地表倾角和埋深对浅埋偏压隧道塑性区的影响范围研究

浅埋偏压隧道施工安全是隧道施工的常见问题.采用FLAC3D有限差分软件,针对地表倾角和埋深对隧道塑性区范围的影响,分为两组不同工况的隧道开挖进行了数值分析.结果表明:随着地表倾角增加,左边墙和左拱脚的水平位移逐渐减小,当地表倾角为35°时位移值为负,出现了向左的位移,右拱腰的竖向位移增大趋势要大于左拱腰,随着隧道埋深的增加,位移的大小随埋深的增大均逐渐增加;剪应力主要集中在左右拱脚和左右边墙处,塑性区首先出现在这些区域,并随着剪应力的增加范围逐渐增大.     

不同地形偏压与隧道受力变形的关系

为了研究由地表倾斜引起的偏压对隧道受力、变形特性的影响,依托三卿口隧道工程实例,针对洞口浅埋偏压地段,基于平面应变问题,数值模拟了地表倾角为0°、5°、……、45°共计10种工况.结果表明地表倾角小于35°时,隧道的拱顶沉降、周边收敛、衬砌弯矩、衬砌轴力变化较小,而当地表倾角大于35°时,各数值急剧增加;偏压情况下隧道的敏感部位为左墙脚、左边墙、左拱脚、右拱脚,而且在倾角大于35°时,左拱脚弯矩出现反号(内侧受压,变为内侧受拉).建议在隧道设计、施工中,当地表倾角小于35°时(相当于地面坡度1∶ 1.4),可以不考虑地形偏压对隧道的影响,反之,则要考虑.     

基于长期强度的节理岩体洞室蠕变特性研究

为了进一步探究节理岩体蠕变特性,摆脱传统意义上从宏观弹塑或粘弹塑本构的角度分析岩体流变特性的方法,将细观单元视为弹脆性的本构关系,采用考虑岩石长期强度的岩石破裂过程分析系统,通过对不同工况下的节理岩体洞室数值模拟,得到了节理间距和节理夹角对围岩蠕变特性及其破坏特征的影响规律。结果表明：节理岩体洞室围岩的蠕变量随着节理面间距的增大而减小;当节理面的水平夹角小于45°时,节理岩体洞室围岩蠕变量随着节理面夹角的增大而增大,但当节理面倾角大于45°时,蠕变量反而随着节理面倾角的增大而减小,当节理面倾角等于45°时,围岩出现大量破坏,并表现出加速蠕变的特征。     

公路隧道正交下穿边坡与软弱夹层围岩稳定性分析

为分析山岭地区公路隧道-正交体系下，围岩内含软弱夹层导致施工过程易发生衬砌变形开裂甚至隧道塌方等问题，以某隧道边坡拟扩建公路为工程背景，基于抗拉剪强度折减法理论，采用FLAC^3D有限差分软件，研究不同边坡坡度和隧道埋深对该隧道-边坡围岩稳定性和安全系数的变化规律。结果表明：随着边坡坡度的不断增大，围岩最大剪切应变数值和分布范围逐渐增大，塑性区范围不断增大，围岩稳定性安全系数不断减小。随着隧道埋深的增大，围岩最大剪切应变数值先增大再减小后增大，但剪切应变范围不断增大，塑性区范围不断增大，围岩稳定性安全系数呈现先减小再增大。当无软弱夹层时计算的安全系数最大，当存在软弱夹层时，采用非同步折减法理论计算的安全系数比同步折减法较高。     

不同大变形等级下层理角度对层状软岩隧道的影响

为探究不同大变形等级下层理角度对层状软岩隧道的影响,依托九绵高速全线软岩大变形隧道,通过岩石力学试验确定遍布节理模型参数,基于数值模拟,探究不同软岩大变形等级（轻微、中等、强烈）下层理角度对层状软岩大变形隧道围岩及支护体系受力变形的影响,并通过现场统计的层理角度与大变形情况对数值模拟结果进行验证。结果表明：1）层理小角度（0°、15°）与大角度（90°）围岩变形、支护结构受力变形较大,随着大变形等级的增大,层理角度引起的围岩支护变化效果越明显。2）随着层理角度的增大,围岩变形从拱底逐渐转移到右拱腰。围岩变形主要发生在隧道轮廓与层理面相切位置,其中拱底及左拱脚对层理角度变化较敏感。3）初支应力偏向及节理塑性区大致与层理弱面法向一致,随着层理角度的增大,节理的剪切塑性区由拱顶、拱底转移到左拱脚、右拱肩,最终偏移到左右拱腰上下位置;相比初支压应力,初支拉应力对层理角度更敏感,垂直节理增大了张拉剪切破坏塑性区贯通的风险,但剪切破坏塑性区半径反而有可能减小。4）现场的统计规律表现为小角度与大角度大变形等级较高,层理角度为60°以下时,岩层破坏发生在拱腰及拱肩处,随着层理角度的增大,有向拱肩发展的...     

不同侧覆土厚度条件下连拱隧道的偏压特性研究

起凤山隧道进、出口浅埋偏压严重,上覆土层较薄,稳定性差,开挖扰动后上部土层易发生滑动.后行洞开挖时常会出现围岩变形过大、坍塌、失稳等安全事故.本文结合现场连拱隧道的地质条件和围岩的力学特点,采用理论分析和数值模拟方法对开挖后连拱隧道埋深、侧覆土层厚度与围岩应力和位移的变形规律展开研究,研究结果表明:隧道在竖向方向受到的偏压应力随着埋深的增加而减小,埋深越浅其偏压作用越明显,当埋深超过20 m后偏压作用的偏压应力增加量逐渐减小.对不同侧覆土层厚度的隧道开挖引起的岩体竖向变形特性进行分析,结果表明:竖向位移随侧覆土层厚度的增加逐步减小,当侧覆土厚度超过21 m时,竖向位移受侧覆土厚度的影响较小,基本只受围岩本身岩土性质的影响.     

破碎围岩浅埋偏压隧道衬砌荷载的计算方法

隧道洞口大都会面临围岩破碎、浅埋和偏压等不良地质地形情况,现行规范只给出了偏压隧道衬砌荷载的计算方法。对于破碎围岩浅埋偏压隧道,根据现场情况及实测的衬砌受力和变形特征表明其与规范假定不同,不宜直接利用规范方法。通过工程实例分析及隧道三维数值分析结果提出了浅埋偏压隧道破碎围岩的破坏模式,即隧道开挖后深埋侧岩体滑塌下落挤压支护结构使其向外侧变形,从而外侧支护受到被动土压力。根据提出的破坏模式,将隧道开挖后围岩主要分为滑塌区和被动区,在此基础上利用极限平衡法推导出了衬砌荷载的计算公式。将计算得到的结果与现场实测值对比发现,对于围岩极其破碎且存在较严重偏压的浅埋隧道工程,提出的计算方法比采用规范方法更接近实际情况。     

浅埋偏压隧道开挖数值模拟及稳定性研究

浅埋偏压会对隧道围岩稳定和支护结构产生很大影响,开挖过程中极易发生垮塌。利用FLAC3D 程序对烟海高速公路解家河隧道穿越浅埋偏压洞段采用的施工过程进行仿真分析,得到解家河隧道在采用不同开挖工序时各阶段围岩及支护结构的变形和应力变化情况。结合现场监测断面的量测成果,经过数据整理和计算得到解家河隧道浅埋偏压洞段围岩及支护的受力特征,对隧道围岩稳定性进行分析判断。所得结论为解家河隧道顺利施工提供了可靠依据,可为具有类似地质、地形情况的隧道设计和施工提供技术参考。     

土石交界地质条件下隧道围岩水平变形研究

文中对比分析了不同掘进方向下的隧道围岩水平变形规律以及土石界面倾角对隧道围岩水平变形的影响,结果显示:不同掘进方向下的隧道围岩水平变形规律相近;掌子面处围岩水平变形量随着土石界面倾角的增大而减小,且其减小幅度逐渐增加。该结果将对土石交界地质条件下隧道开挖建设提供重要参考。     

基于离散元的层状岩体隧道围岩稳定分析

为了研究隧道在层状岩体地质状况下,不同层厚的砂岩、泥岩以及岩层倾角与隧道围岩稳定性之间的关系,依托一实际工程案例,利用3DEC离散元软件对于不同的砂岩层厚、泥岩层厚和岩层倾角进行了数值计算。在同种影响因素作用下,对不同层状厚度或倾角条件下隧道围岩的竖向变形进行对比分析。结果表明,砂岩层厚、泥岩层厚以及岩层倾角这3个因素都会对隧道围岩的稳定性造成较大影响。随着砂岩厚度的增加,隧道围岩的稳定性会逐渐增大;随着泥岩厚度的增加,隧道围岩的稳定性会逐渐降低;岩层倾角从0°到90°逐渐增大的过程中,围岩的稳定性先增大后减小。当岩层倾角为45°时围岩的稳定性最高,岩层倾角为90°时围岩稳定性最差。     

基于Hoek-Brown准则等效强度参数的工程应用

为研究重庆至长沙省际公路共和隧道层状围岩稳定性，减小模拟值与实测值误差，并充分考虑倾角效应、静水压力效应和罗德角效应，将适用于层状岩体的修正Hoek-Brown(H-B)准则在■平面与Mohr-Coulomb(M-C)准则进行瞬时等效，推导出用于层状岩体的等效强度参数公式，计算得到不同倾角下砂质页岩等效c、φ值，然后输入FLAC^3D遍布节理模型中对原岩体参数进行修正。结果表明：1)修正岩体参数法所得关键点位移变化规律与修正前一致，且位移量大于修正前，但当倾角大于60°后，该法适用性有所降低；2)修正后围岩各关键点偏应力(σ₁-σ₃)始终大于修正前，且二者塑性区随倾角变化趋势一致；3)当岩体内摩擦角小于节理内摩擦角时，围岩塑性区面积较大；反之，当岩体内摩擦角大于节理内摩擦角时，塑性区面积较小。     

近断层深埋巷道掘进变形破坏规律

深埋巷道掘进遇到断层时,其围岩变形破坏特征发生极大变化,严重影响安全生产。为此,以海石湾煤矿一条深埋进风巷道为例,研究其临近断层掘进过程中围岩应力、位移、塑性区和剪应变演化特征,分析断层倾角、破碎带宽度和侧压力系数对巷道围岩稳定性的影响。结果表明：当深埋巷道与断层净间距小于5 m时,随着深埋巷道掘进移近断层,巷道周边塑性区岩体剪应变逐渐增大,进而导致深埋巷道围岩位移呈指数式增长;随着侧压力系数增大,深埋巷道顶底板塑性区破坏深度逐渐增大,帮部则出现先减小后增大的变化规律;当深埋巷道与断层净间距大于5 m时,断层倾角和宽度对深埋巷道围岩位移与塑性区分布影响很小,反之,深埋巷道位移在断层倾角90°时最大,且与破碎带宽度呈指数衰减关系。     

浅埋偏压连拱隧道现场监测与分析研究

针对石红高速大中山1#双连拱浅埋偏压隧道,选择典型断面,埋设监控量测设备对隧道施工过程中围岩的变形和支护结构受力进行适时的监测,对监控量测的数据进行分析处理,根据监控量测的信息对隧道施工过程中出现的围岩变形和支护受力进行深入分析,得出了浅埋偏压隧道在偏压作用下和施工扰动下的受力特征和变形特性。结果表明,隧道在偏压作用下有向浅埋侧偏移的趋势,在进行隧道开挖过程中,减少偏压侧不平衡推力对于保证隧道的安全稳定有及其重要作用。     

不同倾角和层厚的层状围岩隧道稳定性数值分析

为了研究层状围岩隧道开挖后围岩稳定性与层状岩体的层厚、倾角之间的关系,采用离散元分析软件UDEC,在不同倾角和层厚条件下,分析了层状围岩隧道开挖后围岩的变形规律和受力特征,研究了不同倾角、不同层厚对层状围岩隧道稳定性的影响.结果表明:当层厚和开挖跨度相同时,隧道围岩的竖向位移、水平位移和最大主应力随着结构面倾角的增大表现出先增大后减小的规律.当倾角和开挖跨度相同时,随着层厚的增加,隧道围岩竖向位移、水平位移和最大主应力均出现逐渐减小的趋势.     

浅埋软岩段隧道进洞施工变形特征与失稳分析

为研究隧道开挖过程中浅埋软岩段塌方变形特征,对隧道地质情况进行有效辨识,结合隧道施工过程围岩监测数据,并依据地质雷达探测结果建立三维数值模型并进行数值分析。研究结果表明:在隧道开挖阶段,拱底与拱顶位置均出现明显塑性区,伴随掌子面逐渐靠近围岩破碎区域,塑性区范围逐渐扩大并向拱顶右上方及围岩内部转移,破碎区域应力水平较低且位移显著增大,围岩完整性大大降低;不良地质构造是隧道发生塌方大变形的主要原因,降雨和地表水的入渗劣化围岩力学性质加速了隧道灾害的发生。对于隧道五级围岩浅埋段施工,应加强监控量测分析并及时做出预警,对关键部位开展超前地质预报工作。研究结果可以指导隧道塌方灾害的防治,对于实现隧道信息化施工具有借鉴意义。     

地形因素及围岩类别对偏压隧道的影响效应分析

针对地形偏压隧道,综合考虑了围岩类别、横坡坡度、侧覆土厚和最大埋深等因素,利用正交试验法进行试验方案的优选,共选出25种正交试验方案进行弹塑性有限元数值模拟试验,然后将计算结果与现场实测值进行对比发现两者在规律上一致,最后进行直观分析和极差分析.通过对数值结果分析可知围岩类别的差异对地形偏压隧道的变形影响最为显著,其次为最大埋深.拱顶、仰拱以及拱腰的变形受侧覆土厚的变化影响较横坡坡度大,而拱脚则相反;结果也表明地形因素的变化对隧道靠近山体侧变形的影响略大于靠近沟谷侧的影响.同时发现侧覆土厚从5～35 m变化时偏压程度逐渐减弱,超过20 m后可认为偏压作用基本不存在;而对于横坡坡度而言,从20°～60°偏压程度随其逐渐增大而有所起伏,但总趋势增加;最大埋深达到30 m之后,两侧应力差基本不变化甚至有略微下降的趋势,说明随着埋深的增大,偏压程度基本稳定.     

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。     

节理岩体抗力系数的各向异性特征与计算方法

隧道设计的荷载-结构法中,围岩抗力系数是影响衬砌内力与变形的重要参数,节理的存在会导致抗力系数的各向异性,然而,目前工程中较少考虑抗力系数的各向异性问题.以大连地铁2号线兴工街站隧道工程为背景,针对含有两组贯通节理岩体抗力系数的各向异性分布特征,采用正交试验和离散元数值模拟,分析岩石弹性模量、泊松比、节理间距、节理倾角、节理法向刚度等10个影响因素作用下抗力系数的分布规律.结果表明:洞周围岩抗力系数分布曲线呈椭圆形,长轴沿两组节理夹角角平分线方向;方差分析中5%水平下的显著性影响因素依次为节理法向刚度、岩石弹性模量、节理间距与节理倾角;各向异性系数随洞径与节理间距比值的增大呈现出先增大后减小的规律,当比值趋近于零或无穷大时,各向异性系数收敛于1.基于上述分析结果,进一步推导出围岩抗力系数椭圆分布函数的理论计算公式,并验证公式的准确性.工程实例计算表明,围岩抗力系数的各向异性对衬砌轴力的影响较小,对弯矩的影响显著.     

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。     

非连续岩体破裂机理及其工程稳定性研究

本研究为应用基础研究,以解决工程实际问题为目的,以围岩中客观存在的破裂区为主线,从对地下工程稳定性问题的评价入手,以相似材料模型试验和数值模拟计算为基本手段,以断裂力学为基础,研究了断续节理岩体的细观破坏机理、宏观破坏过程及其对围岩破裂区和围岩碎胀变形的影响规律;研究了断续节理岩体中围岩破裂区的性质、破裂区与地下工程稳定性的关系等问题,提出了以围岩破裂区和围岩收敛量作为判定围岩稳定性方法,为采矿工程的设计、施工和生产提供了较为可靠的决策依据.本文获得以下主要结论:1)围岩破裂区是一个综合数量指标,采用以围岩破裂区厚度作为围岩稳定性评价的指标.2)采用数字照相变形量测方法来测量围岩的变形,较好地解决了平面应变模型试验中的变形量测问题,符合非接触变形量测的发展趋势.3)断续节理岩体的破坏机制为:在集中应力作用下,节理端部岩桥首先发生张拉破坏,新生的岩桥裂纹与邻近原生节理相互串通,最终形成阶梯状滑移面而使岩体强度丧失.4)当节理两端的次生裂纹扩展长度l=h/sinβ时,节理岩体将产生贯通破坏.5)在节理岩体中,围岩破裂区是由于新生裂纹与节理相互贯通导致纵横交错的贯通裂隙所致,断续节理贯通破坏的边界可定义为围岩破裂区的边界.6)通过相似模型试验发现,当节理密度大时,围岩破裂区会跨越相邻节理;反之,节理对围岩破裂区的扩展有阻隔作用.7)围岩收敛速率的第一次突然增大,预示围岩中已产生破裂区,而围岩收敛速率的每一次突然增大,意味着围岩产生了剧烈的破坏.8)当节理角度在30°～75°之间时,节理角度对岩体强度的影响较大,并且在60°左右时岩体强度最低,稳定性也最差.9)当巷道的收敛量达到或超过2.5%时,巷道围岩中将产生破裂区;当巷道的收敛量达到或超过5%时,巷道将发生冒顶事故,已处于失稳状态;当巷道的收敛量达到或超过22.8%时,巷道将完全毁坏,并失去了人工稳定的可能.