隧道围岩压力的应力分析方法

围岩压力值是进行隧道设计和稳定性研究的重要依据,一般求解围岩压力常采取经验简化方法,如普氏计算法、太沙基计算方法等。这些经验方法简单实用,但求得的围岩压力值没有考虑隧道断面的形状影响和局部的压力变化,更无法考虑隧道围岩复杂的地质条件和地形地表条件,在隧道结构设计中有一定的局限性。有限元法在求解非线性问题和复杂边界问题方面有很好的效用,目前是岩土工程采用最为广泛的数值分析方法。从应力分析的角度,通过应用有限元软件对湖南湘西某隧道进行应力分析,得到隧道围岩压力的规律,给出应力分布图和包括顶压和侧压的围岩压力图,进而分析该隧道的稳定性。     

顶管围岩压力计算理论的分析

文章分析对比了3种主流的围岩压力计算理论,结合顶管工程的实际情况,选出了适用于顶管工程围岩压力分析的计算理论,为相关工程的施工设计提供了依据.     

钢纤维增强自应力混凝土压力管自应力计算

本文引进等效配筋率的概念,采用多项式法、指数法和能量法,对钢纤维增强自应力混凝土压力管自应力进行了比较计算分析,三种计算方法的实测与计算值的比较分析结果表明：能量法是一个概念清楚实用、有效的好方法。     

软弱围岩压力计算方法适用性分析

围岩压力作为在实际工程实践中勘察、设计、施工等环节的重要数据,举足轻重,虽各种理论公式和经验公式由来已久,但作为伴随现代科技而大量出现的软弱围岩公路隧道,围岩压力理论公式和经验公式的适用性比较模糊。本文以龙头山隧道为工程背景,根据其实测值与计算值的对比,分析了软弱围岩隧道背景下各围岩压力公式的适用性差异。     

大跨度小净距隧道围岩应力计算方法

隧道施工过程中,围岩应力和变形是反映施工安全的2个指标。笔者分别以某3线大跨度小净距隧道和某立交小净距隧道的施工为例,利用圆形洞室围岩应力计算公式进行简化解析计算,得到的结果与数值模拟分析结果相差不大。说明该应力计算方法可以简易快捷地计算多隧道开挖过程中最大围岩应力发生的位置及其数量级,从而为隧道的开挖顺序、步骤以及支护方案的确定提供参考。     

高地应力软岩隧道围岩压力研究和围岩与支护结构相互作用机制分析

岩体开挖后受扰动而产生应力重分布过程极其复杂,尤其是在不良地质环境下更甚。对于地质条件差、地应力为高~极高的软弱围岩,其结构受力大小与受力特征对隧道结构安全尤为重要。针对目前研究中存在的问题,结合工程中出现的问题和实际需求,以高地应力软弱围岩条件下的关角隧道、木寨岭隧道等工程为背景,通过地应力现场实测、理论研究与数值分析,对高地应力软岩隧道围岩压力和围岩与支护结构相互作用机制进行研究。主要进行以下几方面的研究工作:(1)在中国地应力场分布规律统计分析基础上,统计得到我国青藏地区平均水平地应力与垂直地应力的比值随深度变化的分布曲线。(2)采用水压致裂法进行兰渝线天池坪隧道和两水隧道地应力现场实测。在此基础上,分析隧道所处的原始高地应力水平及隧道开挖后的地应力分布规律;采用改进的BP神经网络进行了木寨岭、天池坪等隧道的宏观地应力场拓展分析,获得地应力的宏观分布形态与特点。(3)针对现有本构关系,对高地应力软岩尚不具有广泛代表性和卡斯特耐尔公式无法直接计算出在塑性区范围不同发展过程对应的塑性形变压力的问题,以原岩应力和隧道容许位移(或支护后实际量测位移)为出发点,采用岩体软化"直–曲–直"模型,推导了隧道形变压力计算公式。(4)利用台阶法开挖中存在的空间效应和改进的BP人工神经网络模型预测位移以及多项式拟合预测方法,提出两类在高地应力软弱围岩条件下使用开挖应力释放率模型的方法。通过在关角隧道和木寨岭隧道大战沟斜井高地应力软岩地段的应用,探讨其结构荷载与应力释放规律,其结果得到三维数值分析的验证。(5)为验证卡斯特耐尔扩展公式合理性,基于参数全过程变化的应变软化FLAC3D三维数值模型,模拟木寨岭隧道正洞高地应力软岩地段隧道开挖支护过程。三维数值结果与卡斯特耐尔扩展公式计算结果吻合,进一步证明该公式在高地应力软弱围岩条件下应用的可靠性、适用性。在统计青藏地区地应力分布规律基础上,结合现场实测和拓展分析,准确获得高地应力软岩隧道位置原始地应力,为研究围岩压力和围岩与支护结构相互作用机制提供依据。在原始地应力基础上,结合理论分析和数值仿真,获得高地应力软岩隧道的围岩压力计算方法和围岩与支护结构相互作用机制。主要创新点体现以下4个方面:(1)统计分析得到我国青藏地区平均水平地应力与垂直地应力的比值随深度变化的分布曲线。总结出青藏地区地应力分布规律与特点,为判别该区域地应力测试结果的合理性提供依据。(2)针对高地应力条件下软岩隧道大变形问题,引入岩体软化"直–曲–直"模型,推导出适用于高地应力软岩隧道基于原岩应力和隧道位移的隧道形变压力计算公式。(3)提出2种在高地应力软弱围岩条件下使用开挖应力释放率模型的方法。(4)为在三维数值分析中反映软弱围岩参数随坑道变形而不断变化的特性,引入参数全过程变化的应变软化模型,利用FLAC3D软件验证卡斯特耐尔扩展公式应用于高地应力软岩隧道的可靠性和适用性。     

正交各向异性地层井壁围岩应力新模型

 常规石油工程岩石力学分析中,通常把地层正交各向异性简化为横观各向同性,然而该简化在某些地层条件下并不适用。对实钻岩芯进行的力学性质测试结果表明,在垂直于井眼轴线平面内,不同方向岩石力学性质的差异是客观存在的。在各向异性材料力学的基础上,利用叠加原理,分别考虑钻井液柱压力、水平最大地应力以及水平最小地应力单独作用 种情况,建立正交各向异性地层井壁围岩应力分析新模型。实例计算结果表明,无论水平地应力是否均匀,只要地层力学性质是各向异性的,那么井壁岩石处的周向应力必然呈现非均匀分布特征。而且,地层各向异性条件下的井壁围岩应力极值均比各向同性条件下要大。因此,地层力学性质的各向异性使井壁岩石的受力状态明显恶化。这一特征应该在今后的相关工程问题力学分析中予以重视。     

浅埋隧道围岩压力计算方法

提出一种基于位移反分析法原理的浅埋隧道围岩压力计算方法,该方法克服了传统计算方法依赖于经验围岩力学参数的不足。通过分析双侧壁导坑法中隧道的截面结构,提出合理假设并建立力学模型,然后建立新的侧壁、围岩的收敛变形与围岩压力之间的关系,由现场监测数据整理得到收敛变形反算求得水平围岩压力与垂直围岩压力,并以祥岭隧道为例,对该方法进行验证。研究结果表明:(1)基于位移反分析原理推导的围岩压力计算方法,利用现场监测数据反算求得围岩压力相较于规范依赖经验参数的计算方法,更准确、更能代表隧道的实际围岩压力;(2)在实际工程施工中,相较于围岩力学参数,隧道的收敛变形数据更易获得,计算更方便;(3)对祥岭隧道进行实例计算求得的围岩计算摩擦角以及最后求得的围岩压力都在规范推荐范围之内,说明本文的计算方法是可行的。该计算方法在隧道工程实践中,对于准确计算隧道开挖过程中的围岩压力以保证施工的安全、顺利完成有重要意义。     

石集立进围岩压力计算与量测综合分析

假设立井围岩的破裂区是分段等直截面的破裂筒体，并有下滑趋势。将这种有下滑趋势的破裂筒仃外侧边界上的正应力处理成围岩作用在井臂上的压力，简称围岩压力。通过与实测围岩压力对比分析，说明了这种理论计算的近似性，提出了确定石集矿区以及地质条件与此类似的矿区立井围岩压力的方法。     

岔道1号双连拱隧道围岩压力及支护应力量测

以张石高速公路岔道1号隧道为依托,对其围岩压力及支护应力进行量测分析,得出了双连拱隧道在浅埋偏压情况下围岩压力及支护应力的分布规律,为类似工程项目提供了类比依据。     

深埋小净距隧道围岩压力计算方法工程应用分析

通过归纳深埋隧道围岩压力计算方法,结合京张高铁八达岭长城站DK68+220断面的围岩监测数据,分别采用普氏压力拱理论、铁路隧道规范、公路隧道规范相关公式对其进行计算,对比实测值与各计算结果,分析各方法的适用性.     

岩体各向异性与巷道围岩应力分析

各向异性弹性理论主要研究材料弹性对称性质的确定及弹性问題的解法等两方面内容。本文通过建立各向异性弹性常数的不变量方程,导出一种在非弹性对称坐标系下确定正交各向异性岩体弹性对称性质(主弹性常数及主轴方向)的理论方法.应用摄动理论,本文给出求解正交各向异性体弹性平面问題的摄动解答,并计算出一般巷道孔形围岩附近的应力分布.计算结果表明,各向异性对巷道围岩应力分布状态有显著影响。     

考虑粘聚力的浅埋隧道围岩压力计算方法

针对浅埋隧道既有围岩压力理论计算中考虑因素较少且计算结果差异显著的问题,在既有理论基础上,建立了考虑土体粘聚力、内摩擦角、侧压力系数和静止土压力系数的浅埋洞室假定破坏模型,推导出误差较小且适用于浅埋隧道围岩的压力计算公式,通过工程实例验证了该理论的合理性,并分析了单一参数变化对围岩压力的影响规律。结果表明：实测围岩压力值与既有理论围岩压力值对比,理论计算的围岩压力与实测值的误差最小;围岩压力随隧道埋深增大表现为先增后减的二次抛物线形规律,随土体的内摩擦角、粘聚力和土压力系数的增大表现为线性减小的规律。     

非线性硬化与软化的巷道围岩应力分布与工况研究

采用摄动法得到接近岩体实际的弹性、应变非线性硬化和软化3段光滑连接的本构模型，求得静水压力下圆形巷（隧）道围岩塑性硬化区和软化区的应力分布规律。给出围岩平衡方程、地应力-硐室位移关系和围岩特征方程。分析中可自然导出围岩自承地应力上限概念。根据围岩平衡方程写出围岩弹性区、硬化区和软化区分担地应力的表达式。计算表明，围岩硬化区承载力ph大于弹性区承载力pe，软化区也有相当的承载能力。特别是所求得的切向应力σθ/p0-r/α曲线光滑连接，没有尖峰向上的应力集中，此结果与其他学者在巷（隧）道模拟试验中测得的σθ-r曲线形状一致，从理论上证明基于理想弹塑性本构模型的Kastener解在围岩软化区半径处的σθ-r曲线有尖峰向上的应力集中与实际不符。     

水力压裂时岩石破裂压力数值计算

 以多孔介质流体渗流与岩石应力–应变耦合理论为基础,推导水力压裂时岩石破裂压力数值计算方程,提出一种全新的岩石破裂压力计算方法。该方法考虑岩石变形与流体渗流的全耦合作用,采用有限元法数值计算技术,能模拟计算流体向地层渗滤情况下井眼周围地层有效应力的时空分布,因此,该方法不但能求得岩石的破裂压力,还能同时求得岩石的破裂时间。建立的破裂压力数值计算理论克服传统破裂压力解析计算方法的许多不足,如无法精确计算井眼周围孔隙压力的升高导致应力集中加剧对破裂压力的影响,无法计算地层破裂的确切时间等问题。该计算理论的建立,实现岩石破裂压力数值计算的突破和计算精度的提高,为水力压裂时岩石破裂压力的计算找到了新的理论和方法。     

重庆地区地下洞室围岩变形破坏及围岩压力特点分析

本文针对重庆地区开发地下空间资源的特点，概述了工程地质条件，结合实例分析了不同形式的围岩变形破坏机理和围岩压力特点，并就有关问题提出一些看法。     

深部高应力隧道TBM护盾长度和推力计算方法研究

岩石隧道掘进机(TBM)法开挖长隧道是一种安全、快速、有效的隧道开挖方法,但TBM复杂高应力隧道掘进时易发生卡机事故,因此,TBM在设计之初应尽可能考虑地质环境的影响,降低TBM的卡机风险。通过分析高应力常规地层和高应力软弱破碎地层对TBM的影响,提出了高应力常规地层和高应力软弱破碎地层TBM卡机的两个判据。根据两个判据提出了考虑围岩力学参数的高应力隧道TBM护盾长度设计和推力设计理论计算方法,并给出了参数选取依据。最后依据西南地区某高应力隧道的实际围岩地质参数,计算分析了现有TBM设计的合理性。本研究可为TBM的盾体长度和推力设计计算提供围岩力学参数依据。     

高速公路泥岩隧道围岩压力试验研究

以宝天高速公路天水过境段梁家山泥岩隧道为工程背景,通过现场测试,研究了围岩拱顶下沉、围岩与初期支护接触压力、钢拱架应力和初衬与二衬接触压力随时间变化规律及分布特征,并应用现有的理论和方法对实际工程安全状态进行评估。研究结果表明:以隧道开挖空间效应和Chern经验公式两种理论方法对拱顶沉降数据进行分析处理,所得到的隧道极限位移相差较小;围岩与初期支护压力的分布具有不均匀性特点;钢拱架外缘应力平均值大于内缘,拱顶处应力大于其他部位,按其推算得到的拱顶沉降极限位移更接近于实际情况;初衬与二衬间接触压力先迅速增加后逐渐较小最后趋于稳定,其稳定值整体偏小。     

深埋非对称连拱隧道围岩压力计算方法研究

非对称连拱隧道具有几何与结构形式不对称、开挖跨度大、施工工序繁多、结构受力复杂等力学特性,在进行支护结构设计中通常需要进行荷载–结构模型验算,而其荷载确定尚无成熟的计算方法。在此背景下,考虑了左右两洞室几何与结构形式不对称条件,基于连拱隧道双塌落拱的基本假定,根据普氏理论推导了深埋情况的围岩压力计算公式。将推导公式取对称条件,则可以退化为常规连拱隧道的计算公式,验证了所推导公式的正确性。最后结合工程实例,验证了所推导公式的合理性。研究方法和结论可以为非对称连拱隧道的设计荷载确定提供重要参考。