软岩及土质隧洞围岩稳定性评价新方法

首先提出对于软岩(土质)隧洞及时支护下的围岩变形稳定性可转化为支护结构的安全性这一评判理念,在此基础上进一步将初期支护(喷层)不出现拉压破坏时围岩与支护结构的对应变形作为评判标准,提出软质隧洞围岩稳定性评判新思路;考虑到支护结构内力的监测不便、不准,而支护结构的收敛变形监测较为方便与可靠这一工程现实,再次通过数值试验的方法,将支护结构的极限应力科学地转化为对应的支护结构的允许变形,进而建立能够考虑初期支护安全性的围岩稳定性评价新方法。该评判方法在新疆库尉输水隧洞工程的成功应用表明其具有较好的可靠性和适用性。     

水–热–力三场耦合分析平台的升级与验证

水–热–力三场耦合研究是岩土工程领域的前沿课题,在冻土路基工程、核废料处置和地热开发等方面均有着广阔的应用前景。通过对原分析平台3G2001的深入剖析,指出该分析平台存在的不足,对分析平台解法块部分子程序和等效刚度矩阵主元太小等程序内部缺陷进行修正,并对分析平台进行升级。最后借助于E.Penner和T.Ueda的单向冻胀试验,验证升级后的平台的可靠性和精度。研究表明:3G2012分析结果与试验实测数据及M.Shen和B.Ladanyi的分析结果均吻合较好,符合冻胀规律和工程经验,特别是对冻胀变形的模拟较M.Shen和B.Ladanyi等的计算结果更接近实测值,能够推广应用于解决实际岩土工程问题。     

富水软岩隧洞变形特征及变形机制分析

 基于库尉引水隧洞现场监测资料,对富水软岩隧道的变形特性及变形机制进行分析。研究表明：侧墙收敛变形是拱顶沉降变形的2～3倍,且前者稳定时间长。土质软岩隧道的变形受时空效应综合作用的影响,即使在开挖面影响范围之内,时间效应也能产生很大比例的变形。侧墙变形受空间效应影响范围为4D～5D,与拱部变形相比,其时间效应更为显著。围岩–支护结构的变形在不同部位的特性主要是由各部位的围岩变形方式和应力释放规律所决定的,侧墙处围岩应力释放时间效应明显,塑性区不断增长发展,形变压力也随时间增长难于稳定。拱顶处存在一定深度范围内的围岩整体下沉现象,围岩压力稳定时间短。该研究对软岩隧道施工、监测具有一定指导意义和参考价值。     

公格尔水电站发电洞高温段关键施工技术

布仑口-公格尔水电站地处昆仑山腹地,在强烈的构造运动作用下致使引水发电洞前段存在高地温现象,局部岩温达100 ℃,给工程施工带来了巨大的困难和挑战。结合工程特点通过室内外试验等手段从施工降温、爆破安全和支护技术等三方面对高温隧洞关键施工技术进行了系统研究。在充分利用当地自然条件(年平均气温0.9 ℃)的基础上,提出了“以通风为主并辅以低温冷水的综合降温技术”,以极经济的代价解决了洞内高温问题;根据相关试验结果对作业面炮孔温度进行分区,有针对性的提出了相应的安全爆破技术;针对不同洞段情况提出了以喷砼替代二次衬砌、以预制混凝土替代模筑混凝土等支护技术。以上各项施工技术在本工程的成功实施,确保了该引水隧洞的顺利施工(于2012年5月5日贯通),并期望能为同类工程的施工提供参考和借鉴。     

浅埋松散围岩中有限元方法应用的进一步研究

对已提出的基于浅埋松散围岩的拟塌落拱离散化有限元稳定性分析方法做了进一步研究。与其它数值仿真分析方法进行了对比,提出了该方法的明确定义及适用范围;通过与常规有限元方法计算结果的对比,进一步证明了该方法计算结果的合理性,能够更真实的反映浅埋松散围岩在近地表、滑裂面与地表相交部位、洞室顶部以及拱脚、边墙底部等部位的围岩受拉情况及松散破碎围岩内部的屈服破坏以及岩体向洞内塌落的趋势,从而真实揭露出围岩发生拉裂、压坏并掉块的现象;以洞顶位移是否收敛为判断依据,初步探讨了离散界面参数以及离散块体大小对计算结果的影响,证明了塌落拱离散化有限元法在技术及工程上应用的可行性。     

布仑口水电站高温引水发电隧洞受力特性研究

新疆布仑口-公格尔水电站位于西昆仑山腹地,在强烈的新老地质构造运动作用下引水发电隧洞前段存在高地温现象(实测温度105℃),严重影响隧洞施工和支护结构的耐久性。采用解析方法研究了该隧洞围岩和支护结构的温度分布规律和受力特性。首先采用瞬态和稳态两种方法研究温度分布规律,在此基础上研究了温度和应力耦合作用下围岩和支护结构的受力特性,最后初步设计了衬砌伸缩缝间距。研究表明低温冷水对围岩和支护结构的温度场影响显著,过水瞬时围岩内壁温度发生骤降(ΔT=60℃);运行期支护结构应力近似呈线性分布,而围岩应力却表现出明显的非线性特性。     

双断层地下洞室稳定性快速分析方法研究

针对当前商业软件分析速度难以满足信息化施工时效性的这一关键难题,结合课题组多年的研究成果,提出了一种全新的解决思路。首先概化出对隧洞稳定性影响较大的4大类15个参数,并拟定系统的数值试验方案;然后建立数值分析结果和各影响因素的关系数据库,并以此为样本借助BP神经网络技术构建双断层洞室稳定性快速分析系统;最后用该系统对拉西瓦水电站厂房稳定性进行了分析。洞周变形误差小于20%,满足工程要求,表明该系统具有较好的可靠性。     

城市地下空间工程专业学科竞赛建设的探索与思考

全国大学生学科竞赛是激发学生学习兴趣、培养学生创新思维、锻炼学生团队协作、提高学生综合素质及增加高校间学生交流的重要手段。城市地下空间工程专业于2002年由中南大学首先开办,是一个相对较新的专业,城市地下空间工程专业对应的学科竞赛举办时间也较短,目前仅举行了4届,虽然随着举办届数增加,参赛高校越来越多,但多数高校还没有形成系统的学科竞赛建设模式。为了充分发挥学科竞赛在人才培养中的作用,提高本科生学科竞赛水平,以西安建筑科技大学城市地下空间工程专业为例,分析了其学科竞赛的现状,提出依托省重点实验室建立统一管理系统,分析了学科竞赛的建设思路,最后讨论了学科竞赛对教学改革及人才培养的重要意义,以此为契机提高学生参赛水平,提升学科竞赛的影响力,充分发挥学科竞赛在人才培养方面的意义,为学科建设提供有力支撑。     

低温岩体裂隙中水分迁移机理试验研究

含有冰夹层的节理及裂隙广泛存在于寒冷潮湿地区的基岩中,这些冰夹层的存在一方面会改变地形地貌,另一方面会对工程建设造成潜在的安全隐患。要探究含冰节理及裂隙的成因,最关键的问题之一为包含冰水相变的岩体裂隙中的水分迁移机理。本文采用类岩石材料为研究对象,在其中预制裂隙以模拟垂直节理岩体。试样底部具有补水条件,同时利用控温板对顶部进行降温,以此来模拟低温岩体中垂直开放裂隙中的水分迁移情况。试验结果证实:岩体裂隙中的确发生了水分迁移,迁移形态可分为气态与液态,且两种状态的迁移水量相当,同时利用毛细理论对液态迁移进行了分析,证实了在迁移过程中温度梯度间接起到了驱动力的作用。这些研究成果可以帮助明晰裂隙中的冰水相变过程,最终可用于构建低温下多场耦合理论,为寒区工程的修建、运营及维护提供依据,并可进一步了解寒区地形地貌的形成过程。     

库尉输水工程富水土质洞段的流固耦合分析

库尉输水隧洞前段位于库鲁克山北侧倾斜砾质平原区,地下水位埋深较浅(最浅处仅为1.4 m),且远高于设计洞顶,给设计和施工带来了巨大的困难和挑战。在深入分析水文地质条件的基础上,采用大型有限差分软件FLAC3D对3个典型断面进行了流固耦合分析。研究表明,地下水对隧洞受力及变形特性影响显著,耦合条件下低液限粉土洞段拱顶变形约为不考虑渗流影响时的5.6倍,且与实测值更为接近;不同围岩类型和水文地质条件下各洞段的变形差异较大,耦合条件下低液限粉土洞段的拱顶变形为90 mm、而粉土夹砂和粉细砂夹砾石洞段的变形分别为36 mm和26 mm;耦合条件下各典型断面支护结构受力均超过了素喷混凝土的设计抗拉强度(1.1 MPa),需尽快施做二次衬砌。以上研究成果可为本工程及类似工程的设计与施工提供参考。