位移向量方位趋势线在乌鞘岭隧道工程中的应用研究

采用高精度全站仪配合反射膜片所组建的三维变形观测系统对乌鞘岭隧道F7断层和志留系板岩夹千枚岩地段的三维位移进行测试和分析,并借鉴欧洲学者所发展的隧道三维变形展示方式来呈现隧道开挖地层的反应特性和变形特征.研究结果表明,用相距开挖面约1.0倍洞径处或在1.0倍洞径内的位移向量方位趋势线,可反映出一定区域岩体刚度的分布状况及变化趋势,并预判隧道开挖地层中一定范围内软硬岩层的变化趋势或可能存在的不良地质结构.目前国内尚处于试验探索阶段,宜将隧道开挖产生的位移信息与实际揭露出的围岩地质状况进行大量的对比分析与研究,并可辅之以其他的超前地质预报手段,以合理预测隧道前方的地质情况.     

龙滩水电站左岸地下厂房区三维地应力场反演分析

在龙滩地下厂房区工程地质和试验洞变形监测结果综合分析的基础上，建立地质概化和试验洞施工开挖模型；采用地应力场随埋深变化呈线性分布的假设，并根据地应力测试成果，确定地应力场的分布区间。在此基础上，采用均匀设计方法和三维显式有限差分法，通过模拟试验洞的开挖变形，对龙滩水电站厂房区岩体地应力场进行了三维变形反演分析。对比计算位移和监测位移，计算各方案的位移目标函数，获得了岩体地应力场沿深度的分布规律。比较监测与计算位移，两者在量值上相当，在变形趋势上也基本相同，而且实测与计算所得的地应力值较吻合，表明所获得的岩体地应力场是基本合理的，同时说明此反演方法简便、有效。     

乌鞘岭隧道三维地应力场多元有限元 回归拓展分析

 采用三维有限元多元回归分析方法,基于有限测点的地应力量测结果,拓展分析隧道区原始宏观地应力场。建立隧道区两个大规模三维计算模型,通过有限元分析软件ANSYS对重力、水平挤压和剪切等4种工况的构造应力场分别进行计算。编制三维地应力场多元回归分析计算机软件MEBA以及与ANSYS的接口程序MEBAC,实现地应力场的多元回归拓展分析,着重分析乌鞘岭隧道岭脊地段的复杂应力状况、应力值的宏观大小和规律,特别是F4,F5,F6,F7断层及其附近的应力状况。宏观地应力场的分析结果表明,乌鞘岭隧道宏观地应力场的主应力方向为N21.2°E,与隧道轴线的夹角为38.2°,断层区隧道衬砌具有纵向挤压和横向受力不对称的特点。区段地应力值高,在隧道轴线位置,最大垂直地应力为32.10 MPa,垂直于隧道轴线方向最大水平地应力为21.72 MPa。宏观地应力场的分析结果对工程的动态设计与施工具有重要参考价值。     

高地应力软岩隧道围岩压力研究和围岩与支护结构相互作用机制分析

岩体开挖后受扰动而产生应力重分布过程极其复杂,尤其是在不良地质环境下更甚。对于地质条件差、地应力为高~极高的软弱围岩,其结构受力大小与受力特征对隧道结构安全尤为重要。针对目前研究中存在的问题,结合工程中出现的问题和实际需求,以高地应力软弱围岩条件下的关角隧道、木寨岭隧道等工程为背景,通过地应力现场实测、理论研究与数值分析,对高地应力软岩隧道围岩压力和围岩与支护结构相互作用机制进行研究。主要进行以下几方面的研究工作:(1)在中国地应力场分布规律统计分析基础上,统计得到我国青藏地区平均水平地应力与垂直地应力的比值随深度变化的分布曲线。(2)采用水压致裂法进行兰渝线天池坪隧道和两水隧道地应力现场实测。在此基础上,分析隧道所处的原始高地应力水平及隧道开挖后的地应力分布规律;采用改进的BP神经网络进行了木寨岭、天池坪等隧道的宏观地应力场拓展分析,获得地应力的宏观分布形态与特点。(3)针对现有本构关系,对高地应力软岩尚不具有广泛代表性和卡斯特耐尔公式无法直接计算出在塑性区范围不同发展过程对应的塑性形变压力的问题,以原岩应力和隧道容许位移(或支护后实际量测位移)为出发点,采用岩体软化"直–曲–直"模型,推导了隧道形变压力计算公式。(4)利用台阶法开挖中存在的空间效应和改进的BP人工神经网络模型预测位移以及多项式拟合预测方法,提出两类在高地应力软弱围岩条件下使用开挖应力释放率模型的方法。通过在关角隧道和木寨岭隧道大战沟斜井高地应力软岩地段的应用,探讨其结构荷载与应力释放规律,其结果得到三维数值分析的验证。(5)为验证卡斯特耐尔扩展公式合理性,基于参数全过程变化的应变软化FLAC3D三维数值模型,模拟木寨岭隧道正洞高地应力软岩地段隧道开挖支护过程。三维数值结果与卡斯特耐尔扩展公式计算结果吻合,进一步证明该公式在高地应力软弱围岩条件下应用的可靠性、适用性。在统计青藏地区地应力分布规律基础上,结合现场实测和拓展分析,准确获得高地应力软岩隧道位置原始地应力,为研究围岩压力和围岩与支护结构相互作用机制提供依据。在原始地应力基础上,结合理论分析和数值仿真,获得高地应力软岩隧道的围岩压力计算方法和围岩与支护结构相互作用机制。主要创新点体现以下4个方面:(1)统计分析得到我国青藏地区平均水平地应力与垂直地应力的比值随深度变化的分布曲线。总结出青藏地区地应力分布规律与特点,为判别该区域地应力测试结果的合理性提供依据。(2)针对高地应力条件下软岩隧道大变形问题,引入岩体软化"直–曲–直"模型,推导出适用于高地应力软岩隧道基于原岩应力和隧道位移的隧道形变压力计算公式。(3)提出2种在高地应力软弱围岩条件下使用开挖应力释放率模型的方法。(4)为在三维数值分析中反映软弱围岩参数随坑道变形而不断变化的特性,引入参数全过程变化的应变软化模型,利用FLAC3D软件验证卡斯特耐尔扩展公式应用于高地应力软岩隧道的可靠性和适用性。     

糯扎渡水电站#2导流洞三维非线性有限元反分析

糯扎渡水电站#2导流隧洞开挖经过F3断层,开挖过程中,F3断层影响带附近的岩体力学参数直接控制着围岩的变形和应力分布。为了评判后续Ⅱ、Ⅲ层开挖围岩的稳定性,需要反演出F3断层附近围岩的岩体力学参数和初始地应力场。对于隧洞开挖反分析问题,考虑到现场位移监测数据与隧洞开挖之间的相互关系,采用开挖位移增量形式进行反分析,并且分析了三维非线性有限元以开挖位移增量的均方误差作为目标函数的反分析计算过程。为了减少现场的位移量测数据对反分析结果的影响,改善其规律性,采用多元线性回归模型对位移监测数据进行整理,有效的提高了反分析计算结果的精度。最后,利用上述方法反演得到了#2导流隧洞F3断层附近岩层的岩体力学参数和初始地应力场。     

破碎炭质板岩隧道大变形机理模型试验研究

西南地区隧道开挖过程中经常出现大变形的危害，以破碎炭质板岩隧道的变形情况尤为严重。以某新建隧道出现的大变形情况为主要研究内容，通过对隧道变形的规律及特征进行分析，初步确定了隧道变形的主要因素，通过室内模型试验，对地应力的大小及围岩特性进行模拟，得到了不同因素下隧道的变形特征。试验结果表明，地应力对变形的分布规律有一定的影响，但是开挖后应力释放引起的炭质板岩强度劣化及扩容是形成隧道大变形的主因。通过岩样的X射线衍射（以下简称XRD）成分测定分析，得到了该隧道大变形的变形机理，由此提出了隧道大变形的主要措施，供相关隧道的设计及施工参考。     

盾构隧道开挖面稳定渗流场与应力场耦合分析

地下水作用下成层土盾构隧道开挖面稳定性成为该领域的重要课题。文章利用有限差分数值方法对盾构隧道开挖面渗流场与应力场的耦合进行了分析,探讨了渗流力对开挖面稳定的影响。根据稳定性理论的基本原理,把由于开挖面支护压力的微小变化导致开挖面中心点水平位移突变时的支护压力定为极限支护压力。考虑渗流场时,隧道开挖面失稳的极限支护压力等于作用于开挖面的有效支护压力和渗透力的总和。流固耦合数值模拟分析了地下水作用下支护压力与开挖面变形以及应力的关系,孔隙水压力的逐渐消散导致土体中发生沉降。通过孔隙水压力的存在对盾构隧道开挖面的塑性状态、应力、位移及其大小的影响比较发现:渗流场与应力场的耦合对隧道开挖面稳定产生很不利影响,是不可忽视的重要因素。     

三维有限元分析隧道开挖收敛损失与纵剖面 变形曲线关系研究

采用实验室研发的三维有限元程序,运用隧道收敛-约束法的分析模式,针对岩体弹性参数、初始应力与隧道径向位移等影响因素,探讨有支撑与无支撑情况下的隧道开挖收敛损失与纵剖面变形曲线关系.采用纵剖面变形曲线的研究结果,并与三维有限元数值计算结果相比较,探讨收敛损失的影响.由隧道收敛-约束法理论分析结果与三维有限元数值计算结果可知:(1) 确立隧道开挖收敛损失与纵剖面变形曲线的关系;(2) 隧道纵剖面变形曲线的归一化处理方式,可消除岩体参数、初始应力和隧道收敛的位置等因素影响;(3) 在弹性条件下,隧道开挖面产生的前期位移量约为最终位移量的25%～36%;(4) 由二维纵剖面变形曲线的分布,可计算并获得隧道开挖收敛损失值、了解隧道开挖工作面效应的三维影响,进而能计算分析岩体结构的应力与位移等变化量.     

穿越断层破碎带公路隧道现场监测与分析

以高湖头隧道为依托,选取F9断层对隧道围岩变形与支护受力进行监测并分析,发现围岩变形与支护受力随时间都呈现出明显的阶段性;围岩变形在隧道开挖后就已经完成了69%;支护结构最大受力都出现在隧道拱顶处。     

谈单线铁路隧道板岩地层大变形段支护技术

在对比国内外大变形隧道产生变形的原因及处理措施的基础上,通过施工现场实践,针对关角隧道板岩破碎地段的开挖支护经验进行了总结,并整理出了单线铁路隧道在板岩破碎地段的合理支护参数和断面形式,为今后相近工程的设计及施工提供了指导。     

乌鞘岭隧道F7断层施工力学行为研究

结合软岩隧道工程地质和支护特点,对乌鞘岭隧道F7断层软岩施工中的力学性态进行了计算分析.对于施工中出现的软岩挤压大变形问题,从岩体流变学和隧道施工力学的观点与方法出发研究围岩的受力和变形,分析了隧道施工过程的三维时空效应,有机地耦合了作业面的空间效应和软岩时效特性.考虑围岩流变特性,分析了围岩-支护系统变形、受力随时间发展规律,并将计算成果和现场实测数据进行了比较验证,以使力学计算更好地参与到隧道信息化设计和施工中.     

木寨岭隧道大变形分级标准与支护时机研究

依托兰渝铁路木寨岭隧道工程,对建设过程中大量监控量测数据的统计分析,获得了木寨岭隧道最大水平收敛变形、沉降变形以及挤压大变形的分布规律。基于现场监控量测数据和现场施工过程调查,从有利于应力释放、支护变形可控及降低二衬挤压形变压力的角度,建立了炭质板岩隧道支护位移管理基准和挤压大变形分级标准,这些标准对于炭质板岩等挤压大变形地层中隧道的建设管理具有重要指导意义。最后,基于监控量测得到的初期支护收敛速率与大变形分级标准,开展了炭质板岩隧道二衬施作时机研究,结合工程经验类比,得到了大变形地层二衬施作时机的变形控制基准。这些基准在木寨岭隧道等其他隧道工程中得到了广泛的应用。     

沿街城市浅埋隧道的三维施工效应分析

采用三维有限元方法动态模拟了城市地下沿街浅埋隧道的施工过程,分析和探讨了在此过程中引起的地层应力、地面沉降、地表超前沉降和隧道围岩变形特征,并与实测值进行比较。研究结果表明:在掌子面向前推进时,拱顶沉降受其影响的墙后距离约为2.5B (B为隧道净宽);拱顶产生的最大沉降量随开挖面的推进在逐渐增大;有限元模拟结果与实测值相吻合,由于没有考虑地下水等因素的影响其小于实测值。其分析结果具有一定的理论和实际意义,为相似工程提供了借鉴和指导。     

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。     

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。     

Response of sandy soil to the volume losses at the tunnel face level

Recent research does not fully identify the causes of surface volume loss that occur at the tunnel level in sand, as related to the excavation of a pressurized-face tunnel boring machine (PTBM). This paper focuses on the face stability of PTBM tunneling, and the response of sandy soil to the inadequate face pressure is evaluated. Data presented are from tests of a model using reduced-scale PTBM tunneling operations in dry sand. Ground displacement and the evolution of ground stress were analyzed. The relationship between the load factor at the face and the volume loss at surface was examined. The effects of soil density and tunnel depth were considered. An empirical formulation was provided allowing determination of the expected volume loss as a function of load factor (LF), cover-to-diameter ratio (C/D) and soil density (I_d). Thus providing a valuable basis for establishing relationship between volume loss associated with tunnel face advancement and face pressures in sandy soil. The results show that instability of the face is accompanied by the triggering of secondary deformation mechanisms at the surface. The volume loss at surface is complicated by the combined effects of soil arching and the dilative/contractive behavior of the soil. The variation of volume loss is sudden prior to face collapse, especially at dense sand, which is different from the progressive variation of volume loss in clays. The size of destressed zone ahead of cutter head is less dependent on C/D in loose soil than in dense soils.     

大断面顶管通道近接穿越下覆既有地铁隧道数值模拟与现场试验

南京某地下步行通道采用非开挖顶管法施工,顶管近距离穿越既有地铁区间隧道及城市主干道。为了保证隧道及主干道安全,施工前建立三维有限元计算模型,模拟施工全过程,预测施工可能引起的隧道及地表变形。根据数值模拟结果提出针对性控制措施,并制定合理的监测方案,分别对隧道竖向位移、水平位移、径向收敛和地表隆沉进行监测。基于监测数据分析隧道及地表变形规律,明确顶管施工期间隧道及地表变形的3个不同发展阶段。研究表明:隧道竖向位移主要表现为隆起,由通道内出土卸荷所引起,工作井基坑开挖对其影响几乎可以忽略;顶管施工过程中,下覆隧道竖向位移先后经历了初始下沉、隆起增强和隆起稳定3个阶段,地表竖向位移先后经历了隆起增强、隆起减弱和沉降3个阶段;同一监测断面内,地表最大沉降位于通道中心轴线上方,距离通道越远沉降越小;采用微欠挖工艺有效控制了隧道最终隆起和地表最终沉降。     

导硐法施工中导硐位置及尺寸的优化研究

随着硐室埋深加大、围岩破碎、裂隙发育等因素的出现,岩石呈现明显的软岩特性,并由此产生了大变形、大地压、难支护等一系列工程问题。近几年逐渐采用导硐施工技术来解决这些问题,根据导硐施工法的原则:让硐室掘出后在原岩应力作用下充分产生流动变形、塑性变形,释放部分地应力,并利用围岩自身的承载能力,使地应力重新分布达到新的应力平衡状态,使地压力得到有效释放与控制。在导硐法施工中,如何优化导硐位置及尺寸是导硐施工技术的关键问题;建立不同导硐模型,通过Flac3D进行数值模拟,分析、比较导硐后硐室的塑性变形、位移和应力情况,得到一个最佳的导硐模型。     

走滑断层错动下山岭隧道关键断面变形及损伤演化

山岭隧道受选线制约大多要穿越活动断裂带,而活动断裂带的运动会对与之相交的隧道结构的安全产生影响。为此,对穿越走滑断层的隧道在地震中所遭受的破坏展开调研具有现实意义。以滇中引水工程香炉山隧洞为背景,建立隧道-断层三维有限元分析模型,研究走滑断层错动下隧道关键断面的变形特征。基于所建立的有限元模型,采用相对位移法对断层错动量、断层破碎带宽度和穿越角度的影响进行参数分析。研究结果表明：穿越角度为45°时,截面的变形模式为水平椭圆,而穿越角度为135°时,截面的变形模式为直立椭圆;随着断层破碎带宽度的增加,位于断层中间位置处的隧道截面的变形程度减小;走滑断层错动下,隧道截面变形最为严重的区域出现在拱顶和拱底,在进行山岭隧道的设计时需要重点关注。