流固耦合作用下深埋高水压隧道稳定性的数值模拟研究

使用计算软件FLAC3D,在考虑水的流固耦合效应和不考虑水的流固耦合效应的两种情况下,分别对隧道围岩进行三维数值分析,得到了两种情况下的隧道围岩的应力场、位移场、塑性区的变化情况。试验模拟结果表明：考虑渗流效应的隧道,围岩压应力小于不考虑渗流效应时计算出的围岩压应力,但是此时的拉应力和剪切应力增加,围岩竖向位移变化不大,而水平位移相差很大,塑性区破坏的程度比不考虑流固耦合的情况的破坏程度要大。该情况将为该隧道施工和防渗设计提供依据。     

大断面隧道支护结构地震反应特性分析

从围岩-支护结构-地震相互作用研究思路出发,利用ADINA非线性有限元软件,通过大断面隧道施工力学及瞬时动力时程分析,研究隧道支护结构在水平(Ya)、纵向(Za)及水平-纵向(YZa)不同地震加速度作用下的位移、应力反应特性.结果表明,水平地震加速度对支护结构的水平位移、最大主应力、加速度和速度影响大,纵向地震加速度对纵向位移、有效应力、最大及最小主应力、最大剪应力、加速度和速度影响都大.在Ya=0.191 g、0.440 g或Za=0.141 g及其YZa共同作用下,大断面隧道初期支护遭到破坏,二次衬砌局部损坏;在Ya=0.440 g或Za=0.326 g及其YZa共同作用下,隧道二次衬砌遭到损坏;在Ya=0.880 g或Za=0.652 g时,隧道支护结构可能会遭到严重破坏.     

软弱围岩隧道变形破坏机制及处治措施

为深入研究软弱围岩隧道产生变形破坏的机制及其处治措施,选取四方山隧道为工程实例,分析其产生局部掉块、拱架剪切变形、塌方等病害的特征。在此基础上研究了该隧道产生变形破坏的机制,从而有针对性地提出了相应的处治措施,并利用数值模拟手段对处治效果进行了全面评价。研究结果表明:1四方山隧道产生变形破坏的主要原因在于其受到水平岩层、地应力、地表防排水、人为因素等的影响;2采取加强初期支护及基底锚注加固措施后,该隧道水平、竖向位移得到有效控制,软弱破碎围岩中的节理、裂隙减少,避免了地下水渗入而引起的基底围岩膨胀;3处治后,隧道初期支护结构的水平位移大幅下降,围岩塑性区范围减小,竖向位移大幅降低,隧道处于稳定状态,塌方变形处治效果良好。     

应力剪胀对浅埋隧道稳定性系数的影响

考虑剪胀对隧道围岩稳定性的影响,对浅埋圆形盾构隧道、浅埋两车道公路隧道和浅埋双线铁路隧道在围岩发生塑性流动时进行力学特征分析。分析圆形盾构隧道围岩的位移,塑性区分布和最大剪切应变率;计算圆形断面、双线铁路隧道、双车道公路隧道等3种不同断面形状隧道的稳定性系数,分析剪胀角对围岩稳定性系数的影响。研究结果表明：剪胀角对围岩位移的影响存在一个临界值;在围岩发生塑性流动时,塑性区随着剪胀角的增大而逐渐增加;剪胀角对围岩剪切破坏带和围岩稳定性系数都有较大影响;随着剪胀角的变化,隧道临界稳定系数也发生变化。     

云岭隧道围岩物理力学参数正演反分析

以FLAC差分程序作为模拟隧道开挖的正演工具，结合BP神经网络程序，对云岭隧道软弱岩层施工过程中量测的围岩位移进行反分析，确定围岩物理力学参数。将反分析结果代入FLAC程序进行正分析计算，计算位移与实测位移符合很好，证明了基于FLAC的隧道BP神经网络位移反分析的可行性。结果表明，反分析所得围岩物理力学参数改进了原勘测资料中的建议值，对隧道围岩稳定性评价及信息化设计具用实际意义。     

跨断层隧道衬砌变形规律及损伤机理研究

陆地交通的直线化趋势使得跨断层隧道不可避免,该类工程是隧道衬砌发生变形破坏的主要事故区间。断层破碎带的基本参数宽度、倾角对于判别断层错动影响下隧道稳定性具有重要的意义。以现场监测与数值模拟相结合的手段,探索了断层错动对跨断层隧道的影响及破坏特征。以地处西部地震多发带、地震基本裂度为Ⅷ度的隧道为工程背景,基于现场实测数据,对断层宽度20 m、倾角70°,以及断层宽度8 m、倾角65°的跨断层隧道变形及破坏机理进行分析。进一步运用ABAQUS数值模拟探索了不同断层宽度(10、20、40 m)和倾角(65°、75°、85°)的断层错动对跨断层隧道的变形及破坏影响特性,揭示了断层宽度、倾角的变化对隧道衬砌应力、应变、位移的影响机制。结果表明:断层错动影响下,隧道衬砌位移、应变、最大主应力受断层宽度的影响较小,受断层倾角的影响较大。断层宽度、倾角的变化对跨断层隧道衬砌位移的变化影响较小,隧道拱顶、拱腰、拱底的位移变化趋势大致相同。围岩结构面粗糙度的增加会减小隧道位移值的变化,但对位移变化趋势的影响较小。跨断层隧道衬砌应变的变化范围受断层宽度、倾角影响较小;随着断层宽度的增加、倾角的减小,隧道衬砌的应变逐渐增大。通过分析不同断层宽度、倾角组合下隧道衬砌应力特征,发现断层宽度越小,倾角越大;衬砌最大主应力受影响范围越小,隧道衬砌越危险。研究结果有望对跨断层隧道的施工建设提供参考与指导。     

海底隧道穿越断层破碎带预注浆加固稳定性分析

通过三维有限元方法研究当隧道穿越断层破碎带时,采用不同注浆加固材料、不同注浆加固圈厚度对隧道围岩及初期支护受力和变形影响.得出:围岩未采取注浆加固时,塑性破坏主要集中在正常围岩与断层破碎带的过渡段;采取注浆加固措施后,破坏除发生在正常围岩与断层破碎带过渡段外还发生在各注浆加固段间的衔接处;对围岩进行注浆加固后,隧道拱顶最大沉降减小了一半多.同时,随着注浆加固圈厚度或刚度的增大,隧道拱顶位移、塑性变形的大小和分布区域、初期支护内的最大主应力都会相应的减小;通过改变注浆加固范围和注浆加固参数都可以实现对隧道的变形和受力的有效控制,两者在加固隧道围岩方面具有等效作用.     

上界首隧道围岩稳定性分析

隧道开挖过程中围岩破坏容易引发隧道坍塌事故,为了保证上界首隧道的施工安全,根据本区工程地质特征,建立了FLAC3D数值模拟模型。采用FLAC 数值模拟方法对该隧道三台阶法施工全过程进行模拟分析,得到了上界首隧道的围岩变形规律。结果表明,竖向位移主要集中在拱顶和拱底处,拱顶最大位移为6．92mm ,拱底最大位移为4．71mm ;水平位移主要集中在隧道两肩和两腰处,最大水平位移为4．11mm。隧道开挖初期竖向位移与水平收敛速率都比较大,处于不稳定状态,而后变化速度慢慢减小,在施作仰拱支护闭合后,基本稳定下来,说明本段选用的施工方法和初期支护参数合理。     

复杂地质条件下隧道支护体时效可靠性分析

由于隧道围岩具有蠕变特性,导致隧道结构的可靠性与稳定性有着显著的时效特性.很多隧道塌方事故并不是在当前掌子面发生的,而是在隧道开挖支护完成一段时间后才发生,但目前对于此类事故的研究,即隧道围岩及支护结构的时效可靠性的研究很少.将支护体系的时效破坏概率定义为支护体的实际位移值超过极限位移的概率.根据相关规范以及法国学者Louis提出的最大容许位移约为埋深的1‰的理论,可以计算得到隧道断面上不同位置处不同方向的极限位移,即位移阀值.利用ABAQUS有限元软件对张石高速岳家沟隧道工程RK75+880断面进行建模分析,选择时效硬化蠕变本构模型,作出断面上各个观测点处的支护体位移时程曲线.确定各个观测点处的极限位移,进而计算各个观测点的时效破坏概率,分析隧道断面的时效可靠性与稳定性.     

偏压双连拱公路隧道围岩稳定性动态预测分析

由于高速公路偏压双连拱隧道的复杂地质条件,会给隧道安全施工带来严重威胁,提出在加强隧道开挖现场监控量测的基础上,以位移量测结果作为学习样本,应用BP神经网络预测隧道围岩位移的大小,分析围岩的稳定性.由于BP神经网络能综合考虑隧道围岩节理、裂隙等对围岩位移的影响,所以与有限元反分析法计算隧道围岩位移结果比较,显示BP神经网络预测结果的误差较小,预测值与实际测量值趋于一致,因此应用BP网络预测偏压双连拱隧道围岩位移,超前分析其稳定性是安全可靠的,该预测方法的预测结果可以指导现场的施工.     

基于Mogi-Coulomb强度准则的隧道围岩理想弹塑性解答

合理选择岩石强度准则对隧道应力及位移预测和支护设计都具有重要意义,基于Mogi‐Coulomb强度准则和理想弹塑性模型,通过中间主应力系数反映中间主应力的影响,推导了圆形隧道围岩应力和位移的解析解,并对所得结果进行比较与验证,得到了中间主应力和围岩抗剪强度参数的影响特性。研究表明：具有广泛的适用性和较好的可比性,Mohr‐Coulomb强度准则解答和Matsuoka‐Nakai准则解答均为其特例;结果关于中间主应力系数 b＝0.5对称,较好地反映了岩石强度的中间主应力效应及其区间性;粘聚力及内摩擦角对围岩塑性区半径和隧道洞壁位移的影响显著,应充分考虑中间主应力影响及围岩抗剪强度参数变化对隧道设计与施工的影响。     

复合地层TBM隧道管片受力特征

在复合地层中, 全断面硬岩隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)在施工时由于隧道埋深较大, 开挖后的隧道周围土体应力重分布, 导致周围岩石会产生向洞内挤压而使管片受到破坏。利用大型有限元数值软件ANSYS和有限差分软件FLAC^3D对下穿地层段进行模拟, 综合分析隧道施工管片的应力、应变等, 提出合理的监测方法和保护措施。研究表明: 在仅考虑双隧道施工后地层应力重分布对衬砌管片的影响时建议双隧道同时施工, 管片位移受隧道施工的方向影响较小; 在施工过程中双隧道管片两相邻侧会发生较大水平位移, 必要时需要对管片内侧进行监测和加固等措施。     

张集铁路旧堡隧道围岩初始应力反演分析及分级评价

隧道围岩初始应力分析评价是进行围岩稳定性分析、实现隧道安全快速掘进的前提.采用位移反演分析和场区构造地应力分析2种方法,对旧堡隧道围岩初始应力状态进行分级评价.研究表明,开挖区段隧道横截面上平行洞轴方向为最大主应力方向,围岩的最大、最小主应力均大于自重应力,岩石强度应力比低,该隧道围岩的初始应力属于高地应力.     

浅埋偏压段大断面隧道施工方案及施工工序优化

采用FLAC5．0有限差分数值计算软件,对大断面、软岩、浅埋、偏压段隧道——包西铁路洞子岩隧道进行了三台阶、CRD和双侧壁导坑法的施工力学行为模拟分析,确定了采用双侧壁导坑法施工方案较优。分析了双侧壁导坑法不同施工工序时的围岩位移、支护内力、地表沉降以及塑性区的变化,得出了先开挖浅埋侧侧导坑后再开挖深埋侧侧导坑施工工序较优,且能有效地控制隧道围岩周边位移。数值模拟计算结果与现场监控量测值基本吻合。     

基于3DEC节理岩体隧道开挖与支护的数值模拟

隧道在穿过节理裂隙较发育的地质环境时,地下水与支护条件等因素会对隧道开挖后围岩的稳定性产生影响。因此,以国内某山岭高速公路隧道为背景,基于离散元理论,考虑裂隙水压力作用,分析了砂浆锚杆与混凝土衬砌等支护条件在隧道开挖后对围岩稳定性的影响,并基于3DEC软件,对裂隙岩体隧道的开挖与支护进行了数值模拟。模拟结果表明：地下水对裂隙岩体隧道的开挖与支护影响较大,有地下水的裂隙岩体隧道开挖较无地下水的围岩整体与局部位移均增加了2~3倍;在有无裂隙水两种工况下,选择合理的支护手段均能使围岩位移量减小20%~32%。     

基于复变理论的城门洞型隧洞围岩黏弹性位移解析解（研究生论坛）

围岩蠕变特性是影响隧洞长期稳定性的主要因素,目前对黏弹性位移仅得到圆形、椭圆形和矩形等简单边界的解析表达式,而对城门洞型隧洞,则尚未提出较精确的黏弹性位移计算式。基于任意边界的围岩弹性位移的计算过程,运用复变函数理论,根据实际情况简化计算模型,推导了城门洞型隧洞围岩边界位移的弹性解析解,再根据弹性-黏弹性对应原理,通过Laplace变换及其逆变换进一步得到了城门洞型隧洞边界位移的黏弹性解析解。结合某软岩隧洞工程,开展解析解、弹性有限元及FLAC3D流变分析,计算表明：三种计算方法洞室边界黏弹性变形规律基本相似,初始弹性变形吻合较好,且黏性变形的演变规律与数值分析及现场实测结果基本一致,表明应用文中方法的实用性和可靠性。     

Numerical analysis of tunnel reinforcing influences on failure process of surrounding rock under explosive stress waves

Based on mesoscopic damage mechanics, numerical code RFPA2D （dynamic edition） was developed to analyze the influence of tunnel reinforcing on failure process of surrounding rock under explosive stress waves. The results show that the propagation phenomenon of stress wave in the surrounding rock of tunnel and the failure process of surrounding rock under explosive stress waves are reproduced realistically by using numerical code RFPA2O; from the failure process of surrounding rock, the place at which surrounding rock fractures is transferred because of tunnel reinforcing, and the rockfall and collapse caused by failure of surrounding rock are restrained by tunnel reinforcing; furthermore, the absolute values of peak values of major principal stress, and the minimal principal stress and shear stress at center point of tunnel roof are reduced because of tunnel reinforcing, and the displacement at center point of runnel roof is reduced as well, consequently the stability of tunnel increases.     

考虑软化效应的隧道围岩自稳时间解析模型

现行隧道自稳时间解析法中未考虑地下水的软化作用,导致过高估计亲水软化性岩石的围岩质量。以具有典型软化特性的石膏岩为研究对象,探索水的软化作用对隧道围岩自稳时间的影响。采用试验和理论相结合的方法研究围岩自稳时间。首先,进行不同浸水时间下的石膏岩软化试验,研究其软化规律;通过试验获得石膏岩吸水率、弹性模量和泊松比分别与浸水时间之间的定量关系;在弹性模量与浸水时间及泊松比与浸水时间的定量关系中,引入完整性系数和富水系数,建立岩体力学参数软化方程。然后,基于经典的圆形轴对称隧道弹性解,考虑掌子面对隧道轴向位移的影响,推导出隧道临空面处无支护状态下的位移公式;把岩体力学参数软化方程嵌入此位移公式中,获得考虑软化效应的临空面位移解。最后,在此位移解中引入活跃跨度和围岩的临界位移值,建立考虑软化效应的隧道围岩自稳时间解析模型。该模型考虑了围岩体工程特性、岩石力学特性及岩石软化特性,能输出自稳时间与活跃跨度之间的关系曲线。经自洽分析法检验,该模型中自稳时间随各参数的变化规律与实际情况相符,模型具有自洽性。模型被应用于评价礼让隧道石膏围岩的自稳时间,现场反馈结果表明该模型更适合于现场应用。     

动态开挖模拟技术在水电站地下厂房的应用

利用ANSYS单元生死的模拟功能,实现了对某水电站地下厂房的动态施工开挖模拟,取得了一些合理的数值分析结果.模拟过程中着重分析了在自重作用下围岩产生的地层构造应力,以及在地层应力作用下围岩的位移状况.开挖完毕后,计算得出地下厂房围岩在外荷载作用下理论最大变形量达到12.5 mm,位于山顶处,在母线洞附近的平均变形为11.1 mm.分析结果可为地下厂房的设计施工以及运行提供有效的指导.