渗水膨胀岩隧洞黏弹塑性蠕变解及变形特性分析

渗水膨胀岩隧洞变形是一个受渗流、膨胀与扩容等多因素影响的复杂时变问题。探讨了其变形机制,建立渗水膨胀围岩受力平衡方程,进而得到反映扩容角影响的弹塑性解,并证明余东明解和侯公羽解是本文解的两个特例。以此为基础,借助改进的西原模型,获得了考虑膨胀应变影响的渗水膨胀岩隧洞黏弹塑性蠕变解,并分析了渗流、膨胀与扩容等因素对洞壁时效变形的影响规律。结果表明：随着内外水头比减小或扩容角增大,时效变形逐渐表现为黏弹塑性;膨胀系数α₂只影响围岩黏弹性变形,位移为α₂的单调递增线性函数;在隧洞开挖扰动初期,封闭应变迅速发展成位移,对渗水膨胀围岩变形影响极大。所得结论对渗水膨胀岩隧洞施工和变形控制具有一定指导意义。     

考虑蠕变特性的高应力软岩隧道变形预测方法与实践

为研究高应力软岩蠕变特性对隧道围岩变形预测的影响，以木寨岭公路隧道为依托，首先采用三维计算模型与多元线性回归相结合的方法分析初始地应力场，并结合围岩段落划分，选择典型计算断面；其次，提出基于[BQ]值的围岩参数取值方法，确定典型计算断面的围岩参数；而后，开展基于M-C模型和Cvsic模型的断面变形计算，剖析岩体蠕变特性对围岩变形的影响；最终，对比了预测结果与实际围岩变形。结果表明：(1)岩体蠕变特性对围岩变形具有明显增大效应，围岩位移增长量与横断面平均主应力呈正相关；(2)围岩条件越差，蠕变增大效应越显著；横断面平均主应力越大，蠕变增大效应中位移增长量越大，而位移增长率变化不明显；(3)蠕变特性对围岩变形等级预测有明显影响，M-C模型预测结果弱于Cvisc模型，与实际围岩变形情况存在较大差异。研究结果为在高应力软岩隧道变形预测中引入岩体蠕变效应奠定了实践基础。     

隧道围岩力学特性的敏感性分析

在深埋软岩引水隧洞工程中,为掌握隧洞施工期围岩变形特征,开展对隧洞支护时机的研究,需要确定准确的岩石力学参数以反映真实的围岩力学特性。文章依托实际隧道工程,借助有限差分软件FLAC3D建立反映隧洞开挖支护工序以及蠕变过程的三维数值仿真计算模型,采用极差法研究隧洞围岩基本力学参数对围岩变形的影响,并确定待反演参数;基于正交试验设计构建25组待反演参数组合,代入到数值模型中进行计算,得到监测断面各测点位移值。研究结果表明,隧洞围岩参数敏感性大小排序为：弹性模量、粘聚力、内摩擦角、泊松比。在隧洞施工过程中,掌子面附近围岩变形受开挖扰动影响明显,随着时间的延后,位移不断增大但位移速率逐渐减小至一稳定值。     

巴基斯坦卡拉奇核电站排水隧洞变形模拟分析

目前,国内对于普通隧洞已经有了深入的研究,然而对于复杂的软岩排水隧洞工程,国内的研究相对较少,因此有必要对软岩排水隧洞变形分析进行研究,把不同埋深下软岩隧洞的变形作为研究重点。运用三维有限差分软件FLAC3D,根据巴基斯坦卡拉奇k2/k3核电厂排水隧洞支护参数与地质资料,对不同埋深下隧道初期支护与围岩竖向位移进行了仿真模拟,得出随隧洞埋深增大,初支压应力值逐渐增大,并且应力的变化率逐渐减小,初支压应力最大值位于两侧拱腰处。隧洞开挖后,初支受力达到其材料参数允许值,隧洞最大变形值大致稳定,因此建议其安全控制基准值设定为55 mm。与原设计对比,围岩位移与初支受力均略超过设计的安全范围,因此需要进行适当的加强,以保证工程的质量与安全。     

基于FOA-GRNN的软岩隧道围岩变形预测模型

为解决隧道围岩变形中的非线性问题,实现对软岩隧道变形发展趋势和稳定性的判断,建立了基于果蝇算法改进的广义回归神经网络隧道围岩变形预测模型。利用广义回归神经网络较好的非线性映射能力,对软岩隧道的拱顶沉降和水平收敛进行预测。由于GRNN的预测效果受光滑因子的影响,因此采用果蝇算法对光滑因子进行寻优,改善了GRNN预测模型确定参数时人为因素的影响,有效的提高了模型的预测精度和适用性。以玉磨隧道工程为例,通过对现场监测变形数据的训练,得到了隧道围岩变形预测结果,验证了FOA-GRNN预测模型能高效准确地对隧道围岩变形进行预测,可以为类似的工程提供一种新的途径。     

乌鞘岭隧道F7断层施工力学行为研究

结合软岩隧道工程地质和支护特点,对乌鞘岭隧道F7断层软岩施工中的力学性态进行了计算分析.对于施工中出现的软岩挤压大变形问题,从岩体流变学和隧道施工力学的观点与方法出发研究围岩的受力和变形,分析了隧道施工过程的三维时空效应,有机地耦合了作业面的空间效应和软岩时效特性.考虑围岩流变特性,分析了围岩-支护系统变形、受力随时间发展规律,并将计算成果和现场实测数据进行了比较验证,以使力学计算更好地参与到隧道信息化设计和施工中.     

松潘高地应力软岩隧道变形预测

以成兰高速铁路松潘隧道高地应力软岩大变形施工段为工程背景,对隧道典型断面D3K246+265的围岩拱顶下沉和水平收敛位移的实际监控量测数据进行回归分析并作曲线拟合,并据此预测围岩的最终变形量,并和断面D3K246+285的最终变形量进行对比验证。结果表明,该种变形预测方法对于赋存在复杂地质环境的高地应力软岩隧道具有较好的可行性,对调整与修正隧道支护设计参数、预留量的大小和保证隧道安全方面具有一定的指导意义。     

膨胀性软岩隧道支护结构受力特性及缓释方法

隧道工程中因软岩的膨胀性而诱发的隧道支护结构失稳现象十分普遍。以膨胀性软岩导致隧道围岩结构非均匀受力为出发点，研究膨胀性软岩隧道支护结构的受力特性，试图建立一种膨胀性软岩隧道支护结构受力缓释方法。在初期支护与二次衬砌之间植入团粒膨润土作为缓冲层，开展室内缩尺物理模型试验。通过MIDAS GTS NX软件建立三维数值模型，对比分析加入缓冲层前、后的膨胀性软岩隧道支护结构的受力特性。根据隧道力学理论推导构建膨胀性软岩隧道支护结构受力缓释模型，得到缓释系数表达式，据此验证膨胀性软岩隧道支护结构受力缓释方法的实用性。研究结果表明：加入缓冲层后，支护结构的变形及围岩膨胀力较加入前明显变小，变形均呈拱顶下沉、拱底向上隆起、拱腰向内收敛的特征；缓冲层通过对抗、弱化、传递以减小作用于支护结构上的围岩膨胀力，使单一的集中受力体系转变为均布荷载体系；通过缓释模型计算得出缓释系数为30%～50%，表明在初期支护与二次衬砌之间植入团粒膨润土作为缓冲层可以起到缓释膨胀力的作用，可为解决软岩隧道膨胀问题提供参考。     

榴桐寨隧道高地应力软岩大变形机理研究与施工措施应用分析

软弱围岩在高地应力作用下发生大变形及破坏的特征不仅受围岩本身力学性质的影响,还与原始地应力状况及工程因素等有关。榴桐寨隧道埋深约1 400 m,围岩以软岩为主,构造带可能应力集中,软岩存在大变形问题。隧道软质岩大变形主要影响因素包括地应力条件、岩体强度、地质构造影响程度、地下水发育特征、围岩分级、岩石膨胀性。当围岩内部的最大地应力与围岩强度的比值达到某一水平时才可能发生软岩大变形。研究表明,当强度应力比小于0.3～0.5时,即能产生比正常隧道大一倍以上的变形。通过对榴桐寨隧道发生软岩大变形的机理研究,找到一套行之有效的施工控制措施是保障施工及运营期安全的关键。     

大梁隧道软岩大变形及其支护方案研究

针对大梁隧道工程地质特点,开展隧洞开挖后围岩大变形现场监测与分析,得知隧洞变形具有变形速度快、持续时间长和变形量大的特点,最大下沉量可达55 cm,最大变形速率为1.69 cm/d。通过开展岩石试样单轴、三轴压缩破坏试验,采用广义Hoek-Brown准则,确定岩体常规弹塑性力学参数;结合隧洞变形监测数据,将隧洞围岩视为具有弹塑性流变行为的连续介质,采用经验流变模型,开展有限元反演分析,得到岩体流变力学参数。根据数值仿真结果,分析隧道围岩位移、应力及损伤区分布规律,从而为支护方案修改设计和参数调整提供依据。在上述研究基础上,应用新奥法施工力学原理,提出加大预留变形量,拱顶超前注浆加固围岩,打拱脚长锚杆控制拱架整体下沉,并采用钢拱架(拱架之间采用型钢连接)+锚杆+钢筋网协同支护,构成软岩大变形洞段联合支护方案,成功解决了大梁隧道破碎、软弱围岩地段的施工与支护难题,经施工后巷道稳定性良好。     

隧道洞口施工对边坡稳定性影响的预测分析

结合隧道洞口边坡的位移监测数据,采用有限元弹塑性位移反分析方法,对隧道洞口土层参数进行了反演;并采用洞口土层的反演结果,对隧道后续施工扰动对围岩变形的影响进行了预测分析,预测结果与后期现场监测数据基本吻合。隧道洞口施工对边坡的影响非常大,采用有限元反演、预测的数值计算方法,能够有效地对施工造成的变形破坏进行预测预报。     

岩石非定常蠕变模型辨识

在页岩蠕变试验数据基础上,分析岩石黏弹性变形随应力水平不同和时间发展的变化规律.通过反分析方法建立一维情况下非定常黏弹性模型的蠕变方程,通过应变的理论计算结果与试验结果的对比发现,不考虑参数的时间相关性将引起较大的误差,而考虑参数的时间相关性的非定常黏弹性模型比定常黏弹性模型可更为准确地反映岩石的黏弹性变形性能.在软岩巷道二维非定常蠕变模型辨识的工程实例中,事先假定围岩为黏弹性和黏弹塑性两种不同力学模型,并分别考虑参数为定常和非定常两种情形,在已知现场量测位移条件下,利用位移反分析并根据一定的准则函数求其不同模型中的参数及相应的准则函数值,由各个模型相应的准则函数值大小,判定最佳模型.在假定的一组模型里,发现非定常黏弹塑性模型为最佳模型.     

大跨软岩公路隧道围岩稳定性分析

本文针对大跨度软岩隧道的围岩变形特点,以集呼高速公路旗下营隧道右线出口段YK197+040断面在CD法施工下围岩变形的现场监测数据为背景,整理了拱顶沉降的位移-时间曲线,探讨了拱顶沉降随开挖时间的变化情况。运用ABAQUS软件,结合实际隧道工艺建立了三维有限元模型,数值分析了隧道开挖后拱顶及周边位移的变化趋势,研究了围岩力学性能参数对隧道变形以及围岩稳定性的影响。在综合考虑监测数据与数值结果的基础上,为后续隧道安全施工提供了有益的理论建议。     

不連續面對新觀音隧道擠壓變形行為影響之探討

應用三向度岩體非線性組成模式以及隧道擠壓變形數值模式,分析新觀音隧道北橫坑工區主隧道北向工作面的擠壓現象,有效模擬節理等不連續面引致隧道圍岩變位的不對稱分佈以及依時性變形行為,並釐清不連續面對隧道擠壓變形的影響。     

膨胀岩公路隧道结构设计与施工稳定性分析

膨胀岩是遇水发生物理及化学反应,引起岩石含水量及岩性发生变化,且体积发生膨胀的一类岩石。为研究公路隧道在膨胀性围岩段的结构稳定性,依托大华岭特长公路隧道,对膨胀岩隧道的膨胀岩等级判别、结构设计和施工稳定性等方面进行了综合分析。通过对隧道施工过程的数值模拟分析,结果表明,结构的薄弱部位为分步开挖的交接处,尽管应力集中现象及围岩塑性区没有影响结构的安全性能,但在结构设计和施工中仍然要注意设置锁脚锚杆,并严格控制钢架接头的质量及喷射混凝土的厚度。如今该隧道已成功运营,进一步说明文中论述的结构设计参数及施工方案是合理的。     

锚固围岩流变特性与隧道衬砌压力演化规律研究

安装锚杆是解决软岩隧道大变形的有效手段之一。为进一步探讨锚杆对隧道的支护效用,本文基于Burgers模型,建立了可描述锚固岩体流变特征的宏观力学模型。以围岩-锚杆耦合模型为基础,推导了在锚杆支护作用下隧道位移和衬砌压力的解析解。并利用数值模拟,验证了理论解答的可靠性。通过对锚杆参数的分析表明:锚杆的安装能有效地减小由于围岩流变导致的作用在衬砌上的形变压力与隧道位移。锚杆的支护效果与锚杆的参数密切相关。在锚杆参数值处于较小水平时,随着锚杆参数的增大,衬砌受力状态的改善效果十分显著;但当参数达到一定值后,这种改善效果的加强越来越不明显。因此,在隧道支护中,锚杆的设计参数存在最优值。     

高地应力软岩隧道合理支护方案研究

 基于高地应力软岩隧道明显流变效应的特点,提出在喷锚网支护的基础上增设U型钢可压缩支架和泡沫混凝土填充层的支护方案。利用建立的U型钢连接件力学模型和围岩与支架接触模型,分析2种支护方案下,宜昌-巴东(宜巴)高速公路峡口高地应力软岩隧道的长期稳定性。研究表明：(1) 建立的U型钢可压缩支架的连接件力学模型和围岩与支架之间的接触模型可以很好地反映支架缩动性与摩阻力之间的关系;(2) U型钢可压缩支架和泡沫混凝土填充层的联合支护既可以吸收围岩的流变变形,减小二次衬砌上的形变压力,又可以提供稳定的支护力,有利于高地应力软岩隧道的长期稳定。     

Mechanisms of large deformation in soft rock tunnels: a case study of Huangjiazhai Tunnel

Typical large-deformation phenomena of soft rock occurred frequently during the tunneling process in Huangjiazhai Tunnel, Hubei Province, China, including extrusion at the tunnel wall and severe damage of the primary support and secondary lining. To reveal the mechanisms of these anomalies, comprehensive investigations have been undertaken combining engineering, laboratory, and microscopic analyses. Since the monitoring results show that there might be a close relationship between the large deformation phenomena and water infiltration into the tunnel, the water–rock interaction is the research focus in the investigations. The experimental results reveal that the deforming resistance and strength of shales exposed at the excavation face weaken quickly in the first 20 days after the shales have contact with water. The results obtained by mineral composition detection and microstructure observation illustrate the microscopic reasons for the decreasing strength and deforming resistance of the tunnel surrounding rock after water infiltration. The results from in situ geostress tests indicate that as a result of high tectonic stress and low rock strength, the field of Huangjiazhai Tunnel is an extremely high geostress area. By combining analyses from the mechanical and geological perspectives, there are two main reasons for the large deformations in the Huangjiazhai Tunnel: the plastic flow caused by tunnel excavation under high geostress and low rock strength and a hydrated-mechanical coupling process between the shales and water.

     

Numerical modeling of large deformation and nonlinear frictional contact of excavation boundary of deep soft rock tunnel

Roadways excavated in soft rocks at great depth are difficult to be maintained due to large deformation of surrounding rocks, which greatly influences the safety and efficiency of deep resources exploitation. During the excavation process of a deep soft rock tunnel, the rock wall may be compacted due to large deformation. In this paper, the technique to address this problem by a two-dimensional (2D) finite element software, large deformation engineering analyses software (LDEAS 1.0), is provided. By using the Lagrange multiplier method, the kinematic constraint of non-penetrating condition and static constraint of Coulomb friction are introduced to the governing equations in the form of incremental displacement. The numerical example demonstrates the efficiency of this technology. Deformations of a transportation tunnel in inclined soft rock strata at the depth of 1 000 m in Qishan coal mine and a tunnel excavated to three different depths are analyzed by two models, i.e. the additive decomposition model and polar decomposition model. It can be found that the deformation of the transportation tunnel is asymmetrical due to the inclination of rock strata. For extremely soft rock, large deformation can converge only for the additive decomposition model. The deformation of surrounding rocks increases with the increase in the tunnel depth for both models. At the same depth, the deformation calculated by the additive decomposition model is smaller than that by the polar decomposition model.