考虑时空效应的隧道工程黏弹性位移反分析

工程材料受力变形的性态常与时间有关,这类现象一般称为材料变形的黏性效应,材料发生随时间而增长的变形时,如果始终处于弹性受力状态,则称发生的变形为黏弹性变形.结合乌鞘岭隧道穿越F7断层所取得的量测资料,将计算区域内的岩石视为均质各向同性体,初始地应力假设成均匀分布,采用三单元模型和工程实践及三维有限元分析结果,围岩变形规律通过引入位移释放系数考虑测点的时空效应,对有限元黏弹性问题进行优化反演分析,得出围岩区域内的水平侧压力系数和所使用模型中的弹性模量和黏滞系数,为挤压性断层中隧道的支护设计、施工组织提供可靠的依据.     

浅埋风化岩质隧道初支护后黏弹性变形性态分析

为分析浅埋风化岩质隧道围岩初支护后变形随时间变化的黏弹性效应,首先采用逆反分析法推导出圆形隧道围岩的等效弹性模量和等效侧压力系数的解析解;然后结合具体工程实践,选择典型断面采集围岩初支护后的位移实测数据,采用数理统计方法,获取该类型隧道围岩初支护后的等效侧压力系数与等效弹性模量之比随时间的变化规律,建立围岩初支护后的黏弹性模型,研究隧道围岩初支护后变形随时间变化的黏弹性效应。研究结果表明:浅埋风化岩质隧道围岩初支护后在无降雨等外部因素作用下等效侧压力系数与等效弹性模量之比随时间呈Monomolecular增长模式并最终稳定于某一常数,即围岩变形随时间变化的黏弹性效应也符合此规律,并且其应变与等效侧压力系数成反比变化;在围岩刚度较大和地下水活动较弱的地段,初支护后围岩变形将较快趋于稳定。     

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。     

某隧道横穿断层破碎带围岩稳定性评价

采用FLAC3D有限差分软件,以实际工程案例为背景,建立三维数值计算模型,研究了隧道以不同角度横穿断层破碎带时的围岩稳定性。研究结果表明,断层以不同角度横穿断层破碎带时,隧道围岩变形存在较大差异。当隧道与断层破碎带正交分布时,隧道围岩受力变形较小,稳定性好,随着隧道与断层破碎带相交角度减小,碎岩围岩变形逐渐增大。     

城市浅埋隧道施工性态的时空效应分析

基于弹 -黏塑性模型 ,使用所研制的三维有限元程序 ,对某浅埋城市隧道工程在开挖过程中地表和围岩变形以及围岩的稳定性的时空效应进行了分析和探讨。通过计算结果与现场量测结果的比较 ,文中的分析结果令人满意 ,为该工程施工提供了依据和指导作用 ,且具有一定的理论意义和实际意义。     

乌鞘岭隧道F7断层施工力学行为研究

结合软岩隧道工程地质和支护特点,对乌鞘岭隧道F7断层软岩施工中的力学性态进行了计算分析.对于施工中出现的软岩挤压大变形问题,从岩体流变学和隧道施工力学的观点与方法出发研究围岩的受力和变形,分析了隧道施工过程的三维时空效应,有机地耦合了作业面的空间效应和软岩时效特性.考虑围岩流变特性,分析了围岩-支护系统变形、受力随时间发展规律,并将计算成果和现场实测数据进行了比较验证,以使力学计算更好地参与到隧道信息化设计和施工中.     

泥质粉砂岩隧道变形及长期稳定性研究

以广东省惠清高速太和洞隧道工程为依托,通过室内试验和数值模拟,对典型软岩隧道大变形问题进行了研究。首先通过FLAC3D数值模拟软件对隧道开挖阶段的受力特征、施工变形进行计算;其次考虑了流变效应,通过单轴压缩流变试验得到泥质粉砂岩的应变-时间曲线,选取伯格斯黏弹性模型拟合出相关流变参数并运用于隧道长期变形的模拟计算中,对隧道运营期稳定性做出了评价。研究结果表明:(1)泥质粉砂岩具有明显的蠕变特性,在270 kPa左右的应力水平下进入非稳定蠕变阶段;(2)伯格斯黏弹性模型能够较好地描述泥质粉砂岩的流变特性;(3)隧道开挖阶段拱顶、拱底处有明显的应力释放,拱脚处有应力集中现象,右洞支护结构对围岩稳定性的提升,使左洞开挖阶段围岩的受力状态、变形情况均优于右洞;(4)隧道在运营期7年以前表现出较明显的蠕变特性,7年之后进入稳定阶段。     

深部软岩隧道施工性态时空效应分析

随着我国交通事业的迅速发展,在深部岩体中修筑隧道工程已必不可少,随之而来的深部岩体所具有的特殊工程地质问题也更加突出。主要对深部软岩隧道工程中施工力学性态和变形时空效应进行三维非线性黏弹性数值模拟,并将计算结果与现场实测数据进行比较验证。研究结果表明,计入围岩流变效应,考虑深部软岩隧道时空效应影响,在作业面影响范围内,开挖面空间效应占主导因素,围岩应力随距作业面距离的加大而逐步释放;在此范围外,软弱岩体流变属性得以充分发挥。通过分析和施工实践证明,对于深埋软岩隧道应尽早施作衬护,以改善承载环范围内围岩受力,减少扰动,提高围岩自承能力;由于软岩流变效应显著,必须适时设置二次衬砌以承受来自围岩的后期流变压力,限制围岩大变形。研究成果丰富了地下工程施工力学理论,可应用于工程实践。     

隧道穿越不同厚度断层破碎带稳定性研究

隧道在断层破碎带处施工时容易诱发塌方、大变形以及突泥突水等灾害。以五道岭隧道工程为背景，利用有限元软件对五道岭隧道的不同厚度断层破碎带对隧道围岩位移产生的影响进行分析。研究结果表明：隧道围岩最大竖向位移和水平位移都发生在断层破碎带处；隧道围岩位移值均随着断层破碎带厚度的增大而增大，断层破碎带厚度越小，隧道围岩越稳定。     

等值地应力下岩质圆形隧道位移释放系数比较及应用

 隧道前期变形是利用收敛约束法确定支护压力和围岩稳定变形的关键,在分析隧道开挖面空间效应机制的基础上,总结具有代表性的深埋岩质圆形隧道位移释放系数公式,对其进行分类、适用性及空间效应的比较,得到不同位移释放系数、不同支护施作距离和不同控制目标下的收敛约束差异。研究结果表明：以围岩塑性区最大半径为基础的位移释放系数对弹性围岩和各种弹塑性围岩均适用,具有广泛的工程应用前景;弹性位移释放系数仅适用于弹性围岩,常用塑性位移释放系数仅适用于相对半径为2的隧道围岩;不宜将依据距开挖面较远处得到的支护压力而设计的支护结构随意前移构筑,应依据实际工程的围岩特性,合理选择位移释放系数公式,适时施作不同刚度的支护。     

层状软岩隧道稳定性及受力变形特性研究

文章以在建郑万高铁某层状软岩隧道为研究对象,应用ABAQUS有限元软件,建立带有节理材料模型的二维隧道模型进行计算分析,并结合现场量测结果,得到围岩和衬砌的受力变形特征。结果表明,层状软岩中的隧道会产生明显偏压效应,隧道反倾侧的围岩位移和衬砌受力普遍大于顺倾侧对应位置;层面倾角由0°增加到90°过程中,围岩的位移和衬砌的应力均呈现逐渐增大的趋势,隧道的偏压作用由弱变强再变弱,倾角45°时偏压作用最显著。     

基于夹持效应的普立特大桥隧道锚现场模型试验研究

 为揭示隧道锚围岩夹持效应的力学机制,认识隧道锚围岩破坏模式并确定极限抗拔能力,进行圆台形锚体和圆柱形锚体的夹持效应对比试验。试验选择在普立特大桥隧道锚碇区勘探斜洞的2条平行支洞内进行,2种模型试体的侧面积和高度相同,以定量比较因夹持作用引起的隧道锚围岩极限抗拔能力的差别。试验结果表明,与圆柱形锚体模型相比,圆台形锚体模型因存在夹持效应,破坏前的变形量、围岩变形影响范围、破坏时的极限荷载明显增大。圆柱形锚体发生锚体混凝土与围岩接触面破坏,脆性破坏明显。圆台形锚体发生围岩沿不利结构面破坏,且破坏前经历了很长的屈服变形阶段,两者破坏模式完全不同。提出了夹持效应系数的概念及其计算模式,得出弹性阶段夹持效应系数、极限强度夹持效应系数分别为4.48,4.54。夹持效应产生的抗拔能力远远大于混凝土与岩体接触面的抗剪强度,是隧道锚抗拔能力的主要支撑。     

黄土隧道喷射混凝土衬砌有限元分析

腰岘河单线铁路隧道穿经老黄土Q_2,埋深40米,全长311米。首次在55米长的地段上试验采用喷射混凝土作为永久支护。为了从理论上验证,进行了线弹性的和非线性的有限元分析。计算参数均由现场测试和实验室试验所确定。在线弹性分析中假定隧道一次开挖完毕且衬砌一次做好,计算了土体和衬砌的应力和变形。在非线性分析中,考虑了分阶段开挖与衬砌的时间效应;采用了Duncan建议的双曲线本构关系,惟由试验指出,黄土的初始弹性模量与应力无关。分析结果表明:不考虑开挖过程的时间效应以及材料的应力—应变非线性关系的线弹性有限元分析,其所算得的变形值偏小,衬砌应力值偏大;而考虑这些因素的非线性有限元分析,能反映隧道衬砌与周围土体的实际受力变形情况,算得的变形值与实测值符合良好,衬砌应力值较为合理。用喷射混凝土支护黄土隧道,能保证其稳定性,而喷层强度则为其抗剪强度所控制。     

特长公路隧道主洞与配电室交叉结构稳定性分析

因空间交叉结构受力复杂性而导致的长大公路隧道大变形和支护结构失稳的事故屡见不鲜。文章介绍为确保隧道交叉结构受力的安全与合理,以宝塔山隧道为依托工程,采用喷射聚丙烯纤维混凝土作为支护手段,运用ADINA有限元软件建立数值计算模型,对隧道交叉结构的围岩变形、支护结构与围岩的接触应力、支护结构内力进行分析。研究表明:拱顶、仰拱的最大变形量出现在交叉部位,隧道主洞有接触应力集中现象,拱腰附近安全系数最小。     

大断面黄土隧道围岩弹性抗力系数、变形模量与压缩模量试验研究

 对于高速铁路大断面黄土隧道严格的设计计算而言,黄土隧道围岩的弹性抗力系数、变形模量和压缩模量十分重要。以郑西客运专线大断面黄土隧道工程为依托,利用现场平板载荷试验研究大断面黄土隧道围岩水平方向和拱底竖直方向的弹性抗力系数、变形和压缩模量,并提出与隧道埋深有关的弹性抗力系数、变形和压缩模量的参考计算公式。     

山岭隧道塌方机制及防灾方法

山岭隧道建设过程中,塌方灾害频繁发生,造成重大经济损失和人员伤亡.随着我国经济的快速发展和高速公路的大力建设,投入到塌方治理的费用呈逐年增加趋势.开展隧道塌方机制和防灾方法研究具有重大现实意义.博士论文采用数值模拟和理论分析为主要研究手段,结合现场调查和监控量测,研究山岭隧道塌方机制和预防措施,以期获得有效的预测方法.运用层次分析法,研究塌方影响因素的敏感性;开展隧道塌方范围内压力拱理论研究,分析不同应力场下潜在塌方范围;探索新的围岩分级方法,建立有效的围岩失稳风险预警模型;研究断层破碎带对围岩稳定性的影响及塌方处治方案的优化思路,得出山岭隧道复合式衬砌在围岩蠕变过程中的受力规律;揭示山岭隧道出洞口塌方机制,并提出相应处治措施;同时,基于突变理论,分析降雨对浅埋隧道塌方的影响,研究隧道出洞口段衬砌结构安全性的评价方法,探索隧道出洞口塌方的时空预测方法.取得以下主要成果和认识:(1) 分析塌方的主要影响因素,指出围岩自身属性及地下水对塌方的影响最大,并按塌方发生部位对塌方灾害进行系统分类.(2) 通过压力拱理论研究,计算出不同应力场下的压力拱线.指出不同地应力模式下,隧道压力拱存在差异,压力拱和判断标准关系密切,从工程安全角度出发,宜以最小主应力受拉为判断标准.(3) 基于特尔菲-理想点法和集对分析理论,建立新的围岩分级模型,为隧道塌方风险评价提供依据.将功效系数法应用于隧道围岩稳定性评价中,建立切实可行的围岩危险性预警模型.(4) 提出断层破碎带地区隧道塌方段施工方案优化思路.基于黏弹性有限元理论,分析复合式衬砌结构在围岩蠕变过程中的受力规律,确定断层破碎带围岩流变特性明显洞段隧道衬砌设计和施工的合理方案.(5) 指出隧道出洞口塌方破坏为掌子面失稳和洞顶松散介质垮落共同作用所致,以及出洞口应采用初期支护紧跟和超前支护.建立降雨作用下浅埋隧道塌方的尖点突变模型,推导出围岩为不同岩土介质组合时的松散围岩失稳判据.提出隧道出洞口段衬砌工作状态的合理评价方法.(6) 建立隧道出洞口塌方的时空预测模型.基于应力传递思想,推导出隧道出洞口松散围岩失稳判据,得到塌方发生时进入松散围岩段的临界距离.结合灰色理论和协同理论,预测塌方发生的时间.通过实际工程案例证明所建时空预测模型具有较高的预测精度.     

西寺沟1号隧道中隔壁法数值模拟分析

本文介绍了以西寺沟1号隧道为工程实例,用ANSYS建立有限元模型对软弱围岩采用中隔壁法（CRD）予以仿真分析。在开挖支护过程中．通过对围岩的变形,塑性变形的分布和其发展趋势、围岩的受力变形、初期的喷层、锚杆支护等方面的比较。评价西寺沟1号隧道采用中隔壁法（CRD）开挖对周围岩体稳定性的影响。     

圆形隧道衬砌围岩变形压力的时间效应

本文通过理论分析和模型实验研究了圆形隧道衬砌上的围岩变形压力的时间效应。研究结果表明:作用在隧道衬砌上的围岩变形压力的大小及其分布形式都具有明显的时间效应;在选择设置衬砌的时间时,建议考虑围岩材料的蠕变主时间;围岩内粘塑性流动区随时间的扩展,将导致围岩变形压力随时间增加。另外,还讨论了衬砌上围岩变形压力的分布形式随时间的变化。     

高地应力断层带软岩隧道变形特征与控制措施研究

隧道在穿越断层地带时由高地应力引起的软岩大变形问题是隧道建设施工中难点,给隧道建设的施工与进度带来很大影响。本文结合区域地应力,围岩强度实验等分析柿子园隧道穿越断层地区产生支护结构破坏现象的原因,并对围岩压力,钢架应力,围岩变形进行了现场监测,得到了高地应力软岩大变形引起的支护应力特征与变形特征,提出了控制大变形的技术措施。研究表明,高地应力区软岩隧道穿越断层地带时,由于复杂的构造应力造成隧道结构受力不均,隧道左右两侧围岩压力,支护内力与围岩变形呈现出很大的不对称性。采用优化断面形式、加强初支刚度、非对称预留变形量和锚杆布置等措施可以有效减小隧道结构受力,控制隧道变形。     

隧道断层破碎带受力特性与预注浆加固技术研究

为研究隧道断层破碎带的受力特性，本文通过选取某隧道断层破碎带的最不利受力试验段，分析了实际工程的受力变形规律，提出了预注浆加固措施并进行了加固效果验证，研究结果表明：根据隧道洞顶不同程度的涌水量，开挖过程中断层破碎带的受力规律具有明显分界，围岩与初支接触间压力释放较快，与拱顶下沉的比值呈现幂指数下降并逐渐趋于稳定的趋势，同一位置拱顶处的锚杆轴力与围岩位移呈现正比例线性关系。最后通过预注浆加固技术的实施及拱顶下沉监控结果发现，隧道预注浆加固技术对断层破碎带的变形具有很好的控制作用。