山岭隧道塌方处理加固措施及 FLAC3D模拟对比分析

由于在山岭隧道的修建过程中,经常出现塌方事故,结合工程具体情况,从围岩层状分布、雨水侵蚀作用等方面,分析了隧道拱顶出现塌方的原因以及所采用加固措施的有效性;并对塌方周边断面加固前后围岩位移和支护结构应力进行了监测.监测结果表明,隧道拱顶塌方处加固措施行之有效,围岩变形及结构应力得到了较好控制.再利用FLAC3D软件对隧道塌方段进行数值模拟分析,得到的结果与现场监测结果基本一致,这表明加固措施对塌方的处理效果良好.     

浅埋黄土隧道塌方破坏模式及处置技术

以宁夏某浅埋黄土隧道塌方事故为依托,首先讨论分析浅埋黄土隧道的塌方破坏机理及模式,然后根据现场塌方情况,分析案例隧道塌方原因并提出处置方案,最后通过数值模拟和现场监测对其处置效果进行评价。结果表明：黄土自身的易灾性、不良地形地势、浅埋隧道施工扰动以及强降雨入渗共同导致隧道上方围岩形成一定范围的黄土软弱湿陷带,原隧道支护结构无法抵抗劣化后的围岩,围岩变形和结构受力均大幅增加,其中拱顶沉降增大了91.8%,拱肩处初支正弯矩增大了60.7%;黄土地层开挖面失稳破坏可分为掌子面到达软弱湿陷带的失稳破坏和穿越整个软弱湿陷带的失稳破坏两种模式;结合有限元模拟和现场监测验证,“临时支护系统+换拱+超前中管棚注浆加固”的综合防塌方处置技术应用效果显著。     

深埋隧道空间结构体系可靠度分析

现行规范对隧道同类围岩中某一点的塌方高度进行了统计,但未能考虑同类围岩长度范围内塌方高度的空间变异性,为此提出了围岩塌方高度空间等效方差增大函数hσ（L）。同时运用Weibull—Бοлοгин脆性破坏统计理论,求得隧道空间结构所用混凝土的等效抗压强度fce;从而将同类围岩长度范围内的深埋隧道空间结构体系可靠度问题简化为平面问题。以金州隧道Ⅲ类围岩深埋段隧道空间结构为研究对象,分析了节理间距特征值、围岩塌方高度均方差上限,隧道长度等因素对其体系可靠度的影响。计算结果表明,节理间距特征值越大,可靠度指标越高;随着围岩塌方高度均方差上限及隧道长度的增长,可靠度指标逐渐减小,具有趋于稳定的趋势。     

浅埋软岩段隧道进洞施工变形特征与失稳分析

为研究隧道开挖过程中浅埋软岩段塌方变形特征,对隧道地质情况进行有效辨识,结合隧道施工过程围岩监测数据,并依据地质雷达探测结果建立三维数值模型并进行数值分析。研究结果表明:在隧道开挖阶段,拱底与拱顶位置均出现明显塑性区,伴随掌子面逐渐靠近围岩破碎区域,塑性区范围逐渐扩大并向拱顶右上方及围岩内部转移,破碎区域应力水平较低且位移显著增大,围岩完整性大大降低;不良地质构造是隧道发生塌方大变形的主要原因,降雨和地表水的入渗劣化围岩力学性质加速了隧道灾害的发生。对于隧道五级围岩浅埋段施工,应加强监控量测分析并及时做出预警,对关键部位开展超前地质预报工作。研究结果可以指导隧道塌方灾害的防治,对于实现隧道信息化施工具有借鉴意义。     

隧道施工中围岩应力和变形探讨

运用FLAC3D建立了某一隧道三维地质模型并进行了分析。隧道开挖后,围岩应力进行了重新分布,拱顶、拱底、两侧边墙出现了应力集中现象,拱顶、拱底竖向位移较大;粘聚力c的大小对塑性区的范围影响很大,而泊松比μ和内摩擦角φ对塑性区范围的影响较小。研究能有效地对隧道开挖过程中围岩的应力、位移、塑性区进行预测,以降低隧道施工风险,确保施工安全。     

降雨作用下浅埋隧道松散围岩塌方机制

为揭示降雨作用下浅埋隧道松散围岩塌方机制,基于突变理论,建立浅埋隧道塌方的尖点突变模型.考虑不同本构关系的隧道围岩组合,分别推导双层应变软化介质、单层应变硬化介质及应变软化介质组合的围岩失稳力学判据,分析诱发塌方的主要影响因素,揭示雨水入渗作用下浅埋隧道塌方机理.以马鞍山隧道为工程案例,运用地表沉降监测数据进行浅埋隧道塌方突变预测.研究表明,浅埋隧道塌方力学判据可有效用于塌方机制分析,用地表沉降数据预测浅埋隧道松散围岩塌方更为合理和符合实际.     

断层破碎带隧道围岩稳定性分析

为研究断层破碎带隧道开挖过程中围岩稳定性以及拱顶沉降变化规律,对某断层破碎带隧道施工过程实施了监控,并采用回归分析的方法预测了该隧道两个断面的最终沉降.以该隧道为原型,基于有限元原理与岩体的弹塑性本构关系,采用ADINA软件,建立了有限元模型并进行了隧道开挖过程的模拟计算并预测了最终沉降.模拟计算结果表明:隧道开挖过程中最大垂直位移始终位于拱顶,上台阶左侧及上台阶右侧土体开挖后,拱顶下沉及周边收敛速率增大.现场监测结果与有限元模拟结果都证实了在断层破碎带围岩中采用预留核心土的隧道开挖方法能够有效控制拱顶沉降并预防塌方、冒顶等事故的发生等.研究成果可为隧道围岩稳定性研究提供理论依据,为隧道施工提供技术支持.     

公路隧道塌方诱因及处治技术研究

众所周知,隧道属于线状隐蔽和穿越性的工程项目,在具体的施工过程中会穿过崇山峻岭,经过诸多岩类,其结构具有较大的不稳定性特点,而围岩又是隧道在开挖过程中极易遭到破坏的对象,这也是对其进行支护的主要原因。唯有如此,才能有效避免公路隧道塌方事故的出现。由此可见,探讨公路隧道塌方诱因及处治技术具有极其重要的现实意义。     

黄土隧道围岩特性曲线及其数值计算方法

隧道围岩体系与支护体系的相互作用是隧道工程研究的核心问题。对于黄土隧道而言,基于约束收敛法分析围岩变形规律,进而对围岩稳定性进行评价是一种黄土隧道研究的新方向新思路。本文基于FLAC3D大型通用有限差分软件,采用双线性应变软化遍布节理模型模拟黄土垂直节理特性,对三种不同弹性模量下大断面黄土隧道进行模拟并详细给出围岩特性曲线的数值求解方法。结果表明,在求解复杂边界条件下围岩特性曲线推荐采用数值计算的方法,本文采用的反向荷载计算法能有效地求解复杂围岩条件下黄土隧道的围岩特性曲线。随着位移的增加,也就是支护时机的推后,所需要的支护力在逐渐减小,围岩自承的荷载比重在增大。随着黄土隧道围岩弹性模量的增大,隧道拱顶在达到相同位移所需要的支护力在减小,说明围岩条件较好的时候可以适当减小支护强度。     

钻爆法施工隧道塌方风险分析

目的塌方是钻爆法隧道施工中常见事故,为有效预防塌方事故的发生,运用风险分析理论对隧道塌方风险进行研究．方法以收集的103例隧道塌方案例为背景,对塌方风险因素进行辨识和统计分析,并利用事故树分析法计算各风险因素的重要度．风险分析中用事件树方法估计事故可能性;用层次分析法估计事故可能损失,并给出事故损失等级划分标准;综合事故发生可能性和可能损失运用风险矩阵法进行塌方风险综合评价．结果分析表明不良地质是事故发生的主要内在因素,人为因素是重要诱因,通过控制地质勘察、施工工序、施工中地质观察等因素可有效预防事故发生．结论给出了完整的隧道塌方风险分析流程,可为隧道建设中塌方风险评价提供有效途径．     

高速铁路隧道围岩大变形特征及机理分析

为研究高速铁路隧道围岩大变形的特征及其机理,以沪昆客运专线湖南段杨家隧道发生大变形塌方为工程背景,对隧道围岩大变形引起地表裂缝及初支侵限进行了介绍.选取隧道大变形里程段的典型断面设置多个监测断面,通过监控量测等手段对其灾变期变形特征展开了分析,在此基础上,从岩性、地质构造、围岩赋存环境三个方面分析了杨家隧道发生大变形的机理,能够为该隧道发生大变形后采取相应措施提供理论依据.     

金鸡山隧道拓宽方案离散元分析

结合福州金鸡山隧道拓宽改造工程,通过建立离散元计算模型,对拓宽改造方案进行了优化分析.分别研究了不同方案下隧道围岩屈服、围岩变形、拱顶下沉、衬砌内力特征及中夹岩柱应力状态,研究结果表明:方案1能够保证满足隧道建成后的安全要求,对既有建构筑物的扰动最小,且隧道整体受力状态较好,是最佳方案.研究结果可为今后类似工程的设计、施工提供借鉴与参考.     

水工隧洞检修期衬砌与围岩联合承载作用机理

衬砌与围岩是水工隧洞的主要组成部分,外水压力是其承担的主要荷载之一.结合某水电站工程实例,建立其发电引水隧洞的有限元数值分析模型,针对衬砌与围岩有条件联合承载作用特征,对衬砌外围岩变形模量进行折减以反映围岩的作用,并引入具有一定抗拉强度的薄层单元量化反映衬砌与围岩有条件联合承载能力.结果表明:与衬砌完全单独承载外水压力计算结果相比,围岩在承担外水压力中的作用不容忽视,且随着外围岩体变形模量的增加,其所分担的外水压力越大;采用薄层单元量化后,衬砌与围岩的联合承载机理更为明确,薄层单元开裂前,围岩承担外水压力较多,薄层单元开裂后,衬砌承担外水压力较多,因而要确保回填灌浆和固结灌浆质量,以提高衬砌与围岩联合承载能力.     

Post-failure behavior of tunnel heading collapse by MPM simulation

Tunnel collapse presents a serious threat to the safety of urban construction. The traditional approach adopted to assess this risk is to evaluate the factor of safety against failure. However, this analysis only determines on whether the tunnel will collapse or not, and does not provide information on the magnitude of the post-failure behavior(for example, catastrophic or progressive) if the tunnel collapse occurs. In this study, a meshless method based on the material point method(MPM) was used to investigate the post-failure behavior of tunnel heading collapse in two-dimensional plane-strain conditions. The capability and accuracy of MPM were verified by comparing the elicited results to centrifuge test data and to analytical solutions obtained from limit state methods. MPM simulations were conducted at different soil conditions(clay or sand) and profiles(homogenous or linear increasing strength) as well as at different tunnel geometries(i.e. tunnel depth and unlined length). The differences in the post-failure behavior and mechanisms are examined and reported.     

隧洞破坏机理及深浅埋分界标准

通过模型试验与数值分析方法将隧洞破裂面与稳定性引入到定量分析,采用有限元强度折减法,求得围岩破裂面的位置及围岩的稳定安全系数.研究表明,浅埋拱形隧洞破坏来自拱顶,深埋隧洞来自侧壁.通过从浅埋到深埋的数值分析,研究隧洞从浅埋到深埋的破坏过程.结果表明:对于矩形隧洞,当埋深小时逐渐形成浅埋压力拱,当到达某一埋深时,浅埋压力拱消失,同时深埋压力拱(普氏压力拱)出现,可以确定深、浅埋的分界线,当埋深增大至某一深度时,破坏从拱顶转向侧壁;对于拱形隧洞,当埋深小时出现浅埋压力拱,但不出现深埋压力拱,当达到一定埋深后,破坏从拱顶转向侧壁,可以确定深、浅埋的分界线.深、浅埋的分界线主要取决于洞跨与洞形,与围岩强度关系不大,浅埋时围岩可以是稳定的.     

超大断面隧道软弱围岩控制机制及应用

为明确超大断面隧道软弱围岩破坏及控制机制,系统开展交叉中隔墙(center cross diagram, CRD)法和双侧壁导洞开挖方法下超大断面隧道软弱围岩控制机制数值试验,对比分析不同强度等级围岩、不同开挖方法在无支护、锚杆支护、H型钢拱架支护和H型钢拱架+锚杆支护四种支护方式下隧道围岩变形、支护构件受力变化规律,并研究超大断面隧道软弱围岩控制机制。同时对H型钢+锚网喷联合支护方式在超大断面破碎围岩隧道进行了CRD和双侧壁导洞两种开挖方法下的现场试验,拱顶沉降分别稳定在27.2 mm和18.7 mm,很好地控制了围岩变形、保证了现场初期支护安全。     

公路隧道正交下穿边坡与软弱夹层围岩稳定性分析

为分析山岭地区公路隧道-正交体系下，围岩内含软弱夹层导致施工过程易发生衬砌变形开裂甚至隧道塌方等问题，以某隧道边坡拟扩建公路为工程背景，基于抗拉剪强度折减法理论，采用FLAC^3D有限差分软件，研究不同边坡坡度和隧道埋深对该隧道-边坡围岩稳定性和安全系数的变化规律。结果表明：随着边坡坡度的不断增大，围岩最大剪切应变数值和分布范围逐渐增大，塑性区范围不断增大，围岩稳定性安全系数不断减小。随着隧道埋深的增大，围岩最大剪切应变数值先增大再减小后增大，但剪切应变范围不断增大，塑性区范围不断增大，围岩稳定性安全系数呈现先减小再增大。当无软弱夹层时计算的安全系数最大，当存在软弱夹层时，采用非同步折减法理论计算的安全系数比同步折减法较高。     

Minimum safe thickness of rock plug in karst tunnel according to upper bound theorem

High pressure and water-bearing caverns ahead of a karst tunnel face tend to cause geological disasters, such as water and mud bursts. So, the determination of safe thickness of the reserved rock plug is a key technical problem to be solved for karst tunnel construction. Based on the Hoek-Brown nonlinear failure criterion, the minimum safe thickness of rock plug was investigated in the light of the limit analysis theory. On the basis of the proposed failure mode, the expression of the minimum thickness for rock plug was obtained by means of upper bound theorem in combination with variational principle. The calculation results show the influence of each parameter on safe thickness and reveal the damage range of rock plug. The proposed method is verified by comparing the results with those of the drain cavern of Maluqing Tunnel. The research shows that with the increase of compressive strength and tensile strength as well as constant A of Hoek-Brown criterion, the safe thickness decreases, whereas with the increase of cavern pressure, tunnel diameter, and constant B from Hoek-Brown criterion, the safe thickness increases. Besides, the tensile strength, or constants A and B affect the shear failure angle of rock plug structure, but other parameters do not. In conclusion, the proposed method can predict the minimum safe thickness of rock plug, and is useful for water burst study and prevention measures of tunnels constructed in high-risk karst regions.