圆形隧道应力-应变正交关系的力学行为研究

基于Detournay导出的在非静水应力场条件下(λ≠1)服从Mohr-Coulomn屈服准则以及不相关塑性流动势时圆形洞道平面问题位移场基本解,揭示出软弱围岩隧道在高地应力条件下的变形规律,即,软岩隧道的最大变位方向与最大主应力方向存在相互垂直关系的变形规律,这一结论与人们已认同的通常情况下隧道围岩所表现出的相互平行关系变形规律,截然不同。需要指出的是,这种“相互垂直关系”的围岩变形规律,与一些工程实例的现场位移量测结果,却表现出完全的一致性,例如在高地应力条件下已发生大变形的家竹箐隧道工程,其围岩变形规律便是如此。     

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。     

中老铁路高地应力软岩隧道施工方法比选分析

高能场体环境下大变形、岩爆等隧道灾害屡见不鲜，该类环境的主要特征为高地应力，隧道的地应力条件将会影响围岩变形规律和结构内力，开挖工法的选择将直接影响隧道工程的效率和安全。已有研究在工法模拟时的地应力条件大多根据隧道埋深计算，与实际地应力条件相差较大，导致结果过于片面。因此，本文基于地应力实测结果，采用有限差分软件对高地应力软岩隧道情况下三台阶法、CD法、CRD法施工的围岩变形规律及结构安全性进行分析研究，结合工程现场监测结果，验证结论的正确性。分析结果表明：中老铁路高地应力环境表现为水平最大主应力大于竖向最大主应力，二者比值在1.15～1.71之间；CRD法对高地应力软岩环境下围岩变形的控制效果最佳，CD法其次；高地应力软岩环境下二次衬砌轴力整体分布均匀，仰拱和拱脚部位的弯矩较大，安全系数小；CRD法情况下的围岩压力整体最小，对于围岩稳定最有利，CD法次之，三台阶法的围岩压力最大。     

高地应力炭质板岩单线铁路隧道大变形控制技术研究

文章针对高地应力软弱围岩隧道大变形造成的施工难题,以丽香铁路某高地应力炭质板岩隧道为依托,对施工过程中围岩位移与塑性区发展情况进行相应模拟分析,结果表明高地应力条件下隧道边墙两侧围岩为影响隧道稳定性的关键,进行设计和施工关键技术调整后,围岩稳定性得到了一定程度的控制,研究成果可供类似工程参考。     

高地应力条件下隧道大变形的数值模拟分析

基于陈至达提出的大变形问题基础理论,指出了以传统小变形理论研究软弱围岩隧道大变形问题存在的弊端。运用非线性数值模拟大变形的手段,针对二郎山公路隧道在高地应力条件下软弱围岩的大变形进行了研究,进而探讨了大变形破坏的本质问题。     

高地应力软弱围岩隧道初期支护受力特性的现场监测研究

由于作用在初期支护上的围岩压力大,高地应力软弱围岩隧道开挖后经常出现围岩大变形、喷混凝土开裂、钢架扭曲等破坏现象,影响隧道的施工和长期运营安全。依托宜万铁路堡镇隧道,通过对围岩压力、初期支护喷混凝土应力、钢架应力、锚杆轴力和围岩深部位移等的现场监测,得到围岩压力与初期支护体系各子构件的力学特性,讨论其随时间的演化特性和沿隧道横断面的空间分布规律,指出围岩压力、钢架应力、喷混凝土应力随开挖进程存在急剧变化阶段,受施工扰动的影响显著,敏感性依次降低,沿洞周分布总体表现出“上部大,下部小”等特征。研究方法和结论为建立科学合理的高地应力软弱围岩隧道支护结构设计方法具有一定的指导和借鉴意义。     

隧道软弱围岩挤压大变形非线性流变力学特性研究

 讨论高地应力条件下隧道软弱围岩发生挤压大变形的复杂力学行为,将挤压大变形归属为变形速率快而收敛速率慢的非线性流变变形范畴。在分析挤压大变形流变力学机制的基础上,分别提出非线性二维黏弹塑性本构模型和大(小)变形三维弹黏塑性本构模型,并进行相关专用程序的研发。运用所研发的材料子程序,对相关流变模型进行理论分析,就乌鞘岭铁路隧道软弱围岩施工开挖大变形问题进行工程应用研究。     

高地应力环境下乌鞘岭深埋长隧道软弱围岩流变规律实测与数值分析研究

在高地应力环境下的软弱围岩中修建深埋长隧道，软弱围岩流变一是个突出的工程地质问题。位于兰新铁路上的乌鞘岭深埋长隧道工程在穿越宽达785m的断层F7时，软弱围岩发生了显著流变，围岩最大收敛变形超过1m，对支护结构造成严重破坏。首先，在对乌鞘岭深埋长隧道进行长期围岩收敛变形的基础上，分析乌鞘岭深埋长隧道左、右主洞的收敛变形规律，其研究结果表明左线主洞的收敛变形均大于右线主洞，这是由于进行右线主洞施工时吸取了左线施工的经验；然后，利用FLAC^3D对乌鞘岭深长隧道软弱围岩流变进行数值研究，数值分析结果与实测结果较为一致；最后，提出对软弱围岩流变进行工程治理的6条原则。     

榴桐寨隧道高地应力软岩大变形机理研究与施工措施应用分析

软弱围岩在高地应力作用下发生大变形及破坏的特征不仅受围岩本身力学性质的影响,还与原始地应力状况及工程因素等有关。榴桐寨隧道埋深约1 400 m,围岩以软岩为主,构造带可能应力集中,软岩存在大变形问题。隧道软质岩大变形主要影响因素包括地应力条件、岩体强度、地质构造影响程度、地下水发育特征、围岩分级、岩石膨胀性。当围岩内部的最大地应力与围岩强度的比值达到某一水平时才可能发生软岩大变形。研究表明,当强度应力比小于0.3～0.5时,即能产生比正常隧道大一倍以上的变形。通过对榴桐寨隧道发生软岩大变形的机理研究,找到一套行之有效的施工控制措施是保障施工及运营期安全的关键。     

软弱炭质板岩隧道变形预测及施工控制

近年来,隧道变形控制观念已经成为隧道施工中主要的指导原则.高地应力软岩隧道施工面临的最大难题就是大变形.纸坊隧道作为新建兰渝铁路线重点工程之一,属炭质板岩双线隧道,在施工中采用了多种方法对围岩变形进行预测,通过多种措施组合施工,有效控制了隧道围岩变形,加快了施工进度,成功穿越了Ⅳ、V软弱围岩以及多处断层破碎带.取得了较好的技术效益、经济效益和社会效益.