水平地震作用下浅埋隧道围岩压力的计算方法研究

以现行规范中浅埋隧道围岩压力计算的力学模型为基础,引入水平条分原理和水平地震系数,建立一套地震工况下浅埋隧道围岩压力计算方法。与规范方法及杨小礼方法相比,将静力工况与地震工况结合到统一力学模型中,且将岩土体的两个强度参数作为独立因素考虑,且能考虑岩土体分层的实际情形。通过简单算例的对比分析,认为将黏聚力和内摩擦角作为独立因素考虑,能更为准确地计算隧道围岩压力;通过多层算例的对比分析,认为隧道自身所穿越地层的围岩条件,对其围岩压力分布特性起主要作用;进一步利用方法,探讨岩土体强度参数和水平地震系数,对破裂角和竖向围岩压力的影响。研究成果可为浅埋隧道的抗震计算或设计提供更为准确可靠的理论依据或技术参考。     

浅埋偏压小净距隧道围岩压力分布与围岩控制

根据浅埋偏压小净距隧道受力特点,研究推导了考虑施工工序及地形坡度的浅埋偏压小净距隧道围岩压力计算公式。分析了考虑不同地形坡度及同一坡度不同埋深2种工况下地形坡度及埋深对围岩破裂范围、水平侧应力、拱顶压力的影响规律,并指出了浅埋偏压小净距隧道围岩压力在考虑地形坡度下与水平地表下分布规律的差异,建立了3DEC数值模型以对上述理论规律进行验证,结果表明,数值分析规律与理论推导计算规律相吻合。将理论计算公式应用于马嘴隧道出口浅埋段隧道稳定性计算,由计算所得围岩稳定性系数及现场隧道变形监测结果提出隧道围岩及地表稳定性处理措施。     

浅埋隧道破裂面的极限平衡分析法

为了获得浅埋隧道破裂面稳定性定量评判指标,采用极限平衡原理与变分方法分析浅埋隧道破裂面的分布状态,以此为基础,建立以安全系数为评判指标的浅埋隧道稳定性分析方法。结合数值模拟分析得出,围岩破裂面接近直线,起始点位于隧道拱腰至拱顶区域,随着隧道埋深的减小,产生冒顶的区域越向拱顶集中,且数值模拟获得的破裂区域与理论结果较接近;埋深对隧道安全系数影响较小,围岩内聚力和内摩擦角对隧道安全系数影响显著,随着内聚力和内摩擦角增加,隧道安全系数增加;F为静止土压力时,理论分析和数值模拟所获安全系数发展趋势一致,且所获得安全系数小于数值模拟结果,较为保守。     

浅埋矩形隧道围岩压力上限分析及可靠度计算

考虑浅埋暗挖法施工矩形隧道,由于隧道埋深浅,一般会受到建、构筑物等地表荷载的影响,采用极限分析上限法推导出受地表荷载和孔隙水等荷载作用下的围岩压力表达式。结合序列优化法和Matlab优化工具,计算得到围岩压力的上限解。考虑土体参数以及荷载的离散性,运用可靠度方法对支护力进行失效概率分析。分析了侧压力系数、黏聚力、内摩擦角、埋深、孔隙水压力及地表荷载对围岩压力的影响,通过计算表明,侧压力系数对拱顶、边墙的围岩压力有较大的影响,并且差异性很大,建议区别计算拱顶和边墙的围岩压力。此外,参数的统计特征对浅埋矩形隧道支护力也有较大的影响,特别是变异系数,应提前做好勘测、统计工作。并针对3种不同的安全等级,给出了浅埋矩形隧道的最小安全系数和最小支护力,为其支护设计提供参考。     

考虑粘聚力的浅埋隧道围岩压力计算方法

针对浅埋隧道既有围岩压力理论计算中考虑因素较少且计算结果差异显著的问题，在既有理论基础上，建立了考虑土体粘聚力、内摩擦角、侧压力系数和静止土压力系数的浅埋洞室假定破坏模型，推导出误差较小且适用于浅埋隧道围岩的压力计算公式，通过工程实例验证了该理论的合理性，并分析了单一参数变化对围岩压力的影响规律。结果表明：实测围岩压力值与既有理论围岩压力值对比，理论计算的围岩压力与实测值的误差最小；围岩压力随隧道埋深增大表现为先增后减的二次抛物线形规律，随土体的内摩擦角、粘聚力和土压力系数的增大表现为线性减小的规律。     

交叉中隔墙法开挖浅埋偏压隧道围岩稳定性分析

为对比分析采用交叉中隔墙法开挖浅埋偏压隧道和常规非偏压隧道围岩稳定性的区别,以及围岩参数对其安全系数的影响,通过建立数值仿真模型,基于强度折减法对隧道围岩稳定性展开分析。研究结果表明：采用交叉中隔墙法开挖时,V级围岩浅埋偏压隧道的沉降和水平位移均随开挖面积扩大而不断增大,初期支护封闭成环后,围岩塑性应变值降低,稳定性得到显著提升,安全系数为1.6时的最大沉降值为23.83 mm;V级围岩非偏压隧道安全系数为2.2时的最大沉降值为23.71 mm,其沉降和水平位移均随折减系数增长而发展速率相对较慢,非偏压隧道的稳定性显著强于偏压隧道;随围岩级别降低,偏压隧道的沉降和水平位移均减小,安全系数提高。     

复合地层盾构隧道围岩压力计算方法研究

当前复合地层中盾构隧道的建设大量涌现,而对于复合地层中盾构隧道围岩压力的计算尚存争议。鉴于此,通过分析经典修正惯用法在复合地层围岩压力计算中存在的问题,分别提出盾构隧道位于软硬土复合土层及软土硬岩复合岩土层的荷载计算模式,并基于极限状态理论范畴的滑移线理论推导复合土层下部主动土压力的计算公式。最后,针对实际工程中出现的以上2种典型复合地层,采用提出的计算方法与修正惯用法及实测结果进行对比。结果表明:修正惯用法的荷载模式过分夸大了隧底被动反力,造成计算得到的围岩压力与复合地层隧底的实际受荷状态不符,使隧道底部的变形计算结果出现向上的位移,且所得内力与实测结果相差较大;而采用提出计算方法得到的围岩压力与实测值更为吻合,隧道变形计算结果更合理,所得内力分布更符合实际,量值与实测值偏差较小,验证了所提计算方法的正确性及可靠性,可为复合地层盾构隧道的设计和研究提供参考。     

考虑分部开挖的超大跨度公路隧道围岩压力计算方法研究

为了提出一种新的超大跨度公路隧道围岩压力计算方法,基于邻近隧道施工力学理论,研究分部开挖各导洞围岩压力之间的影响关系,分析分部开挖法各导洞相互影响机制。通过选取3个地区5座典型单洞四车道公路隧道18个测试断面,采用现场测试的方法,获得III,IV,V级围岩上下台阶法施工和上台阶CD法施工的围岩压力测试数据,发现后导洞围岩压力受先导洞开挖影响而普遍较大的规律,提出采用导洞影响系数η定量化分析先导洞开挖对后导洞围岩压力的影响程度,进而修正隧规公式中的围岩压力增减率,提出考虑分部开挖法施工的超大跨度公路隧道围岩压力计算方法。结果表明：(1)邻近隧道周边应力的弹性解析结果表明平行(左右)隧道对周边应力影响比较显著,重叠(上下)隧道对周边应力影响较小,应重点考虑左右平行导洞开挖对围岩压力的相互影响;(2)导洞影响系数η整体以大于1为主,IV级围岩η平均值为1.12,V级围岩为1.28;(3)基于隧规提出修正后的围岩压力增减率i’=0.017(S-1);(4)与隧规相比,采用本文提出的围岩压力计算方法,IV级、V级围岩压力分别减少14.6%和2.4%,更接近实测值。     

浅埋偏压隧道CRD法施工方案优化研究

浅埋偏压隧道CRD法施工中隔壁偏向和施工工序直接影响到隧道的结构应力分布和变形,甚至影响隧道施工安全。基于隧道施工监控量测对隧道CRD法施工进行反分析和数值模拟分析,结果表明:中隔壁偏向于围岩压力较小侧时,围岩扰动小,塑性区范围小,先开挖隧道浅埋一侧时,隧道的收敛和沉降较小,中隔壁轴力和弯矩较小,有利于隧道的安全施工;当隧道中隔壁偏向围岩压力较大侧或先开挖深埋侧时会对隧道顶部围岩和中夹岩柱产生较大扰动,围岩的收敛和沉降速率增加,中隔壁轴力和弯矩也明显增加,不利于隧道施工安全。因此建议浅埋偏压隧道CRD法中隔壁应偏向围岩压力较小一侧,同时应先开挖浅埋侧。     

降雨对隧道浅埋段施工力学效应影响研究

降雨入渗对隧道浅埋段洞室稳定性有着重要影响。文章依托京沪高速济南连接段老虎山隧道,首先采用数值模拟方法分析了降雨条件下隧道洞口浅埋段渗流场演化规律;在此基础上,通过流固耦合数值模型对不同降雨入渗时间下双侧壁导坑法施工过程中围岩应力、支护结构受力变形特征进行研究,得出以下结论：降雨对洞口40m范围隧道影响较大,入渗形成的地下水位线贯穿隧道洞身,其中土石交界处孔隙水压力值较大;降雨入渗使得围岩应力、支护结构变形增大,支护结构压应力增大、但拉应力减小;其中降雨结束时影响最大,降雨结束20d左右影响基本消除。     

地下工程破坏机理认知对工程建设风险的影响

随着岩土力学与地下工程施工技术的发展,尤其是近年有限元极限分析法引入到地下工程稳定分析中,隧洞的破坏机理日益清晰。该文研究了地下工程的破坏机理,采用模型试验和有限元分析法模拟,提出了深埋隧洞围岩破坏与围岩压力主要来自隧洞两侧的观点,以及随埋深而变的隧洞破坏机理,分析了普氏压力拱存在的问题。该文指出当前隧洞建设中事故高于其它土木工程的原因,主要是由于地下工程客观地质环境复杂,以及人们对破坏机理认知不足,对客观条件的掌控能力有限。同时,该文还对隧洞建设中的各种坍塌事故与风险进行了分析,通过实例阐明了隧洞破坏机理认知对隧洞建设风险的影响。     

湿陷性黄土隧道的工程性质分析

黄土隧道往往具有特殊的湿陷性黄土围岩和干旱半干旱气候地区特殊的地形地貌及地质环境,对隧道结构构成了潜在的不利影响。在对湿陷性黄土隧道修建和运行中工程特性认识的基础上,首先,根据地形地貌、地层结构、侵蚀发育、地下水条件和黄土浸水水源,进行了隧道的岩土环境等级和浸水等级划分,以及湿陷性黄土隧道的环境等级划分。其次,给出了隧道黄土地基湿陷变形量的计算分析方法,依据黄土地基湿陷变形不均匀沉降对衬砌结构的作用影响,以及列车运行对路基沉降变形的控制标准和建筑地基湿陷变形对结构的作用影响,确定了隧道湿陷性黄土地基等级的划分标准。最后,考虑到现行《湿陷性黄土地区建筑规范》适用的局限性,结合湿陷性黄土隧道的工程特点,针对隧道施工过程中围岩稳定性和湿陷变形对衬砌结构影响的两个重要问题,相应的提出了隧道地基湿陷性变形的评价方法和围岩压力的确定方法;由竖向压缩应力系数确定湿陷压缩应力,结合试验得出的湿陷系数计算隧道下地基土在实际压缩应力条件下的湿陷变形量。在考虑黄土结构性的条件下,利用太沙基公式计算隧道围岩压力,得到了围岩压力随黄土构度的变化关系。     

破碎围岩浅埋偏压隧道衬砌荷载的计算方法

隧道洞口大都会面临围岩破碎、浅埋和偏压等不良地质地形情况,现行规范只给出了偏压隧道衬砌荷载的计算方法.对于破碎围岩浅埋偏压隧道,根据现场情况及实测的衬砌受力和变形特征表明其与规范假定不同,不宜直接利用规范方法.通过工程实例分析及隧道三维数值分析结果提出了浅埋偏压隧道破碎围岩的破坏模式,即隧道开挖后深埋侧岩体滑塌下落挤压...     

局部破碎带渗水条件下海底隧道稳定性的有限元极限分析

 以存在局部破碎带的青黄海底公路岩质隧道为例，考虑到海水的渗透性，采用有限元极限分析法分析海底隧道岩体注浆加固前、后的稳定性。计算结果表明，隧道整体是安全的，此种情况下，隧道衬砌原则上可按无水压设计，衬砌厚度与采用全水头设计相比可以大大降低。但当存在局部破碎带时，隧道安全系数降低，破碎带越宽，注浆堵水圈厚度越小，安全系数越小。与完整围岩破裂面位于两侧相比，含倾角45°破碎带围岩的稳定性最差。因此，必须做好破碎带的超前注浆堵水加固，以减少其渗水量，并对破碎带进行局部加固，此种情况下，隧道衬砌原则上可按有水压设计。     

软土隧道支护压力与稳定性下限有限元分析

隧道开挖面的支护压力计算和稳定性分析至今尚未有比较成熟和简便的计算方法,本文基于岩土塑性极限分析理论,在分析下限有限元方法中引入非线性Power-Law屈服准则,通过对屈服准则的线性化处理,得到平面应变条件下软土隧道开挖面支护压力计算的下限有限元线性规划模型,编制了相应的Matlab有限元计算程序。计算表明:与极限平衡理论和极限分析上限有限元得到的结果比较,可以说明引入非线性Power-Law屈服准则的塑性极限分析下限有限元对隧道开挖面支护压力的计算和稳定性的分析是适用的。同时,总结了隧道埋深系数、土体重度系数等对隧道开挖面支护压力与稳定性的影响。     

盾构隧道穿越断层破碎带开挖面稳定性研究

随着国内越江海隧道的快速发展,穿越断层破碎带盾构隧道开挖面稳定性的研究具有重要的理论价值和工程应用意义。文章考虑完整岩体与断层破碎带交界面的影响,改进既有楔形体 棱柱体模型,建立考虑地质交界面的极限平衡分析预测模型。基于极限平衡理论推导得到盾构隧道开挖面极限支护压力表达式,研究盾构隧道掘进趋近完整岩体与断层破碎带交界面过程中的极限支护力和破坏体倾角的变化规律。结果表明：当盾构隧道开挖面距离交界面较远时或已通过交界面后,隧道开挖面前方破坏岩土体范围都处于完整岩体或断层破碎带中,此时极限支护压力与常规的地层楔形体 棱柱体预测模型结果一致。当盾构隧道开挖面掘进至断层破碎带交界面距离小于临界破坏长度后,随着距交界面的不断减小隧道开挖面极限支护压力迅速增大,最大值约为完整岩体中极限支护压力的3.5倍,通过交界面后降低为断层破碎带中的极限支护力值。因此在该阶段应严格控制开挖面支护压力,避免发生涌水突泥事故。     

考虑主应力偏转的土体浅埋隧道支护压力研究

传统方法计算浅埋隧道支护压力时,未考虑上覆土体主应力偏转过程,与实际情况不符且计算结果不准确。为真实分析和计算浅埋隧道支护压力,以砂土为研究对象,首先概括浅埋隧道围岩破坏模式,在此基础上分析隧道上覆土体主应力偏转过程和应力状态,得到水平微分土层平均竖向压力与侧向压力和层间平均剪切力的定量关系,进而建立水平微分土层受力平衡方程求解上覆土体竖向压力。最后以隧道侧面滑移土体为对象,通过受力平衡方程求解获得支护压力表达式。新方法考虑了上覆土体主应力真实偏转过程,较传统方法更符合实际,研究结果表明:距离隧道顶部中心线越远,水平正应力与大主应力比值越小;随着土体内摩擦角的增大,竖直正应力与大主应力比值呈现先减小后增大的规律。与模型试验结果对比表明:当隧道埋深较浅时,新方法计算所得支护压力与模型试验结果高度吻合,优于不考虑主应力偏转方法计算结果和半经验性的Terzaghi方法计算结果,从而验证了该方法的有效性,可为浅埋隧道支护设计提供一定理论依据。     

连拱隧道初支结构稳定性评价及施工方法探讨

连拱隧道结构形式复杂,开挖与支护工序转换频繁,围岩受多次扰动,施工风险高,直接影响隧道围岩与支护结构体系的安全性。依托某浅埋偏压连拱隧道工程,采用数值分析方法评价了连拱隧道初期支护结构的安全性。结果表明,受地形偏压影响,左、右侧主洞初支结构内力和变形存在明显的不对称性,深埋侧主洞贯通而未施作二衬情况下开挖浅埋侧主洞,初支结构多个典型特征点处的安全系数均小于规范规定限值,是导致连拱隧道发生大型塌方的主要原因。浅埋偏压连拱隧道主洞开挖时应采取“先外后内”的施工工法,并保持合理的安全步距,相关结论可为相关工程提供参考。