超大断面隧道软弱围岩初期支护与围岩变形分析

软弱围岩隧道的设计与施工技术问题一直是我国隧道工程亟需解决和研究的课题。本文以京沈客专辽宁段TJ-1标三棱山隧道为工程背景,为了确定三棱山隧道进行开挖后围岩和初期支护结构的稳定性,通过对隧道的现场监控量测与运用有限元软件FLAC3D数值模拟,对隧道围岩沉降收敛值、初喷混凝土和钢拱架受力进行了研究对比分析。通过对检测结果与数值模拟结果的分析,对隧道围岩应力动态及发展趋势、围岩稳定性、最终位移量以及初期支护的合理性,评价围岩结构的稳定性和安全性,对隧道的安全施工提供了重要的理论支持,确保隧道围岩和初期支护的长期稳定。     

偏压软弱围岩隧道不同施工方案的数值模拟及比较分析

随着山岭隧道的大量修建,偏压软弱围岩隧道的施工变形控制及其稳定性问题已成为工程关注的重点。以在建刘家庄隧道工程为背景,借助于ABAQUS有限元软件,采用全断面法,上、下台阶法和中隔壁法对隧道穿越煤层地段的施工过程进行三维数值模拟,得到了不同施工过程中围岩和支护结构的应力、应变规律,通过对不同施工方法的优化分析、现场监控量测数据和数值模拟结果的对比分析发现,采用超前支护上、下台阶法施工方案较其他两种方案更为经济合理;最后,提出相应的变形控制措施和建议,对类似工程具有重要的参考和借鉴意义。     

钢拱架应力反分析隧道初期支护力学性能的研究

适时分析软弱破碎围岩段衬砌结构的内力状态是隧道动态施工中的关键性问题之一,对判断隧道施工安全状态和评价支护结构稳定性具有重要意义。考虑钢拱架已作为软弱围岩段公路隧道初期支护的重要形式,现通过分析隧道施工现场钢拱架支护的自身特点和受力特性,建立含有钢拱架和喷射混凝土的隧道复合初期支护的地基曲梁力学模型。然后运用地基曲梁相关理论,通过现场监测的钢拱架应力推求出隧道复合初期支护内力解析式,从而迅速得到隧道支护结构的应力集中部位。最后,经由台阶法施工的隧道工程实例运用表明,基于实测钢拱架应力求解隧道初期支护内力的解析研究是分析软弱破碎围岩段隧道支护力学性能的一种新方式,并能及时有效地为隧道现场施工安全提供直观、可靠的力学依据和技术支持。     

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。     

Ⅲ类围岩全断面开挖隧道喷砼最小厚度初探

喷射混凝土是隧道初期支护的重要组成部分 ,是提高支护结构整体刚度 ,有效控制围岩变形 ,改善隧道结构的应力分布状态 ,减少隧道突发性坍塌发生的重要步骤。本文用有限元静力数值分析方法 ,对青龙背隧道 类围岩全断面开挖喷混凝土厚度进行了计算分析 ,对同类工程也有一定的指导意义。     

两水隧道初期支护安全长度研究

基于两水隧道工程实例,从围岩稳定性入手,利用Ansys通用有限元软件建立了有限元分析模型,通过不同初期支护长度数值模拟分析,对隧道初期支护安全长度提出了建议,可以为隧道设计与施工提供一定的理论参考。     

特长山岭隧道衬砌监测及模拟研究

 在新奥法的隧道设计理念中，现场的监控量测工作是必不可少的重要组成部分。监控量测不仅能准确反映围岩的稳定性，而且通过对监测数据的分析及在此基础上的数值模拟工作，可以较好地优化隧道的衬砌结构，从而使动态设计、信息化施工成为可能。为实时掌握隧道施工期间的围岩变形和支护结构的受力特点，某特长山岭隧道进行以应力监测和位移监测为基础的全程监控量测工作。并以应力监测为基础，采用有限元软件对隧道衬砌结构在不同级别围岩中的受力状态进行模拟，以监测位移值做标准，对数值模拟结果的正确性进行验证。计算出不同衬砌结构在相应级别围岩中的临界荷载，以指导现场监控量测工作。从而保证隧道的施工安全并优化衬砌设计，为后续工程的设计提供指导。     

层状板岩隧道大变形控制参数优化数值模拟分析及现场试验

以木寨岭公路隧道为研究工程背景,木寨岭隧道是全线地质条件最差的隧道,其复杂性主要表现为:断层构造作用强烈、地应力高、隧道埋深较大、地下水发育等。隧道原支护设计下,出现了初支开裂、拱架破坏和围岩渗水等状况。经NPR锚网索支护策略施作,大变形支护控制效果显著,最大变形量为240 mm。为降低工程造价,提高施作效率,对NPR锚网索行间距进行优化设计,利用Flac3D内嵌的fish语言,建立具有高恒阻大变形的NPR锚索结构单元,对不同优化方案进行数值模拟,对比分析各种方案下模拟得出的各项正应力、剪应力及变形云图,再进行现场试验,将现场试验结果与数值解进行对比分析,认为小进尺开挖加NPR锚网索支护体系可能对松动圈产生影响,提出NPR锚网索支护设计的优化方向,为二次优化奠定理论和实践基础,同时该技术也为川藏铁路的实施奠定理论和实践基础。     

引水隧洞复合支护钢拱架变形特性及围岩稳定性研究

为研究复合支护中钢拱架变形特性和力学机制,优化支护参数,保证引水洞室的稳定性,在对支护结构进行力学分析的基础上,采用数值计算方法对山西引水工程中施工支洞进行了仿真模拟。基于复合支护力学作用机制的研究,分析钢拱架在初期支护中的应力及变形特性,并结合工程实例研究复合支护中钢拱架、钢筋网以及喷层所分担的围岩压力比例。数值计算表明:与普通的喷锚支护相比,有钢拱架的复合支护体系能够对围岩变形提供直接支护力,使围岩初期变形和塑性区范围大大减小,有利于围岩承载拱的形成并发挥其自身承载能力,同时其他各支护材料的变形和应力也有较大程度的降低,是洞室破碎围岩支护的有效手段之一。研究成果为山西省中部引黄工程引水洞支护设计提供了理论依据,对同类工程也具有借鉴和指导意义。     

引水隧洞复合支护钢拱架变形特性及围岩稳定性研究

 为研究复合支护中钢拱架变形特性和力学机制,优化支护参数,保证引水洞室的稳定性,在对支护结构进行力学分析的基础上,采用数值计算方法对山西引水工程中施工支洞进行了仿真模拟。基于复合支护力学作用机制的研究,分析钢拱架在初期支护中的应力及变形特性,并结合工程实例研究复合支护中钢拱架、钢筋网以及喷层所分担的围岩压力比例。数值计算表明：与普通的喷锚支护相比,有钢拱架的复合支护体系能够对围岩变形提供直接支护力,使围岩初期变形和塑性区范围大大减小,有利于围岩承载拱的形成并发挥其自身承载能力,同时其他各支护材料的变形和应力也有较大程度的降低,是洞室破碎围岩支护的有效手段之一。研究成果为山西省中部引黄工程引水洞支护设计提供了理论依据,对同类工程也具有借鉴和指导意义。     

基于数据融合的山岭隧道围岩稳定性评价方法

随着隧道信息化设计和施工的发展,如何利用隧道施工过程中的现场监测值对隧道安全进行准确合理的评价成为一项亟待解决的技术问题。本文针对新奥法隧道施工过程,提出了一种基于监测数据的施工安全评价方法,该方法通过将不同的监测数据相融合(如拱顶下沉和水平收敛),并结合数值计算方法,对隧道围岩的稳定性进行综合性评价。本文用折减节点力来模拟隧道初期支护前后的围岩应力释放过程,并计算出围岩稳定极限状态下的隧道变形值,作为围岩稳定性评价的重要依据。最后,将该方法应用到营盘山隧道的围岩稳定性评价中,根据隧道各断面水平收敛与拱顶下沉数据,计算隧道围岩稳定性安全系数,为施工决策提供理论参考。     

Ⅲ类围岩全断面开挖隧道喷砼最小厚度初探

喷射混凝土是隧道初期支护的重要组成部分,是提高支护结构整体刚度,有效控制围岩变形,改善隧道结构的应力分布状态,减少隧道突发性坍塌发生的重要步骤。本文用有限元表我力数值分析方法,对青龙背隧道Ⅲ类围岩全断面开挖喷混凝土厚度进行了计算分析,对同类工程也有一定的指导意义。     

大跨度隧道围岩流变参数智能分析及稳定性评价

流变模型和参数是软岩隧道工程稳定性计算的前提和基础,结合某实际工程,完成岩体物理力学试验数据及其岩土破坏形态试验分析,建立黏–弹–塑性软化模型作为泥岩长期稳定性分析的力学模型,并通过理论分析和经验类比方法预测泥岩的长期强度;同时结合试验和监测数据分析并利用人工智能分析方法,得到与室内试验较为吻合的流变参数。通过分析流变模型拟合曲线与试验流变曲线吻合度较好,该方法对于优化流变参数、提高数值模拟的准确性具有重要意义。在此基础上对大跨度隧道工程长期稳定性进行预测,分析认为:锚杆和衬砌受力变化总体岩体蠕变特征相似,支护初期应力加速增加,3~5 a后衬砌应力基本无变化,结构总体处于安全范围。     

大跨度隧道围岩流变参数智能分析及稳定性评价EI北大核心CSCD

流变模型和参数是软岩隧道工程稳定性计算的前提和基础,结合某实际工程,完成岩体物理力学试验数据及其岩土破坏形态试验分析,建立黏–弹–塑性软化模型作为泥岩长期稳定性分析的力学模型,并通过理论分析和经验类比方法预测泥岩的长期强度;同时结合试验和监测数据分析并利用人工智能分析方法,得到与室内试验较为吻合的流变参数。通过分析流变模型拟合曲线与试验流变曲线吻合度较好,该方法对于优化流变参数、提高数值模拟的准确性具有重要意义。在此基础上对大跨度隧道工程长期稳定性进行预测,分析认为:锚杆和衬砌受力变化总体岩体蠕变特征相似,支护初期应力加速增加,3~5 a后衬砌应力基本无变化,结构总体处于安全范围。     

浅埋隧道开挖与支护的数值模拟研究

随着我国国民经济的发展,隧道数量日益增多,尤其是大型隧道的数量占主导地位,因此,选择合理的开挖和支护方式,对于节约资源、降低工程成本有很大的作用。基于土体塑性理论,运用快速拉格朗日有限差分法,对隧道围岩的稳定性进行计算,通过对浅埋隧道进行开挖支护分析,讨论各种因素对隧道稳定性的影响,并通过对应力、位移情况等结果的分析,发现隧道围岩性质对稳定性影响较大。将计算结果与实际情况进行对比分析,吻合较好,表明文中简化处理方法的合理性和计算模型的可行性。为地下洞室开挖支护等问题奠定了理论基础和现实价值。     

隧道偏压地段开挖过程模拟分析

讨论了隧道工程开挖过程计算理论基础和分析方法,结合天坪岭隧道工程,对隧道偏压地段的开挖过程用有限元软件对围岩的稳定性和支护结构进行了计算分析,得出了一些有意义的结论。     

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。     

复杂围岩条件下大跨隧道修建技术研究

基于内昆铁路部分三线大跨隧道的复杂地质条件，采用理论分析，数值模拟和现场实测等方法，对不同开挖方法及支护方式下围岩变形特点和结构稳定性进行了分析，从而确定了合理的施工方法和辅助工法，通过对不同方案的比较，确定了合理的初期支护方式和参数，在对堆体稳定性特点分析的基础上，制定了相应的施工工艺，防坍塌及加固抗滑措施，在工程中应用后取得了满意的效果，由此形成了复杂围岩条件下大跨隧道修建的系统关键技术。     

隧道各向异性软岩力学参数反演及蠕变研究

在高地应力条件下具有层理构造的横观各向同性软岩中开挖隧道后,软弱围岩会发生显著的流变变形,直接影响隧道围岩的稳定性及支护结构的长期服役性能。采用数值模型模拟木寨岭隧道大战沟斜井试验洞的开挖蠕变过程,建立并验证了隧道宏观变形特征值与围岩力学计算参数之间的BP神经网络。在此基础上根据6+90试验洞现场变形监测数据,反演得到了该处炭质板岩的塑性及蠕变力学参数。应用另两处监测断面的现场监测曲线验证了基于BP神经网络的反演方法及所得炭质板岩力学参数的可靠性。另外分析了横观各向同性炭质板岩的开挖蠕变力学变形性质,对高地应力条件下横观各向同性软弱围岩中隧洞开挖及支护结构的设计、施工具有重要的指导意义。     

连拱隧道支护结构内力模式研究

连拱隧道结构复杂,施工工序繁多,开挖和支护相互交错,导致围岩压力分布及支护结构各部分的应力和变形难以获得精确解答,使设计存在一定的盲目性。文章首先通过对现场监控量测中的围岩压力分布情况和初期支护受力特点及工作状态进行了分析,提出了围岩接触压力和初期支护结构内力模式。接着在有限元分析中结合现场量测数据进行计算参数的合理选取来模拟现场开挖计算,并对计算结果与现场量测数据进行了对比分析和相互印证,提出了不同中墙连拱隧道初期支护结构设计的可行控制点。