流变岩体中既有隧道与新建平行隧道相互影响的理论解

在流变岩体中进行隧道施工时,既有隧道与新建隧道的相互作用将使围岩应力、位移分布与单隧道问题有明显不同,且与时间相关。针对黏弹性岩体中深埋双圆形隧洞考虑施工顺序问题,用复变函数方法、Laplace变换、黏弹性叠加关系导出两隧道周边开挖增量位移和应力场的求解方法和理论解答,并与有限元解进行了比对。根据解答分析了既有和新建隧道孔边增量位移与全应力分布特点;隧道周边增量位移随时间的变化;周边位移随隧道间距的变化规律。可用于黏弹性岩体中双圆形隧道顺序开挖的施工分析。相比数值方法,理论解可更方便地进行参数分析和初步设计。     

流变岩体中任意形状隧道分部开挖响应的理论解

针对流变岩体中任意断面形状隧道的任意复杂分部开挖问题,根据复变函数理论结合Laplace变换建立黏弹性位移、应力与复位势之间的关系,给出了各施工阶段力学响应(位移与应力)理论解的一般求解方法和解答。从解答可以看出,各步增量位移是新开挖边界处释放面力作用下的流变位移与之前所有各施工步边界释放面力在本步时段中的增量流变位移的和,与施工路径相关。以圆形断面隧道分两阶段(从半圆形到圆形)任意分部开挖为例,导出了各步开挖过程围岩位移与应力的解析解。为验证解答的正确性,针对圆形断面上下开挖方式,将理论结果与有限元结果进行了对比,两者一致。利用解答对上下开挖、右左开挖两种方案下圆形隧道的位移、应力分布特点进行了分析。根据本文方法,可以得到任意黏弹性模型岩体中,复杂孔型任意分部开挖过程的解答。依据解答可建立快速预测系统,给出更方便、快捷地进行相似工程条件下初步设计的可选方法。     

流变岩体中椭圆洞室断面开挖过程的力学分析

给出了黏弹性流变岩体中深埋椭圆隧洞断面开挖过程中力学响应的解析解答。通过设定长短半轴随时间变化的函数可模拟施工过程。首先,结合变边界黏弹性问题对应关系和平面弹性复变方法,求得岩体应力及开挖引起位移的统一表达。在推导中,通过建立逆映射函数,分离出参与Laplace变换的时间。然后,对模拟为Boltzmann黏弹模型的岩石材料,给出了积分形式的位移表达式。最后,针对不同类型岩石进行不同开挖方式和速度下无量纲位移及应力的参数分析。分析表明,施工方式对位移与应力有明显影响。给出的解析解答可用于地下椭圆孔型隧道在开挖过程中的力学分析,并可作为实际工程初步设计的手段。     

正交下穿施工对上部既有隧道安全的影响研究

本文首先对新建隧道下穿上部既有地铁隧道的类型进行了划分,对此类工程既有隧道的变形特征进行了总结。进而,在假定隧道正交下穿施工引起的地层沉降槽符合高斯曲线、既有隧道与周边地层的变形趋势一致的基础上,基于弹性地基梁模型,推导了计算既有隧道受新建隧道垂直下穿施工影响而产生的纵向沉降曲线表达式、纵向应力计算公式以及既有隧道所能承受的极限沉降表达式。形成了定量评价新建隧道垂直下穿施工对上部既有地铁隧道纵向变形和内力影响的理论计算方法和思路。通过与具体工程实例监测结果的对比分析,上述方法所得计算结果与实测值吻合较好,可以满足工程使用要求,对今后类似工程的设计和施工很有借鉴意义。     

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。     

考虑岩体时效深埋隧洞施工过程的理论解析——开挖、锚喷与衬砌支护的全过程模拟与解答

对具有时效特性的流变岩体,施工过程对围岩力学响应有显著影响。针对黏弹性时效岩体中深埋圆形隧洞的断面及纵向开挖、锚喷和衬砌施工,用圆柱型正交各向异性弹性体模拟锚固后岩体,建立材料特性变化后锚固区力学响应的计算方法,进而导出Burgers岩体全施工过程的封闭解析解。根据解答分析了锚固区各向异性程度、锚固及衬砌支护时刻、锚固厚度对锚固区应力、位移的影响。分析表明：锚固区环向刚度的改变可显著影响岩体力学响应,而改变径向刚度则变化极小;衬砌受力与其施加时刻相关,而受锚固时刻影响不大;增加锚固区厚度可减小位移,优化锚固区受力,但对衬砌的受力影响很小。本解答可进行相似条件下隧洞初步设计。     

基于时效理论解的双层衬砌圆形隧道围岩压力分担的简便计算法

隧道的顺序施工叠加岩石流变特性,使围岩和衬砌的力学状态与时间相关。针对水平和竖向地应力不相等的一般地应力条件下双层衬砌圆形隧道施工问题,采用复变函数方法和Laplace变换,推导了开挖和支护全施工过程任意时刻围岩、衬砌的位移和应力理论解答。理论推导中用任意黏弹性模型模拟岩石流变特性,并在隧道开挖完成后的任意时刻分别施加一次衬砌、二次衬砌。并与相同条件下有限元解进行了比对。为便于工程设计,基于本文时效理论解,通过衬砌压力的机理分析,运用数据拟合的方法,给出了围岩压力分担的简便计算法,公式形式简单、适用范围广,同时也可以实现解析解的类似精度,为科学合理确定二次衬砌施工方案提供了理论依据。结合一算例,针对不同围岩压力分担情况,分别给出二衬施加时刻和二衬厚度建议值。工程中可据此方便、快捷地进行相似工程条件下的初步设计。     

单洞双线隧道平行近接施工时效性研究

以福平铁路单洞双线隧道近接施工为背景,探讨考虑围岩流变情况下近接隧道施工对既有隧道的时效性影响,通过建立数值计算模型,分析新建隧道开挖一定时间后既有隧道的位移、二次衬砌受力、塑性区的变化。结果表明:单洞双线隧道平行近接施工时,对既有隧道左右边墙的影响要大于对拱顶、仰拱的影响,右边墙最大位移达到0.148 5 mm,其中仰拱、左右边墙位移稳定后,拱顶位移180 d后仍在发展;近接隧道施工后,二次衬砌受力状态得到改善,所受压应力减小,随着时间的发展二次衬砌依然能保持稳定;新建隧道的开挖不会引起既有隧道塑性区的变化,结合新建隧道塑性区演化规律,建议在第29 d左右施作新建隧道的二次衬砌。     

城市地铁隧道施工对上部既有隧道的影响分析

为研究新旧隧道斜交情况下新建隧道施工过程中对既有隧道结构与其周围岩体产生的扰动程度以及新建地铁隧道掘进中地面的沉降规律,依托实际工程,基于有限元数值模拟软件,通过建立三维隧道施工模型,分析了下部新建地铁隧道施工推进过程中各施工阶段对既有结构、地层变形、地面沉降的影响.实际工况模型计算分析结果表明:新建地铁隧道开挖产生的...     

隧道近接下穿既有铁路线低扰动施工方法及其精细化模拟分析

针对软弱地层中某新建隧道近距离侧穿2条相邻铁路线大桥桩基础的特殊工程需求,提出并设计了一套新式强化联合支护方法;针对性地建立了三维精细化数值模型,并设计了基于无限元法的边界处置技术,有效地控制了边界效应与模型规模;实现了在新式强化联合支护方法下,对新建隧道开挖的全过程进行工程尺度模拟;量化分析了新建隧道施工过程对既有桥墩结构、超近接桩基水平位移、竖向沉降和应力分布的影响。结果表明:在拟定设计支护结构参数和施工方法的条件下,新建隧道下穿既有铁路大桥桥墩的施工,对桩基的位移变化影响相对较小,各指标最大变形均未超过相关规范允许的控制值;各桥梁桩基受施工影响而导致的应力幅值变化较小,普遍处于受压状态,压应力小于桩体材料的最大应力容许值。该研究结果对相似工程的施工和安全稳定控制有借鉴意义。     

深埋马蹄形隧道开挖围岩应力与位移的复变函数解

利用复变函数解法中的柯西积分法,求解工程中常用的单心圆仰拱马蹄形隧道在弹性半空间内任意一点处的应力值和位移值解析解表达式。由于是深埋隧道,且埋深与孔径之比较大,故不考虑重力梯度影响,直接把重力作用化为无限远处作用有P1、P2的外载;求解出马蹄形隧道孔洞在弹性半空间内任意一点处的应力值和位移值解析解表达式。结合典型断面,利用三维有限元分析软件MADIS/GTS建立二维平面应变模型,对理论推导单心圆马蹄形隧道在弹性平面内的解析解公式进行验证。分析表明,有限元结果和解析解结果有较好的吻合性,证明了新方法的准确性,针对深埋马蹄形隧道开挖工程,可以快捷地评估围岩应力状态及位移变形。     

土岩变化地层长隧道纵向地震响应解析解

土岩地层交界面是制约长隧道结构抗震安全的关键控制节点,但现有设计方法均未考虑隧道沿其纵向的地层变化。基于隧道的动力响应特点提出力学模型,将隧道沿纵向简化为两段处于不同地层条件中的半无限长弹性地基梁。通过求解结构的位移微分控制方程,推导出土岩变化地层长隧道纵向地震响应的解析表达式,并引入位移相位角模拟行波效应,提出了面向工程设计的土岩变化地层长隧道纵向抗震简化分析方法。通过与有限元基准模型在相同条件下的对比分析,验证了该方法的有效性。最后应用该解析公式进行参数敏感性分析,揭示了结构刚度、地层剪切波速比等关键因素对土岩变化地层隧道结构地震响应的影响规律:隧道结构刚度越大,结构内力响应越剧烈,隧道地层突变段的内力峰值差越大,地层突变的影响范围也随之变宽;地层剪切波速比越大,隧道地层突变段的内力峰值差越大,但地层突变的影响范围却不受影响。     

考虑中间主应力的横观各向同性深埋圆隧弹塑性解

平面应变条件下的深埋圆形交通隧道问题一般忽略中间主应力影响,但塑性区围岩的变形与实际情况会产生较大差异。岩土与地下工程中多遇到层状岩体,常将其处理为横观各向同性固体材料。充分考虑中间主应力对深埋圆形隧道的影响,基于平面应变假设得出了与横观各向同性材料相适应的Drucker-Prager准则并将其与Mohr-Coulomb准则精确匹配,在此基础上推导了考虑剪胀特性的横观各向同性理想弹塑性材料在塑性阶段的中间主应力表达式;根据所得的中间主应力表达式,推导出横观各向同性深埋圆形隧道围岩塑性区应力位移解析式;结合实际算例,分析了横观各向同性参数与围岩剪胀角对横观各向同性深埋圆形公路隧道围岩塑性区位移的影响规律。为深埋圆形交通隧道的计算和设计提供更为合理的理论基础。     

浅埋偏压小净距隧道的力学特性及方案比选研究

浅埋偏压小净距隧道的围岩位移及力学性能与一般隧道有显著的区别,施工中稍有不慎将发生塌方事故。该文结合重庆南山隧道出口端浅埋偏压段工程实际及现场监测数据,利用ANSYS建立浅埋偏压隧道二维有限元模型及施工监测数据对各工况围岩位移、应力场及锚杆轴力进行对比分析,研究了其施工力学特性。结果表明:两洞开挖顺序不同,最终位移和应力量值存在较大差异,通过增加深埋侧隧道锚杆长度,有效地改善了围岩的受力特性,提高了隧道施工的安全性。分析结果可为不同环境隧道施工选择合理开挖方案提供参考,具有重要意义。     

Three-dimensional numerical simulation of a mechanized twin tunnels in soft ground

The increase in transportation in large cities makes it necessary to construct of twin tunnels at shallow depths. Thus, the prediction of the influence of a new tunnel construction on an already existing one plays a key role in the optimal design and construction of close parallel shield tunnels in order to avoid any damage to the existing tunnel during and after excavation of the new tunnel.Most of the reported cases in the literature on parallel mechanized excavation of twin tunnels have focused on the effects of the ground condition, tunnel size, tunnel depth, surface loads, and relative position between the two tunnels on tunnel behaviour. The numerical investigation performed in this study, using the FLAC^3D finite difference element programme, has made it possible to include the influence of the construction process between the two tunnels. The structural forces induced in both tunnels and the development of the displacement field in the surrounding ground have been highlighted.The results of the numerical analysis have indicated a great impact of a new tunnel construction on an existing tunnel. The influence of the lagged distance between the two tunnels faces has also been highlighted. Generally, the simultaneous excavation of twin tunnels causes smaller structural forces and lining displacements than those induced in the case of twin tunnels excavated at a large lagged distance. However, the simultaneous excavation of twin tunnels could result in a higher settlement above the two tunnels.     

Ovaling deformations of circular tunnels under seismic loading, an update on seismic design and analysis of underground structures

Two analytical solutions for estimating the ovaling deformation and forces in circular tunnels due to soil–structure interaction under seismic loading are widely used in engineering practice. This paper addresses an unresolved issue related to discrepancy between the two solutions. A comparison of the two solutions shows that the calculated forces and displacements are identical for the condition of full-slip between the tunnel lining and ground. However, the calculated lining thrusts differ by an order of magnitude when assuming no-slip between the tunnel lining and the ground. The analytical solutions are compared to numerical analyses of the no-slip condition using the finite element method to validate which of the two solutions provide the correct solution. Numerical analysis results agree with one of the analytical solution that provides a higher estimate of the thrust on the tunnel lining, thus highlighting the limitation of the other analytical solution.     

New analytical method for predicting stresses around rectangular tunnels under arbitrary stress boundary conditions

Rectangular tunnels are often encountered in geotechnical engineering. To clarify the mechanical mechanism of the stresses around tunnels, this study presents new analytical approximant solutions for evaluating stresses around tunnels under arbitrary stress boundary conditions. The solutions consist of two parts: one is the solution for a half-plane before excavation, and the other is the solution for a half-plane with tunnels. The second part can be further decomposed into solutions of a half-plane without tunnels subjected to virtual tractions along the ground surface and solutions of an infinite plane with tunnels loaded by virtual tractions along tunnel boundaries. An efficient iterative procedure is proposed for determining the two sets of unknown virtual tractions, which are transformed into equivalent concentrated forces to simplify the computational process. The solutions agree very well with the results obtained by the finite element method. A parametric study is finally performed to investigate the influences of the tunnel buried depth, the tunnel shape, and surcharge loads on the stresses along the ground and around tunnels. The new proposed solutions potentially provide a potential alternative approach for preliminary designs of future rectangular tunnels.     

考虑应变软化、剪胀和渗流的水工隧洞解析解

基于统一强度理论和弹脆塑性软化模型,考虑不同工况下主应力顺序、岩石应变软化、剪胀和渗流等综合影响,推导了圆形水工压力隧洞应力和洞壁位移解析解。通过工程算例,比较本文方法与传统方法的不同,说明考虑第一主应力的变化和渗流体积力更符合工程实际,并得出统一强度理论参数、软化特性参数和剪胀特性参数对隧洞切向应力和洞壁位移的影响特性。隧洞设计时,应依据围岩材料特性合理地选取统一强度理论参数,并考虑由于软化特性参数和剪胀特性参数的减小对隧洞切向应力和洞壁位移增大的影响。该结果为圆形水工压力隧洞弹塑性分析提供了理论依据,对工程设计有一定的参考价值。     

行波效应下曲线隧道动力响应解析解

隧道曲率变化段是制约隧道结构抗震安全性的关键控制区段,但目前隧道抗震设计仅以横断面剪切变形为主,未考虑隧道沿纵向的曲率半径变化,缺乏针对曲线隧道的纵向抗震简化分析方法。将曲线隧道沿纵向简化为作用在黏弹性地基上的变曲率有限长均质Euler-Bernoulli梁,基于Hamilton原理及黏弹性地基梁理论建立了结构的微分动力控制方程及边界条件,并通过模态叠加法进行求解,推导出任意动载作用下曲线隧道的位移、速度、加速度、弯矩、剪力等动力响应的解析表达式,以行波荷载为例,给出行波效应下曲线隧道动力响应的退化解答。通过与有限元基准模型在相同条件下的对比分析,验证了所推导解析解的正确性。最后应用该解析公式进行参数敏感性分析,揭示了隧道曲率半径、行波波速、行波频率及地层–结构相对刚度比等关键因素对曲线隧道结构动力响应的影响规律。