面波入射下隧洞衬砌的横向内力解析解至今比较少见。采用拟静力法,基于地下结构力学和平面弹性波动理论,推导出均匀介质中Rayleigh波以任意角度入射时圆形隧洞衬砌的横向内力解析解,考察土–结构交界面之间存在完全滑移和无滑移2种极限接触状态。算例表明,在Rayleigh波作用下,当其传播方向与隧洞轴向垂直时,衬砌的横向内力取得最大值,且内力在2种极限接触状态下的差别不大;与SV波作用效应相比,Rayleigh波作用下的衬砌横向内力均要大,尤其是轴力要大很多,这是由于Rayleig波中的P波分量造成的。浅埋隧洞衬砌的抗震设计,应充分重视Rayleigh波的作用效应。     

SH波作用下山岭隧道洞口段结构动力响应研究

 基于弹性波动理论,将山岭隧道洞口段简化为单面边坡模型,考虑波在洞口边坡的反射效应,推导垂直入射SH波作用下隧道轴线上的位移场分布,并将隧道简化为三维薄壁壳结构,以得到在该位移场作用下隧道结构的动力响应。针对上述分析结果开展山岭隧道洞口段振动台模型试验,以验证理论模型的合理性,并综合分析得到如下结论：将隧道结构动力响应看作横截面与纵向响应的叠加,隧道结构横截面发生剪切变形,两侧拱肩与拱脚为抗震的薄弱环节,变形效应沿轴向缓慢增加,此响应为平行隧道结构横截面传播的SH波作用所致;隧道结构纵向发生水平剪切变形,变形效应沿隧道轴向逐渐减弱,洞口处产生较大刚性位移,在施工缝存在的情况下,隧道结构在洞口附近易沿施工缝产生错台现象,此响应为沿轴向传播的SH波所致。此规律表明,隧道结构的纵向抗震设计同样值得关注。     

爆炸地震波作用下深埋圆形隧道的动力响应分析

 深地下结构在爆炸地震波作用下的动力响应是防护工程设计和评估的重要问题,发展适应深部特点的快速计算方法具有重要意义。采用集中质量方法将圆形隧道离散为有限自由度体系,并将爆炸地震波的作用看作一系列作用在集中质量上的动力,利用局部变形理论将围岩的弹性抗力简化为弹性链杆,采用矩阵力法考虑结构在各种内力作用下产生的自身变形和弹性半空间的变形,并据此建立结构动力方程矩阵。通过对结构动力方程的求解,可以得到结构的动力集中系数和结构内力、弯矩、位移等参数。采用所提出的方法计算一个算例,分析围岩等级、荷载作用位置、正压作用时间以及入射波角度等因素对隧道衬砌结构动力响应的影响。     

行波效应下曲线隧道动力响应解析解

隧道曲率变化段是制约隧道结构抗震安全性的关键控制区段,但目前隧道抗震设计仅以横断面剪切变形为主,未考虑隧道沿纵向的曲率半径变化,缺乏针对曲线隧道的纵向抗震简化分析方法。将曲线隧道沿纵向简化为作用在黏弹性地基上的变曲率有限长均质Euler-Bernoulli梁,基于Hamilton原理及黏弹性地基梁理论建立了结构的微分动力控制方程及边界条件,并通过模态叠加法进行求解,推导出任意动载作用下曲线隧道的位移、速度、加速度、弯矩、剪力等动力响应的解析表达式,以行波荷载为例,给出行波效应下曲线隧道动力响应的退化解答。通过与有限元基准模型在相同条件下的对比分析,验证了所推导解析解的正确性。最后应用该解析公式进行参数敏感性分析,揭示了隧道曲率半径、行波波速、行波频率及地层–结构相对刚度比等关键因素对曲线隧道结构动力响应的影响规律。     

凸起地形中半圆形衬砌隧道对SH波的散射解析解

根据弹性波动理论,结合分区和契合思想,利用傅里叶级数展开法,由连续性条件和自由地表边界条件,求得了凸起地形中衬砌隧道对SH波散射的解析解。通过研究半圆形山岭衬砌隧道对SH波散射的影响,得到的计算结果表明:对于软性和硬性衬砌隧道而言,凸起地形对地震波有明显的放大作用,当入射频率增大时,地表位移幅值也增大,这种现象在凸起地形范围内尤为明显;当入射频率较低时,位移幅值在凸起地形附近变化明显。与此同时,刚性衬砌表面的动应力集中现象尤为显著。除此以外,结果还表明动力反应特征主要影响因素包括入射波角度、入射波频率及衬砌材料属性等。     

考虑隧道剪切效应的基坑开挖对邻近隧道纵向变形分析

 基坑施工将打破周围地层已平衡的应力场,引起应力释放,对既有下卧地铁隧道产生不利的影响。针对既有研究的不足,提出考虑隧道剪切效应的基坑开挖对下卧隧道影响的解析解。既有隧道简化为搁置于Winkler地基上的Timoshenko梁。通过两阶段分析法,考虑基坑卸荷作用下已建隧道的响应。首先基于Timoshenko梁理论,建立考虑隧道剪切效应的隧道纵向变形微分方程,然后将由Mindlin弹性解计算得到附加荷载施加于既有隧道上,最后通过有限差分法得到在附加荷载作用下隧道的纵向变形解答。收集3个已发表工程实例的实测数据,并与本文方法及Euler-Bernoulli梁法的计算结果进行对比分析,发现实测结果与2种方法得计算结果有较好的一致性。然而,在内力分析上,相对比于本文方法,Euler-Bernoulli梁法明显高估基坑卸荷引起的隧道弯矩与剪力。由于本文方法可有效模拟既有隧道剪切效应,因而可进一步给出1在卸荷作用下隧道管片间错台量。研究成果可为合理预测邻近基坑施工对既有隧道的影响提供一定的理论支持。     

沉积河谷-衬砌隧道体系对平面P波的散射

沉积河谷对地震动的放大效应已为地震观测和理论研究所证实。现实中有大量隧道穿越河谷情况,而河谷中隧道地震反应规律尚不明确。为此,本文建立沉积河谷-衬砌隧道整体二维平面应变模型,基于一种高精度边界间接积分方程法,对河谷中隧道地震响应及动应力集中进行模拟分析。大量参数计算结果表明:沉积河谷中隧道地震反应更为剧烈,动应力集中更为显著,应力峰值可达到入射波应力幅值的数十倍。随隧道埋深加大,应力频谱振荡加剧且峰值频率发生明显变化。部分频率段,隧道对河谷地表位移同样有较大的扰动。穿越河谷隧道的抗震设计需考虑河谷中地震动放大效应对隧道内力和变形的显著影响。     

Physical model simulation of rock-support interaction for the tunnel in squeezing ground

The existence of squeezing ground conditions can lead to significant challenges in designing an adequate support system for tunnels.Numerous empirical,observational and analytical methods have been suggested over the years to design support systems in squeezing ground conditions,but all of them have some limitations.In this study,a novel experimental setup having physical model for simulating the tunnel boring machine(TBM)excavation and support installation process in squeezing clay-rich rocks is developed.The observations are made to understand better the interaction between the support and the squeezing ground.The physical model included a large true-triaxial cell,a miniature TBM,laboratoryprepared synthetic test specimen with properties similar to natural mudstone,and an instrumented cylindrical aluminum support system.Experiments were conducted at realistic in situ stress levels to study the time-dependent three-dimensional tunnel support convergence.The tunnel was excavated using the miniature TBM in the cubical rock specimen loaded in the true-triaxial cell,after which the support was installed.The confining stress was then increased in stages to values greater than the rock’s unconfined compressive strength.A model for the time-dependent longitudinal displacement profile(LDP)for the supported tunnel was proposed using the tunnel convergence measurements at different times and stress levels.The LDP formulation was then compared with the unsupported model to calculate the squeezing amount carried by the support.The increase in thrust in the support was backcalculated from an analytical solution with the assumption of linear elastic support.Based on the test results and case studies,a recommendation to optimize the support requirement for tunnels in squeezing ground is proposed.