极浅埋连拱隧道施工过程围岩力学行为的模型试验研究

以长城岭连拱隧道为工程背景,针对极浅埋连拱隧道施工过程中围岩的力学变化特征,采用室内模型试验的方法对隧道开挖过程进行模拟,利用相关监测元件对应力、应变及围岩压力等信息进行采集和分析;借助有限差分软件对开挖过程进行数值模拟,结合数值计算结果验证了模型试验的结论,最终揭示了极浅埋连拱隧道伴随开挖围岩不同位置的应力变化规律,并得到了中隔墙上部及基底压力的变化趋势。     

非对称连拱隧道不同开挖方案的比较分析

根据某高速公路非对称连拱隧道衬砌结构形式, 针对地表平、地表顺倾斜和地表逆倾斜等地表倾斜情况建立了相应的有限元分析模型, 选取围岩稳定性、衬砌安全性和偏压情况等反映隧道稳定性的性能指标, 采用数值模拟方法综合分析了不同地表倾斜情况下不同开挖方案对隧道稳定性的影响。结果表明, 地表倾斜状况显著影响非对称连拱隧道围岩和衬砌的受力和变形情况, 非对称连拱隧道地表平时应采用先大洞后小洞的开挖方案, 地表倾斜时必须综合考虑地表倾斜情况和大小洞的跨度差异, 才能合理确定开挖方案。非对称连拱隧道隧洞开挖时, 先开挖一侧的围岩应力释放会引起另一侧未开挖岩体的竖向应力增大, 导致另一侧岩体开挖时释放的荷载也相应增大, 使后开挖一侧隧洞的围岩位移和应力增大;开挖过程中应使左右洞的应力释放量尽量接近, 降低最终拱顶沉降和拱顶围压拉应力, 确保隧道围岩稳定及衬砌结构安全。     

基于当层法的煤矿斜井围岩压力拱分析

为研究不同倾角下煤矿斜井开挖时围岩压力拱的变化和优化巷道支护设计,以东胜煤田塔拉壕煤矿为依托,基于Покровский当层法理论,通过定义2种应力路径,对比分析了复合地层条件下,分别在6°、12°、18°倾角下直墙拱形和圆形断面硐周围岩压力拱内外边界及拱体厚度变化情况。结果表明:对于直墙拱形和圆形断面,随着倾角增大,硐室上方和两侧压力拱内边界距硐周距离不变,外边界距离增大,围岩承载能力增强;在3种倾角下圆形断面应力拱边界较直墙拱形距硐周距离均较小,但主应力峰值较大,也说明了在斜井中圆形断面压力拱作用效果弱于直墙拱形。     

高地应力双隧道施工围岩应力变化规律数值模拟研究

以云县至凤庆高速公路隧道开挖工程为研究对象,采用数值分析和相似模拟相结合的手段,对其处于不同埋深岩层围岩变化规律展开研究。为保证隧道开挖施工安全,分别对隧道拱顶围岩压力、拱腰围岩压力以及上方围岩压力进行监测。基于监测数据分析围岩应力变化规律,明确了隧道开挖对其拱顶上部岩层影响程度和拱腰不同位置岩层应力在应力释放阶段所表现形式。研究表明,拱腰围岩竖向应力在左右隧道开挖整个施工阶段,应力变化曲线主要可分为3种类型,逐渐增大最终趋于稳定型、先增加后快速下降再缓慢增加型和先增加后快速下降至0型;根据拱顶及拱顶上方岩层竖向应力曲线,可将隧道拱顶上方岩层分为3种状态,拱顶上方0~50 m应力释放“高影响区”,拱顶上方50~150 m岩层属于应力释放“次影响区”,拱顶上方150 m以上岩层属于应力释放“缓影响区”。     

基于有限元法的隧道围岩压力计算与分析方法研究

隧道围岩压力计算,常规的公式法是假设应力为均匀分布,没有考虑应力集中现象,而有限元法适用于分析模拟围岩体和构造的各种特性,可以准确地计算出隧道围岩应力。据此,以实际工程为例,利用公式法对围岩压力进行计算,并运用有限元法的数值方法,采用专业软件对浅埋、深埋圆形隧道的围岩应力状态进行了数值模拟分析,得出其分析与计算结果对隧道围岩压力计算具有重要意义的结论。     

一种基于应变软化模型的直墙半圆拱巷道开挖计算分析

为研究软岩直墙半圆拱巷道的变形破坏规律,以梅花井煤矿1110208工作面为研究对象,基于应变软化模型来反映软岩的泥化以及膨胀特征,计算了直墙半圆拱巷道开挖后围岩中塑性区及支承压力分布情况。研究结果表明,应变软化模型受巷道围岩中铅直应力影响显著,当埋深较大时,巷道围岩中铅直应力显著增加;基于应变软化模型计算得到巷道围岩中塑性区分布面积显著增大,巷道顶板及顶板中的拉应力分布区也显著增加,应变软化参数对巷道围岩中塑性区分布影响显著;随塑性剪切应变增加,岩石材料内聚力下降幅度越大,巷道围岩中塑性区分布面积越大;应变软化参数对巷道围岩中铅直应力最大值及最小值应变不显著,但对巷道顶板及底板中拉应力分布区影响显著;随塑性剪切应变增加,岩石内聚力下降幅度越大,巷道顶板及底板中拉应力分布区越大。     

隧道岩爆的判据与预测预报

通过对圆形隧道围岩应力和开挖后围岩内部裂纹扩展的特点进行分析,采用Griffith强度理论的破坏准则,得到了用岩石抗拉强度表示的隧道开挖中发生岩爆的判据,并可以较好的预测岩爆。根据隧道岩爆的特征提出了采用理论分析法和现场实测法进行预测预报,其研究结果可以为类似工程提供参考。     

浅埋连拱隧道施工动态响应特征研究

以实际工程为依托,针对浅埋连拱隧道暗挖施工稳定性问题,研究了隧道开挖过程中围岩、支护结构、中隔墙等结构的应力分布情况以及地表沉降等指标的动态响应特征。结果表明,中导洞开挖过程中,上台阶开挖对围岩应力影响较明显; 隧道施工完成后中隔墙上最大应力达7.03 MPa,侧洞拱腰及拱顶部位存在应力集中,大小为0.7~1.55 MPa; 侧洞靠近中导洞的上台阶初支结构拉应力达1.67 MPa,侧洞远离中导洞的上台阶初支结构压应力达4.48 MPa; 侧洞靠近中导洞侧台阶开挖时中隔墙应力增幅明显,掌子面远离监测面超20 m后施工对中隔墙无影响; 地表沉降最大部位位于隧道轴线处,沉降最大值为7.20 mm,沉降区域半径约25 m。     

超千米深部全断面岩石掘进机卡机机理

为了解决超千米深井巷道建设面临的严峻挑战,拟将全断面岩石隧道掘进机（TBM）在解决关键岩石力学问题和机械制造问题的基础上加以改进引入到超千米深井巷道建设。然而深部高应力挤压变形将导致TBM的护盾极易被卡塞。揭示了TBM的卡机机理：当护盾周围围岩变形量超过开挖预留的变形量,围岩开始与护盾接触并挤压护盾,进而在TBM推进时围岩对护盾产生摩擦阻力,当TBM推力无法克服围岩对护盾产生的摩擦阻力时,便导致TBM护盾被卡。提出了相应的卡机状态判据。提出了判断护盾被卡状态的理论计算方法及过程：考虑工作面空间效应,基于Hoek-Brown准则研究了护盾周围围岩收敛变形沿巷道轴向的变化规律,计算出作用在护盾上的围岩压力,进而计算围岩对护盾的摩擦阻力,最后根据卡机状态判据判断护盾是否被卡。     

浅埋双连拱隧道曲中墙应力计算方法及施工模拟研究

在双连拱隧道施工过程中,中隔墙的应力大小及其分布非常复杂。针对目前计算双连拱隧道中隔墙应力尚无成熟的理论的问题,基于规范及普氏压力拱理论,推导出了埋深H满足h_qH2.5h_q的浅埋双连拱隧道曲中墙应力的计算公式。并通过有限元模拟分析了苏州凤凰山浅埋大跨度双连拱隧道复杂施工过程中中隔墙应力的分布及变化规律,鉴于开挖完成后中隔墙监测剖面应力值与计算剖面应力值变化趋势极其相似,根据模拟结果对计算公式进行了修正。通过与应力实测数据及其他工程实例的对比分析,验证了所提出的曲中墙应力计算公式的合理性,可为类似工程从设计到施工提供参考。     

大跨度双连拱隧道开挖渗流场特征研究

连拱隧道特殊的结构型式导致了连拱隧道在渗漏水防治方面存在较大的困难,对大跨度的连拱隧道而言,这种现象尤为突出。要研究地下水在连拱隧道中的渗漏,首先要研究连拱隧道施工过程(开挖步骤)对渗流场的影响。文中对南京九华山大跨度双连拱隧道所在工程区的工程地质及水文地质特征进行了分析,根据场地岩体的基本性质,采用二维渗流分析方法,对九华山隧道在不同开挖(加固)步骤中的渗流场特征进行了详细的研究,得出在不同开挖步骤中隧道围岩的渗透压力及渗透梯度,指出渗透压力及渗流速度较大的部位,为隧道及时加固以及防排水设计提供理论基础。     

不同开挖方式下深部岩体应变能的释放机制

深部岩体开挖过程中,围岩应变能的释放是岩体破坏的诱因之一,而不同开挖方式下应变能的释放机制存在较大差异。通过理论分析,探讨了钻爆法和TBM开挖条件下应变能释放规律,并结合锦屏二级水电站实测深埋隧洞开挖引起的围岩振动的组成分析,讨论了不同开挖方式下的应变能释放机制。研究表明：高地应力下爆破开挖过程岩体所储存的应变能伴随爆破破岩过程高速释放,诱发围岩振动,此时实测振动由爆炸荷载诱发振动和应变能瞬态释放诱发振动二者组成;而TBM开挖条件下,岩体内应变能缓慢释放,不会引起围岩动力响应,实测振动主要是滚刀在机械力作用下破岩或液压加载装置的振动引起的。而应变能不同的释放机制将导致岩体出现不同形式和程度的破坏,且现场对两种方式下围岩损伤及应变型岩爆的监测也证实这个结论。     

“引大济湟”×××隧洞围岩变形探讨

青海省引大济湟调水总干渠工程×××隧洞主要采用双护盾式TBM施工.在穿越高埋深的区域性断裂带时,采用绕行导坑人工钻爆法施工.对采用绕行导坑的围岩变形情况进行分析,指出在隧洞开挖过程中围岩变形的时间效应,为修改设计与指导施工提供理论依据.     

TBM盘形滚刀破岩力计算模型研究

TBM盘形滚刀破岩力计算对TBM设计及施工具有重要意义。分析滚刀运动规律发现,滚刀法向推力对破岩起主导作用。假定了滚刀与岩石间接触应力分布形态,推导了常截面盘形滚刀的法向推力与滚动力计算公式,并利用多种不同强度岩石的线性切割试验结果进行验证,结果表明计算值与试验数据较为吻合,证实了公式的准确性与适用性。对计算值误差分析发现,滚刀破岩力计算精度与滚刀-岩石接触应力分布形态选取相关,采用最小二乘拟合思想,基于计算值与试验值的相对误差对接触应力分布指数进行修正,发现接触压力分布指数随滚刀贯入深度增大近似呈指数规律变化,提高了破岩力计算公式的预测精度。研究结果可为TBM设计和施工提供依据。     

某尾矿库排洪隧洞出口段施工方法

尾矿库排洪隧洞出口段岩石破碎，不具备掘进施工条件，为了保证安全地完成排洪隧洞出口段不稳定岩层的施工，先进行钢拱架混凝土临时支护形成“人造巷道”， 再对“人造巷道”顶进行素混凝土回填形成“人造边坡”，再采用短掘短砌的方式进行掘砌作业。采用这种施工方法，可安全、有效地进行排洪隧洞出口段不稳定岩层的施工.     

浅埋超大跨四线高铁隧道开挖力学特性研究

以新建杭绍台高铁下北山隧道为工程依托,该隧道为浅埋超大跨四线高铁路隧道,基于现场取样进行室内岩石力学试验,合理确定了不同围岩等级的力学参数,在此基础上建立三维计算模型,分析浅埋超大跨隧道采用开挖工法时的力学特性。结果表明:双侧壁导坑法在围岩位移控制方面优于三台阶法,双侧壁导坑法中上导洞加临时钢支撑的措施能有效控制位移的变化速率,优于中上导洞一次开挖的做法,设计中应注意控制拱部导洞的开挖面积;在初支结构内力控制方面,双侧壁导坑中上导洞加钢支撑的方法初支结构的拉应力最小,结构受力最为安全。     

基于ABAQUS数值模拟的采区巷道断面形状优化研究

 选取矩形、梯形、直墙半圆拱形、圆弧拱形、三心拱形、直墙半圆加反拱形6种常用采区巷道断面形状进行数值模拟分析,研究不同巷道断面形状开挖后位移分布,分析表明直墙半圆拱形巷道变形量最小,且加设反拱后对于减少底臌量效果明显。选取矩形和直墙半圆拱形断面作为代表断面,分析不同埋深H及侧压力系数λ对采区巷道变形特征、围岩应力影响。在此类围岩条件下,当采区巷道埋深小于400 m、侧压力系数小于1.6时,矩形巷道和直墙半圆拱形巷道围岩变形量差距较小,此时可以选择矩形巷道断面以满足经济性要求。