基于全断面施工的超大断面隧道围岩松动圈分布特性研究

为掌握机械化施工背景下超大断面隧道全断面开挖后围岩松动圈的分布特性,服务于隧道工程动态设计与施工,以某双线高铁隧道为依托,从数值模拟及现场测试两方面进行分析研究。首先基于室内三轴试验获得符合工程实际下的围岩相关参数,之后利用数值模拟的方法,提出以极限剪应变作为围岩松动圈范围的判据,得出超大断面隧道全断面开挖后围岩松动圈的分布范围,最后通过现场波速测试测得松动圈厚度,分析围岩波速随孔深的变化情况,并与模拟结果对比分析。结果表明：以极限剪应变判据模拟得出围岩松动圈范围边墙两侧呈“月牙形”分布,拱顶及仰拱处呈“半圆环形”分布,边墙处松动圈厚度达到最大值1.10m;现场测试结果表明,边墙处围岩松动圈厚度为1.00～1.10m,拱腰处围岩松动圈厚度为0.50～0.60m,拱肩处围岩松动圈厚度为0.40～0.50m。室内试验为数值模拟提供了合理的围岩参数,模拟结果与实测结果较为吻合,验证了以极限剪应变判据在模拟确定围岩松动圈范围中的合理性及可靠性。本文研究成果可为今后类似工程提供一定思路及参考。     

软弱破碎连拱隧道松动区模型试验与分析

工程中连拱隧道围岩松动范围的确定对采取合理的支护手段和方法具有重要的理论价值和实际意义。以埋深100 m的公路连拱隧道为研究对象,利用室内模型试验,对软弱破碎围岩松动区的发展过程及范围进行研究,并采用压力盒量测围岩不同部位的应力,分析围岩松动区的应力场特征。利用FLAC软件对模型试验进行数值模拟,通过应力分析法和极限拉应变法判别松动区范围,并与模型试验结果进行对比分析,发现松动区内围岩切向应力大于径向应力,深埋条件下围岩更容易形成压力拱,应力分析法所得的松动区与模型试验结果更为接近,建议深埋隧道采用应力分析法判断松动区范围。     

贵广铁路客运专线龙围隧道围岩开挖松动区分析

合理确定隧道围岩开挖松动区对隧道设计与施工具有极为重要的意义。针对贵广铁路客运专线龙围隧道工程,在开挖无支护情况下隧道围岩应力场的弹塑性数值模拟分析基础上,利用在隧道开挖边界沿径向以围岩中的点稳定系数变化曲线的方法来分析围岩开挖松动区范围,结果显示,在拱顶及边墙两侧附近的松动范围较大,在仰拱底部松动范围很小,而在分析开挖松动区的同时,也得到了其所对应的稳定系数。同时,也采用经典的弹塑性理论分析方法计算了该隧道的围岩开挖松动区。二者对比分析表明,传统近似算法所得的松动区范围,在洞顶区域偏小,而在仰拱区域偏大。综合而言,所采用的数值分析方法是较为合理的。     

含软弱夹层隧道围岩松动破坏模型试验与分析

软弱夹层对隧道围岩稳定起着决定性作用,其松动区、破坏区的形成机制及范围是制定合理支护措施的重要依据。以穿越断层带的高速公路隧道工程为背景,利用室内相似模型试验,对无支护条件下软弱夹层围岩松动区、破坏区的发展过程进行了研究。引入弹塑性损伤本构模型,对试验工况进行有限元数值模拟,与模型试验进行对比验证。研究表明:(1)隧道围岩松动区与破坏区具有相似的形成机制,受到软弱夹层的影响,围岩由下盘局部破坏开始扩展至上盘形成拱形为止;(2)隧道开挖后上盘围岩内的应力变化明显大于下盘围岩,根据周向应力增量大小,可以确定出围岩松动区的范围;(3)数值分析中采用损伤变量判别的围岩破坏区与模型试验吻合较好,具有理论可行性。     

基于松动圈测试的硬岩隧道卸压爆破效果分析

为探讨卸压爆破在硬岩隧道高地应力区段的实际效果,以米仓山隧道卸压爆破方案为依托,在隧道冲击破坏能量准则的基础上,利用围岩松动圈测试对围岩内破碎损伤区进行分析,并采用FLAC~(3D)对卸压爆破后隧道周边最大主应力转移及隧道周边位移的变化进行数值模拟,进而对卸压爆破的效果进行综合分析。松动圈测试结果显示,隧道掌子面及边墙部位的围岩损伤区深度均增加了0.2～0.4 m,平均波速减小约0.11～0.21 km/s,与数值模拟结果中最大主应力向远离隧道转移及隧道周边围岩位移增大相互印证。因此,围岩损伤区破碎程度加强、范围增大,使得更多弹性能被吸收,围岩系统中的弹性余能大大降低,进而达到释放围岩应力的目的。在米仓山隧道长约300 m的围岩破碎带内,未再发生围岩内部应力过大导致的钢拱架变形及喷射混凝土开裂掉块的现象,说明卸压爆破在米仓山隧道高地应力区取得了较好的效果。     

卵砾石层中隧道考虑松动圈的位移反分析应用

研究了考虑围岩松动圈的位移反分析在卵砾石层隧道工程中的应用.由于江苏省常宁高速公路茅山隧道大部分处于卵砾石地层中,围岩稳定性差,隧道埋深浅,必须采用隧道信息化施工.为了确保隧道施工的安全进行,将隧道简化为平面应变问题,实现了位移反分析计算,采用考虑围岩松动圈的双介质模型,反演松动圈的弹性模量.然后利用有限元法,对隧道动态施工过程进行了仿真数值模拟研究,并将计算分析结果反馈设计和施工,进而调整设计,指导施工,确保了工程的安全施工.     

卵砾石层中隧道考虑松动圈的位移反分析应用

研究了考虑围岩松动圈的位移反分析在卵砾石层隧道工程中的应用。由于江苏省常宁高速公路茅山隧道大部分处于卵砾石地层中，围岩稳定性差，隧道埋深浅，必须采用隧道信息化施工。为了确保隧道施工的安全进行，将隧道简化为平面应变问题，实现了位移反分析计算，采用考虑围岩松动圈的双介质模型，反演松动圈的弹性模量。然后利用有限元法，对隧道动态施工过程进行了仿真数值模拟研究，并将计算分析结果反馈设计和施工，进而调整设计，指导施工，确保了工程的安全施工。     

多次爆破开挖下硐室围岩损伤累积及松动圈扩展规律研究

为了探究硐室围岩在多次爆破开挖下的损伤累积及松动圈扩展规律,结合某试验硐室爆破开挖工程,通过ANSYS/LSDYNA重启动技术模拟多次爆破开挖下围岩的损伤累积,采用地质雷达法测定多次爆破开挖后围岩松动圈厚度,分析围岩松动圈扩展规律,最后明确硐室围岩损伤范围与松动圈厚度之间的定量关系。研究结果表明：多次爆破开挖后围岩损伤累积范围同松动圈厚度一样呈单调递减趋势,增长速率逐次降低,直至不再累积扩展;将损伤变量D在0.25～0.78之间的损伤范围看作围岩松动圈厚度,数值模拟结果与现场测试结果误差较小,说明在一定程度上岩体损伤累积程度的变化就是围岩松动圈厚度的变化。相关结论可为今后爆破开挖下硐室围岩研究提供一定参考。     

基于GZZ强度准则考虑应变软化特性的深埋隧道弹塑性解

基于三维非线性Hoek-Brown强度准则(GZZ强度准则),提出考虑应变软化特性的圆形隧道开挖后围岩非线性力学响应的求解方法。该强度准则不仅继承了传统二维Hoek-Brown准则的优点,并可以考虑中主应力2σ的影响。根据经典弹塑性理论采用数值方法得到考虑应变软化特性的围岩应力、应变、位移及塑性区范围的解答。计算结果表明,传统二维Hoek-Brown强度准则低估了围岩的变形能力。与之相比,采用考虑中主应力影响的GZZ强度准则计算得到的塑性区和软化区半径及围岩应变值更大。围岩最大环向应力θσ位于弹–塑性区边界处,从软化区向流动区过渡过程中围岩的环向应力曲线斜率发生了突变。在塑性软化区内,围岩应变值相对较小而应力值较大;在塑性流动区内,围岩的应力值相对较小,但其应变值非常大,流动区围岩的应变值可达软化区应变值的数十倍。塑性区围岩的软化可以使隧道洞壁附近的围岩应力减小,但会使其变形大大增加。当支护压力较小时,软化作用会使围岩变形增加数倍甚至数十倍。同样,在保证洞壁收敛变形不变的条件下,围岩软化后所需的支护反力会增加数倍甚至数十倍。在高地应力地区,围岩的软化使导致隧道发生大变形破坏的关键原因。在隧道支护结构设计计算时适当考虑围岩的应变软化特征,对于避免隧道发生大变形破坏十分重要。     

石门隧道围岩松动圈确定方法及应用

依托宝汉高速公路石门隧道,采用理论分析、数值模拟、室内外现场试验等手段对隧道围岩松动圈确定方法进行研究,得出了石门隧道围岩松动圈的确定方法,并进行了现场测试和验证研究,最终根据研究得出的松动圈的数据优化石门隧道支护参数,既节约了成本,又保证了隧道施工过程安全。     

基于黄土联合强度的黄土隧道围岩应力及位移研究

隧道围岩应力及位移计算问题是隧道工程界中传统研究课题之一,但黄土抗拉强度在黄土隧道围岩应力及位移计算中存在的影响需要进行合理性评价。基于建立的可综合考虑黄土抗拉和抗剪特性的联合强度,开展了极限应力平衡分析,重新推导了强度破坏曲线的主应力表达式;然后重新确定了轴对称圆形隧道条件下黄土围岩塑性区半径;最后得到了隧道周边黄土围岩位移表达式。研究结果表明:在围岩塑性区应力计算与比较中,基于联合强度确定的围岩塑性区应力小于基于传统的Mohr-Coulomb理论确定的围岩塑性区应力,而塑性区半径和隧道周边围岩位移相对较大;基于拉强度建立的联合强度理论克服了Mohr-Coulomb理论高估黄土抗拉强度的缺陷,可以合理评价黄土隧道围岩应力及位移。     

德格隧道施工过程分析及冒落成因机理

为探明公路隧道过深埋破碎带施工中地层变形与受力特性,揭示围岩碎裂形成冒落破坏的成因机理,依托川藏公路新建德格隧道,对隧道施工过程进行了三维数值模拟和力学分析。研究表明:受构造破碎带和埋深影响,隧道过冲沟深埋段施工中拱顶位移均较大且会有突变,施工在竖向对围岩压应力的影响非常明显,而在水平方向对拉应力的影响更为显著,围岩竖向与水平向较大的压应力差值增加了围岩松弛区范围;深埋自重应力场较大,受施工扰动位于冲沟底部的破碎带围岩碎裂变形加剧出现冒落体,因松动地压超过支护结构承载力最终导致冒落破坏。     

地质雷达探测偏压隧道围岩松动圈的研究与应用

 基于地质雷达测试原理,论证地质雷达用于围岩松动圈探测的可行性。采用LTD–2100地质雷达对云南富邦偏压隧道进行实测,得出如下结论：与常规隧道松动圈相比,地质顺层偏压隧道围岩松动圈厚度偏大;偏压荷载较大一侧的松动范围大于另一侧;最大松动范围出现在拱顶或拱肩位置。基于此,提出针对地质顺层偏压隧道衬砌设计方案及事故处理措施,同时结合现场实际探讨地质雷达测试围岩松动圈的可行操作方法。研究结果验证了地质雷达探测围岩松动圈的可行性,同时为隧道的开挖、支护、施工提供支持与借鉴。     

深埋洞室围岩分层断裂现象模型试验解析

 对深部围岩分层断裂破坏机制模型试验进行再分析,研究模型介质断裂形态,指出模型裂缝存在剪切和拉伸2种形式。采用锯齿形岩石模型和极限应变破坏准则,推导洞室围岩的应力场,定量分析试验结果。通过与试验对比,证明解析方法的正确性。研究结果表明,在很大的轴向水平压力作用下,介质会产生间隔的拉伸裂缝,形成分层断裂现象。拉伸裂缝的几何形状逐渐趋于圆形,每形成一道拉伸断裂,模型等效于形成一个受支护作用的洞室,随着等效洞室半径的增大,其受到的支护力迅速增大,使得分层断裂现象局限在一定范围内。该解析方法可为研究不同条件下深部洞室围岩破坏规律奠定理论基础。     

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。     

高地应力隧道岩爆破坏特征物理模型试验研究

采用岩爆相似材料制作大尺寸物理模型,自主研制隧道开挖装置,进行二维应力隧道岩爆物理模型试验,研究高地应力条件下(侧压力系数λ=2)隧道围岩岩爆等脆性破坏特征。试验结果表明:隧道开挖后,围岩有较明显的压应变波动和突变现象,拱墙处局部出现拉应变;同时,声发射能量表现出剧烈增大现象,在应变、声发射特征这两方面均表现出高应力区隧道岩爆的征兆。高地应力条件下(侧压力系数λ=2),隧道拱顶和拱底压应力集中明显而最早发生破坏,拱墙出现拉应力作用,产生张拉裂缝。围岩脆性破坏从颗粒弹射开始,随后变为碎块剥落和裂缝扩展,其变形破坏特征表现出一定的岩爆特性。     

不同TBM掘进速率下洞室围岩开挖扰动区研究

 在不同卸荷速率下三轴加卸载室内试验成果的基础上,以Hoek-Brown经验强度准则为依据,拟合出在不同卸荷速率下板岩的力学参数(黏聚力和内摩擦角)。在分析TBM掘进特点的基础上,提出能反映其特点的数值模拟方法,并在FLAC3D程序中引入加卸载准则,对不同掘进速率下隧洞围岩的开挖扰动效应进行数值模拟研究。结果显示：掘进速率越快,围岩开挖扰动效应越小,围岩越稳定;隧洞围岩在开挖后变形较为均匀;在隧洞的径向,位移和应力变化较为明显的呈现为3个区域,即强变化区、弱变化区和平稳区;最大主应力随着洞径方向逐渐由单向应力状态向二向应力状态和三向应力状态转变,第二偏应力不变量在隧洞轴向方向形成一闭合的应力集中区域,称为“应力墙”,该区域在TBM掘进过程中对刀头切割岩体达到破岩的效果极为有利;隧洞围岩开挖扰动区随TBM掘进速率变化较大,当掘进速率增加一倍后,其扰动区由1.1 m降低到0.4 m,减小了64%。     

跨断层隧道围岩渐进性破坏模型试验及数值模拟

 断层及其破碎带是隧道开挖过程中常见的不良地质现象,也是围岩不稳定且容易出现事故的地段。以山区隧道施工中常见的IV级围岩为参照对象,利用地质力学模型试验和数值模拟研究跨断层隧道施工过程中围岩的渐进性破坏过程及其受力变形特性。研究结果表明：(1) 位于拱顶之上的断层下盘岩体在隧道开挖后呈悬挑状态,且在靠近断层部位易出现拉裂缝;(2) 隧道开挖使得上覆荷载向隧洞左、右两侧转移,从而导致拱腰以下的岩体往往率先剪切破坏,尤以断层下盘一侧岩体为甚;(3) 隧道开挖将引起围岩应力重分布,若调整后的围岩应力超出岩体自身强度极限时,洞周岩体就会塌落成拱,且位于塌落范围内的岩体切向应力呈“跌落式”下降,此特征可用于判断岩体塌落范围;(4) 隧道开挖后,由于断层的阻隔作用,岩体应力在跨越断层上、下盘时呈不连续、非线性分布的特征。     

软弱围岩小净距隧道动态施工力学行为分析

基于新奥法施工理念,结合某大跨度、小净距隧道工程浅埋段施工过程,根据采取的双侧壁施工方法,建立了数值模型,对其施工过程进行了三维有限元弹塑性模拟。分析了施工过程中随着各部的开挖,隧道周边各点竖向位移的变化;通过对开挖后地表沉降、支护受力和塑性区的模拟计算以及隧道拱顶沉降监测值与计算值的对比分析,进而对施工过程中隧道结构的安全性及围岩稳定性作出评价。数值计算结果表明,在软岩浅埋隧道中,超前小导管的设置可起到加固围岩和抑制隧道变形的作用,有效控制双线隧道开挖引起的反复扰动是小净距隧道施工成败的关键。     

隧洞支护效应的探讨

基于弹性理论,对隧洞开挖后和进行喷锚支护后的应力和塑性变形进行分析。运用FLAC 3D模拟了隧道开挖与支护过程中的力学行为,得到隧道在无支护和喷锚支护作用下围岩的塑性及应力变形情况。结果表明,在喷锚支护中,对锚杆施加预应力,其值为当隧道塑性区消失时所需支护力的大小。这种支护提高了围岩的自承能力,使围岩塑性区的扩展在隧道开挖不久就得到有效抑制,能有制止隧道围岩的进一步破坏。