基于黏弹塑性的云岭隧道软弱围岩参数反演与稳定性分析

软弱隧道围岩在工程实际和试验研究中都表现出较强的流变性质, 容易造成围岩的过大变形而导致失稳.按新奥法施工原则对云岭隧道左洞进口段的软弱围岩段开挖过程进行监测, 分析初期围岩位移收敛值以及二次支护和衬砌的压力变化情况, 通过黏弹性有限元反分析理论, 建立基于黏弹塑性的反分析体系, 对围岩参数进行反演和优化.通过采用ANSYS有限元程序模拟开挖过程, 并将现场实际量测值与计算数据进行比较, 为隧道支护设计和施工的安全可靠性提供科学依据和技术指导.      

考虑软岩强度时效弱化的缓冲层让压支护设计研究

深埋隧道软弱岩体往往具有明显的流变特性和时效弱化效应,隧道开挖后围岩参数随时间的增加逐渐降低,导致围岩流变变形增大,容易造成隧道初期支护和二次衬砌开裂,严重影响隧道施工期及运营期安全。为保证隧道安全,在二次衬砌与围岩之间设置能够吸收围岩流变变形的缓冲层,缓冲层材料具有理想弹塑性特性,其特殊的力学特性使其能够实现与围岩的变形协调,吸收围岩长期变形能,实现软弱隧道围岩的长期稳定。近年来缓冲层让压支护设计逐渐得到众多学者和工程建设单位的认可,但缓冲层让压支护并没有得到广泛应用,原因是让压支护的让压量与让压力的设计一直是工程建设中的难点。基于弹塑性理论,考虑围岩参数的时效弱化和缓冲层支护抗力,提出软岩隧道工程缓冲层让压支护参数的设计方法,并通过V级软岩隧道的支护设计,验证所提缓冲层支护方案的合理性。     

考虑软岩强度时效弱化的缓冲层让压支护设计研究

深埋隧道软弱岩体往往具有明显的流变特性和时效弱化效应,隧道开挖后围岩参数随时间的增加逐渐降低,导致围岩流变变形增大,容易造成隧道初期支护和二次衬砌开裂,严重影响隧道施工期及运营期安全。为保证隧道安全,在二次衬砌与围岩之间设置能够吸收围岩流变变形的缓冲层,缓冲层材料具有理想弹塑性特性,其特殊的力学特性使其能够实现与围岩的变形协调,吸收围岩长期变形能,实现软弱隧道围岩的长期稳定。近年来缓冲层让压支护设计逐渐得到众多学者和工程建设单位的认可,但缓冲层让压支护并没有得到广泛应用,原因是让压支护的让压量与让压力的设计一直是工程建设中的难点。基于弹塑性理论,考虑围岩参数的时效弱化和缓冲层支护抗力,提出软岩隧道工程缓冲层让压支护参数的设计方法,并通过V级软岩隧道的支护设计,验证所提缓冲层支护方案的合理性。     

强风化花岗岩弹塑性本构模型研究(Ⅱ):工程应用

根据文献[1]优化反演得到隧址处强风化围岩应变硬化弹塑性本构模型的计算参数,通过数值仿真研究CRD法、双侧壁法和台阶法3种工法时围岩与支护结构的受力变形情况,结果表明,CRD法为最优工法。在此基础上,根据翔安隧道左线ZK8+257～ZK8+307段的现场实际施工情况,建立三维模型动态模拟隧道CRD法开挖支护全过程,并将计算的变形位移与现场实测数据进行对比分析。研究表明：提出的弹塑性硬化本构模型及其数值仿真技术可较好地反映强风化花岗岩隧道开挖过程中的变形和破坏规律。其研究成果可为衬砌结构设计以及国内同类型隧道的施工和衬砌支护技术设计提供可靠指导。     

向家坝水电站地下厂房围岩稳定的黏弹塑性有限元分析

考虑流变作用,建立三维有限元模型进行数值计算,以洞室变形和点抗滑安全系数为指标,针对向家坝水电站地下厂房围岩的特殊性进行稳定性研究,结果表明,随着围压的增高,流变速率逐渐减小,初始应变逐渐减小;软弱夹层处流变速率较其他岩体减小缓慢,且开挖后流变达到稳态状态时软弱夹层最终流变位移较大;黏弹塑性下围岩位移分布及变化规律与弹塑性一致,但黏弹塑性下计算位移明显要比弹塑性大;流变效应对岩体变形和稳定性,以及对支护结构有重要影响;黏弹塑性情况下,洞室围岩特征点抗滑安全系数比弹塑性条件下小,软弱夹层出露处和拱顶点抗滑安全系数较低,点抗滑安全系数分析还表明,软弱夹层对其稳定性影响明显,验证了位移分析结果。     

双向八车道连拱隧道围岩力学参数反演分析

在采用双侧壁导坑法施工的双向八车道特大断面连拱隧道中,施工步繁多,临时支护设置的时间长,隧道全断面的变形量测只能在临时支护拆除后进行。由于全断面变形数据获取得较晚,故较难将其用于围岩力学参数的反演。将有限元计算和BP神经网络技术相结合,并在有限元计算过程中考虑实际的施工步,建立起所有临时支护拆除之前这一施工状态下导坑的变形量与围岩力学参数之间的非线性映射关系,并通过对应状态下实测的导坑变形值反演了围岩的力学参数。将反演的结果用于正分析验算,验证了该方法是可行的。     

含软弱夹层深部软岩巷道稳定性研究

随着能源开采由浅部向深部发展（>700 m）,深部软岩巷道在高地应力下的变形破坏及其合理加固技术成为影响资源安全开采的重要因素。结合国投新集刘庄矿深部软岩及其软弱结构面的力学特性试验成果,提出软弱夹层的破坏准则及其损伤演化模型,并将其应用于含软弱夹层的深部软岩巷道围岩稳定性分析,研究不同支护方案下的围岩变形特性、破损区以及软弱夹层的离层和破坏情况,提出了合理的加固技术参数。     

基于黏弹性本构性能的隧道围岩变形预测研究

针对Ⅲ、Ⅳ级围岩,以江西高速公路隧道为背景,采用弹-黏塑性有限单元法分析预测不同类别隧道围岩变形。选取现场Ⅲ、Ⅳ级围岩进行室内剪切流变试验,分析得到Ⅲ、Ⅳ类岩样流变试验曲线与广义Kelvin 模型的流变曲线吻合较好。基于广义Kelvin模型,推导出黏弹性模型复杂应力状态下的应力-应变关系。采用施工过程的黏弹性动态反分析法计算围岩参数,结合反演参数对预测隧道围岩变形进行预测分析。研究成果已应用于实际隧道工程中,指导、修正设计和施工参数,可为安全施工提供合理依据。     

超大断面炭质千枚岩隧道新型支护结构长期稳定性研究

针对兰渝铁路两水隧道岩质软、跨度大的特点,采用加厚初喷、二衬和双层型钢拱架的新型支护方式。通过对现场岩样的室内三轴蠕变试验,研究炭质千枚岩蠕变特性。试验结果表明,伯格斯蠕变模型能比较准确地描述其长期流变行为。运用大型岩土工程分析软件FLAC3D,结合现场新型支护方式,模拟隧道建成后DK357+976处围岩的流变力学行为,分析隧道在运营过程中围岩的变形和支护结构的受力情况。结果表明：在隧道100 a的使用期限内,二次衬砌能有效地减小围岩蠕变变形,支护结构中仅拱顶初喷在后期产生破坏,现场支护方式可以保证隧道的长期稳定性。     

水电站大型地下洞室长期稳定性数值分析

围岩的流变特性是影响地下洞室变形及长期稳定的重要因素。在长期荷载作用下岩体会发生流变现象,特别软弱夹层在较高应力作用下其流变特性更为显著。以某水电站大型地下洞室为例,针对该地下洞室附近围岩存在着软弱夹层,且有些软弱夹层与开挖的洞室相互交汇,基于大型岩土工程分析软件FLAC3D,采用黏弹塑性流变本构模型（Cvisc）,模拟了地下洞室围岩的流变力学行为;根据主厂房顶拱位移变化率规律确定出了开挖洞室2次支护的时间,对比分析了瞬时弹塑性条件下与考虑流变特性条件下洞室开挖后围岩的位移变形、应力场及塑性区的分布。数值模拟结果表明,由于着软弱夹层的影响,洞室围岩发生较大的变形,特别是在开挖洞室与软弱夹层的交汇处围岩随着时间的长期变形量会更大,这对洞室的稳定性有着一定的影响;对于水电站地下洞室的长期稳定性分析,充分考虑岩体流变效应是非常重要和必要的。     

云岭隧道围岩监测免疫智能正演反分析

深埋长隧道中大变形、高应力、复杂的工程地质环境和长期使用需要使得对隧道围岩的稳定性分析成为决定深埋长大隧道工程成败的关键问题.利用位移反分析法分析确定围岩参数是目前研究的一个重点, 用以处理隧道围岩物理力学参数与量测信息之间的非线性关系, 对围岩二次支护方案进行判断、调整.而人工智能在识别、表达与处理这种复杂的非线性关系方面表现了极强的能力.通过对十漫高速公路云岭隧道围岩变形进行监控测量, 结合生物仿真系统和快速拉格朗日分析软件(FLAC) 进行正演分析, 利用神经网络的高度非线性、网络推理和网络耦合能力, 通过数值分析软件获得神经网络训练所需要的输出向量, 以可自适应调节的免疫算法为搜索工具对参数进行全局空间搜寻, 寻找最佳网络结构, 利用量测信息反分析寻找最佳参数, 得出结果再通过正向计算进行验证.通过智能反演分析, 改进了原勘测资料中的建议值, 调整了支护方案, 得到满意结论.表明本文所提反演分析对隧道围岩稳定性评价及信息化设计的实际意义.      

朱集矿深井软岩巷道大变形机制及其控制研究

为了研究深井软岩巷道大变形机制及其控制对策,以淮南矿业集团朱集矿 885 m东翼轨道大巷为支护工程实践。该巷道为典型的深井高地应力软岩巷道,开挖后围岩表现出强烈非线性大变形特点,变形速率大。首先进行了围岩大变形等级识别,并基于Hoek-Brown弹塑性模型分析了巷道围岩的应力场、位移场,考虑巷道断面形状、围岩强度特征、巷道群扰动等影响,揭示了该巷道的大变形机制。针对 885 m轨道大巷提出了新支护方案,该方案尤其注重底板支护和底角抗剪支护。数值模拟和现场监测表明,该支护方案取得了良好效果,是一种有效控制深井软岩巷道大变形的支护方法。     

考虑空间效应的地下洞室爆破开挖松动区参数场位移反分析

将地下洞室爆破开挖松动区视为一个随开挖过程演变的非均匀、非稳定三维扰动场,松动区内岩体力学参数则是一个具有时空演化特性的参数场。考虑爆破开挖扰动空间效应和岩体真实变形响应,提出了真实工作状态下开挖松动区岩体参数场辨识的位移反分析方法。基于局部监测变形空间插补得到的空间位移场,通过分析洞室爆破开挖围岩变形扰动机制,建立了开挖松动区岩体变形模量参数场数值演化模型,并进行了模型适用性和参数敏感性分析。在此基础上,以变形模量参数为例,结合围岩实测位移信息,提出了开挖松动区参数场位移反分析的动态实现过程。将该方法应用于溪洛渡地下洞室群施工期参数场反演和围岩稳定动态反馈评价及预测,结果表明,该方法合理有效,在大型地下洞群施工开挖与快速监测反馈方面具有显著的工程适用性及实用性。     

深部急倾斜煤层偏压巷道支护参数优化研究

深部急倾斜煤层由于受特殊的地质结构和高地应力影响,煤层巷道开挖后易出现地层错动、垮塌的特点,施工中冒顶、底臌现象异常突出,巷道支护极其困难。通过对新集三矿-700 m煤探巷道进行现场勘查与试验,针对该急倾斜软岩巷道变形非对称性,底臌严重、地层错动的破坏特点,提出了可缩性U型钢全断面封闭支护和非对称性预应力锚杆(索)支护的全新支护方案,通过大型有限元软件ABAQUS建立数值分析模型,与原支护方案进行了对比分析。研究表明,采用改进支护方案巷道底臌位移量减小了66%,最大拉应力从0.58 MPa减小到0.38 MPa,塑性区较原方案更小,支护结构受力更加均匀。其结果可为同类地质条件的巷道支护设计提供一定参考。     

Three Zones and Support Technique for Large Section Incline Shaft Crossing Goaf

Aiming at the construction and control problems of fractured rock mass when large section inclined shaft through goaf in this paper, and with the new digging belt conveyer incline shaft at No. 6 mine of Pingdingshan as the study subject, three zones of overlying strata in goaf and stability control of surrounding rock in incline shaft was studied. According to the actual mining situation and the engineering geological conditions, the methods of empirical formula and field tracking were used to determine the height of three zones of overlying strata and the length corresponding to the new digging belt conveyer incline shaft. At the same time, the mechanical characteristics of surrounding rock in caving zone analyzed by laboratory experiment. And the compacted conditions of rock strata in goaf with the Ding_5–6 coal seam was obtained through the field, so that “rigid U steel arch+ pouring concrete” supporting scheme was put forward. In addition, the mechanics principle of U steel inverted arch was analyzed by mechanical theory, which finally determined the concrete support parameters and construction scheme for surrounding rock of incline shaft in caving zone. Through field practice and late monitoring, the result shown that the stability of surrounding rock was well controlled, and surrounding rock began to stabilize and its deformation rate was less than 1 mm/d in the stable stage of monitoring.     

隧洞围岩收敛损失位移的求取方法及应用

隧洞围岩变形监测断面设置与开挖施工工序上的先后导致了损失位移问题,它对于判断围岩的变形状态、评价其稳定性具有重要的意义。复杂多变的围岩条件使基于收敛曲线的累积位移和增量位移参数反演方法的应用变得非常谨慎。针对这些问题,通过对一致性问题的讨论后认为,虽然变形演化规律上的一致性尚存在问题,但三维计算和现场围岩的总位移之间的一致性是可以保证的。以此问题为前提,以Hoek经验公式的通式为基础,依据规范规定,基于现场监测收敛位移曲线,建立了损失位移的求取步骤,并将其在锦屏II级水电站辅助洞A、B围岩变形规律分析中进行了应用,得出了两个监测断面各测线的最终监测位移收敛值、损失位移、总收敛位移和相对收敛值等,拟合而得的全收敛曲线与监测曲线相吻合,能够很好地描述现场围岩随空间效应变化的演化规律,为围岩稳定性评价和基于全位移的参数反演分析奠定了基础。     

拉西瓦水电站地下厂房三维高地应力反演分析

拉西瓦水电站厂房地处峡谷山高坡陡,河谷狭窄,区域地应力场较高,局部存在构造破碎带,同时开挖尺寸规模巨大,围岩主要为脆硬的花岗岩,对洞室稳定极为不利。为了评判开挖后围岩的稳定及支护设计的长期安全,需要对围岩的岩体力学参数和初始应力场进行反演确定。首先,利用现场初始地应力的实测值反演大范围内的岩体构造地应力场分布,然后,利用洞室分层开挖扰动下,厂房上部关键点实测位移检验并修正反分析地应力结果,得到了较为准确的三维地应力分布,为后续地下厂房开挖围岩的稳定性及支护设计和长期安全的评价与预测,提供了基础数据,有效地指导了厂房开挖施工。厂房开挖完成后的围岩位移的实际监测结果与采用反演地应力场与岩体参数得到的厂房围岩位移值的一致性表明,地应力场反演结果与实际地应力值一致。     

高地应力下深埋隧洞软岩段围岩时效特征研究

“引大济湟”调水总干渠输水隧洞埋深大,地应力较高,其中穿越的洞段Ⅳ、Ⅴ类围岩占有较大的比例,在高地应力作用下围岩开挖卸荷后极可能出现大变形失稳、垮塌等,这些都极大地影响着TBM的掘进效率及施工进度。根据洞室开挖过程中实际揭示的围岩地质条件及变形特征,采用三维黏弹塑性数值方法,对围岩的流变特性与时效变形进行研究;在对实测地应力场进行分析基础上,结合围岩现场变形规律,对围岩蠕变力学参数进行了反演,进而对隧洞开挖区域的软弱围岩进行黏弹塑性数值分析,获得了规律性认识,为动态调整设计提供科学依据。     

深部厚顶煤巷道让压型锚索箱梁支护系统布置方式对比研究

针对深部厚顶煤巷道围岩变形特点,以“先控后让再抗”为支护理念,设计了让压型锚索箱梁支护系统横梁、纵向单梁、纵向双梁及纵横组合4种不同布置方式的支护方案。数值试验结果表明,纵横组合方案具有最好的围岩控制效果,横梁方案支护效果相对较差。对让压型锚索箱梁支护系统的4种方案进行了现场试验,监测结果显示,纵横组合方案作用下的围岩变形量最小,其两帮移近量和顶板沉降量仅为120 mm和90 mm,同时该方案支护反力最大;锚杆、锚索受力与巷道围岩控制效果相对应,且锚索让压环作用明显;设计制作的测力箱梁监测表明,箱型支护梁受力合理协调,材料性能发挥充分。对让压型锚索箱梁支护系统及其不同布置方案的作用机制进行了探讨。综合分析表明,深部厚顶煤巷道中,优先选用让压型锚索箱梁支护系统中的纵横组合与纵向单梁方案,可有效地控制巷道围岩变形,满足支护要求。     

隧道围岩稳定性正算反演分析研究——以厦门海底隧道穿越风化深槽施工安全监控为例介绍

为了降低海底隧道施工风险,确保隧道施工顺利穿越海底几处风化深槽和风化囊区域,解决难以获得隧道围岩力学参数的技术难题,采用位移反分析方法建立了动态反演预测模型;作为比较,还简单介绍了弹塑性反演的一种全局优化方法。根据隧道典型断面实际监控量测的围岩拱顶沉降量和周边收敛位移量,结合先行服务隧道揭露的水文地质情况,进行优化反演分析,得到该类围岩初期支护后的等效弹性模量和等效侧压力系数。在相应的同类地质条件下,对后续将开挖的左、右主洞围岩采用边界元法进行正演数值计算,使之能为主洞施工方案比选以及支护设计参数调整与修正提供定量依据,做到信息化动态设计与施工。工程实例分析表明,利用正算反演分析法得出的围岩等效力学参数是可靠的,可据此对类似地质条件下主隧道围岩进行正演计算分析,预测主洞围岩的变形破坏模式,判断其围岩稳定性。位移反分析法是隧道施工变形理论预测分析与工程实际相联系的有效平台,为工程设计施工技术决策提供了一种切实有效的途径。