矿山法地铁隧道二衬结构安全系数及可靠度计算方法研究

以北京地铁四号线某大断面矿山法隧道为背景,分别应用"初期支护与二次衬砌共同承受全部荷载的计算模式"与"不考虑初期支护承载而由二次衬砌单独承受全部荷载的计算模式"进行隧道截面安全系数和可靠度指标的计算,结果表明:两种承载模式得到的结构最不利截面安全系数均能满足要求,但"二衬结构单独承载模式"得到的最不利截面结构可靠度指标偏低.为确保根据不同承载模式得到的计算结果基本相同,在应用响应面法分析隧道衬砌结构荷载效应的基础上,采用了等效地层弹性抗力系数来表征初期支护对结构承载的贡献,为解决地铁隧道结构设计中由于结构承载模式不同而造成的计算结果差异提供了一个途径.     

单拱大断面偏压隧道衬砌模型试验分析

模型试验方法分析大断面隧道衬砌结构的受力特性是一种比较实用的方法.以单拱四车道隧道为依托,按弹性阶段相似原则进行偏压条件下单孔大断面隧道衬砌破坏的室内模型试验,研究不同围岩条件下,隧道衬砌的破坏机制.试验通过千斤项加载的方式,模拟偏压条件下,不同围岩级别条件下的隧道衬砌的破坏行为,得到隧道模型的围岩及衬砌之间的接触压力,锚杆、衬砌的应力和位移分布.此外,综合模型试验和数值模拟的结果,分析了大断面隧道受到上部偏压荷载作用时,在衬砌内方面的发展规律及特点.     

基于黏弹塑性的云岭隧道软弱围岩参数反演与稳定性分析

软弱隧道围岩在工程实际和试验研究中都表现出较强的流变性质,容易造成围岩的过大变形而导致失稳.按新奥法施工原则对云岭隧道左洞进口段的软弱围岩段开挖过程进行监测,分析初期围岩位移收敛值以及二次支护和衬砌的压力变化情况,通过黏弹性有限元反分析理论,建立基于黏弹塑性的反分析体系,对围岩参数进行反演和优化.通过采用ANSYS有限元程序模拟开挖过程,并将现场实际量测值与计算数据进行比较,为隧道支护设计和施工的安全可靠性提供科学依据和技术指导.     

考虑围岩松动圈支护体影响的深埋圆形隧道衬砌优化设计

首先考虑围岩松动圈支护体的影响,在完全接触条件下,根据弹塑性力学理论,推导出深埋圆形隧道每层衬砌切向应力和径向应力分量的解析解;然后根据混凝土和围岩材料受力状态的不同,选用不同的破坏准则,引入功能梯度材料思想,构建了不同弹性模量双层混凝土圆形衬砌优化设计的目标函数,即当目标函数为最小值时,Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ层结构同时接近或达到预设破坏状态,在设计上才最为合理;最后对衬砌材料的弹性模量和衬砌厚度分别进行了优化设计.算例分析表明:(1)随着围岩应力的增大,E₂/E₁和E₂/E₃都减小.在相同大小的围岩应力作用下,总有E₂/E₁2/E₃,故而建议设计时Ⅰ层衬砌的弹性模量应大于围岩松动圈支护体的弹性模量.(2)随着围岩应力的增大,Ⅰ层衬砌的厚度增大.在相同大小的围岩应力作用下,当E₂/E₁>E₂/E₃时所求得的Ⅰ层衬砌最优厚度总是小于E₂/E₁2/E₃时所求得的Ⅰ层衬砌厚度,故而可通过改变Ⅰ层衬砌和围岩松动圈支护体的弹性模量相对大小来调整Ⅰ、Ⅱ层衬砌的厚度.      

剧烈瓦斯爆炸隧道洞口致损机理

为探究洛带古镇隧道瓦斯爆炸下洞口衬砌致损机理,对隧道内积聚瓦斯等效、量化研究,采用LS-DYNA建立与洞门几何结构一致的流固耦合数值模型并验证,以RHT模型模拟混凝土并修正参数,对爆炸过程中冲击波的传播特征及强度、洞门致损机理研究分析,并将模拟结果与实际情况对比.研究表明:爆炸冲击波在隧道内无规则的反射效应使其强度剧增、流场复杂,局部位置有聚焦现象,隧道内高压达1.2~2.4 MPa;传播过程中,靠衬砌一侧冲击波运动速度较快,形态也由“球状”变为“喇叭”状;当以平面波形态传至洞门时,拱顶冲击波强度增加56%,达2.8 MPa,并在削竹式洞门周边发生衍射;自隧道传出后,强度逐渐降低,边墙及底板处的冲击波沿纵向径直射出,拱部冲击波向斜上方运动,形成“蘑菇云”.爆炸作用下,衬砌曲边墙脚处完全破坏;爆心距7 m范围内衬砌受损严重;7~15 m范围内拱部几乎未受损;洞门受损严重.缺少围岩的约束作用,洞门拱顶Y向、拱脚X向位移分别达0.26和0.14 m,迎爆面、背爆面拉应力分别介于7.9~31.5 MPa、4.9~15.6 MPa,背爆面出现多个应力峰值,洞门主要为受拉致损.经对比,洞门损伤特征的数值模拟结果与现场实际情况基本一致,可为后续的衬砌灾害处治提供依据.      

高应力岩石局部化变形与隧道围岩灾变破坏过程

为了研究深埋隧道围岩变形局部化与渐进破坏现象,运用FLAC3D三维显式有限差分法分析软件,基于摩尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型,采用大变形的计算方法,研究了岩石试件在单轴压缩状态下局部化现象启动、发展直至试件最终破坏的全过程,进一步结合隧道物理模型试验,探讨了高应力条件下隧道围岩变形局部化与渐进破坏的关系,发现岩石材料表现出的软化性状与剪切带形成的结构软化有着密切的联系,从围岩屈服区和软化带的分布规律找到高地应力隧道围岩渐进破坏的突破口,并指出岩体单元的弹性变形和单元屈服后岩体的塑性挤出是隧道开挖后收敛变形的主要原因.     

油罐爆炸作用下隧道衬砌动力响应数值模拟研究

为准确分析油气爆炸下隧道及采矿巷道等地下工程的结构稳定性,采用FLACS软件计算LPG爆炸荷载,基于LS-DYNA软件将爆炸冲击荷载施加于结构表面,进而计算爆炸荷载作用下衬砌结构动力响应。研究结果表明：隧道的“角状结构”对冲击波反射具有强化作用,致使相应位置形成应力集中,应力波强度衰减缓慢,随着传播距离的增加,衬砌所受应力逐渐减小且同一截面应力值趋于一致;同一截面不同测点处的速度、位移值受爆心距和隧道几何结构的共同影响,当爆心距大于12 m时,速度和位移值变化趋于稳定;顶部衬砌和底部结构更易发生破坏,边墙位置损伤程度较小。该研究成果为地下工程安全稳定性分析提供了方法依据,也为巷道抗爆设计及支护优化提供了理论参考。     

基于综合决策云模型的围岩稳定性分级方法研究

地下工程围岩稳定性分析关系到地下工程的安全,围岩的稳定与否直接决定着地下工程的成败,因此开展地下工程围岩稳定性评价具有十分重要的意义。基于云理论,选取岩石单轴饱和抗压强度、完整性系数、岩石基本质量指标、地下水影响修正系数和软弱结构面产状影响系数作为围岩稳定性分级指标,综合运用DEMATEL决策模型和熵权法获取上述指标体系的组合权重,并选取公路隧道工程20组实测数据作为学习样本,建立围岩稳定性分级的综合决策云模型,将其应用于小红石砬子玉石矿5组工程围岩的稳定性分级实例中。结果表明:综合决策云模型判别结果与实际情况相吻合,判别准确率可达80%,且优于K-最邻近算法和随机森林算法的判别结果,说明所建立的综合决策云模型在工程实际中具有一定的应用价值,为围岩稳定性分级提供了新思路。     

高硫膏体强度劣化机理实验研究

高硫尾矿配制成的膏体表现出不同程度的强度劣化,高硫膏体强度劣化能引起充填体质量的巨大变化.通过不同硫含量的膏体强度劣化实验,同时结合X射线衍射物相分析和环境扫描电镜分析,对高硫膏体的劣化规律和劣化机理进行了分析.得出含硫尾矿在一定程度上能促进膏体早期强度增长,却抑制了后期强度发育,硫含量越高,膏体后期强度劣化越显著.硫化物氧化生成的硫酸盐能促进膨胀性钙矾石和石膏类物质的生成.同时酸性环境造成了C-S-H的脱钙和CH的分解,已形成的胶凝体系遭到破坏,进一步促进了充填体的劣化.通过孔隙计算模型对晶体膨胀应变和裂纹发育过程进行了分析,阐述了膨胀性物质的线弹性应变发育机理.      

穿越高层建筑群浅埋软弱岩体隧道施工力学数值模拟研究

为了研究隧道挖掘施工对支护结构、围岩应力变化以及地表变形的影响,采用有限元软件数值模拟方法对挖掘施工进行力学计算。首先分析了施工地层变形及传播规律;然后结合midas GTS软件建立了高层建筑群附近的软弱围岩隧道施工力学模型;最后通过围岩应力、初支应力以及二衬应力计算得出以下几点结论:模拟施工首先进行右洞开挖,右洞下台阶开挖导致洞口两侧受力不均,周边收敛值达到5. 74 mm,增幅高达133%,现场施工时需注意减小开挖幅度,避免洞口两侧受力不均问题;对初支结构应力计算得到左洞部分位置最大拉应力达到2. 31 MPa,高于C20喷射混凝土极限拉应力2. 1 MPa,施工过程需加密钢拱架。     

论埋藏深度对隧洞围岩与衬砌应力的影响

隧洞开挖引起的围岩应力重新分布和应力集中是导致围岩失稳破坏的根本作用力。在理论分析的基础上,以圆形隧洞为研究对象,应用FLAC3D程序进行数值模拟,分析了埋藏深度对隧洞围岩与衬砌应力的影响规律,为隧洞建设与维护提供科学的理论指导。     

无衬砌水工压力隧洞围岩破坏机理研究

基于Kiersch导出的在连续、均质和各向同性岩体中开挖圆形隧洞平面问题应力解以及Mohr-Cou-lomn屈服准则,分别研究了圆形有压输水隧洞在施工期和运行期围岩的破坏规律,并根据不同侧压系数,分别推导出了各种情况下洞室围岩的破坏规律,得到了不同侧压系数条件下洞室围岩产生塑性变形的临界内水压力,可以有效地预防无衬砌洞室渗漏水问题,为水工无衬砌有压输水隧洞的设计提供参考。     

不稳固岩层中掘进巷道的锚喷支护技术分析

文章分析了湖南锡矿山采选厂在长龙界页岩这种不稳固岩层中所掘巷道的破坏模式与原因,对巷道断面型式如何进行选择,说明了在实际工程中通过采取锚喷支护的技术,调整了围岩中的应力分布和抑制其变形发展,提高了围岩的自承能力和维持稳定,经过锚喷支护后达到了稳定状态的岩体,具有长期工作的可靠性,岩体的稳定性得到了明显改善而取得的效果,保证了巷道的施工安全,确保了掘进进度与正常生产。     

基于三维激光扫描点云数据的地下巷道岩体结构面识别及稳定性分析

巷道围岩中发育的结构面对巷道稳定性有很大的影响,开展地下巷道的工程地质调查,精确获取地下巷道围岩结构面信息是巷道稳定性分析的关键。以云南大红山铁矿775 m 中段运输巷道为研究对象,采用三维激光扫描仪获取围岩结构面点云数据,并利用点云数据处理软件进行误差处理、坐标校正、结构面数据提取、点云拼接和过滤抽稀等内业数据处理工作,基于处理结果开展了统计分析;利用离散元软件3DEC建立了离散结构网络模型与地下巷道合成岩体模型,并对该巷道在自重及爆破振动作用下的失稳概率进行了数值模拟。结果表明：三维激光扫描技术可较好地获取巷道围岩的结构面信息,结合离散块体单元计算软件对巷道岩石块体的稳定性进行进一步分析,所分析区域的围岩自稳能力较好,但在爆破振动影响下失稳概率大幅增加,研究结果可为巷道的支护设计提供理论指导。     

深埋硬岩隧道围岩参数概率反演方法

在贝叶斯理论框架下, 提出了一种基于多源数据融合的深埋硬岩隧道围岩参数概率反演方法.首先, 分析硬岩隧道常用的启裂-剥落界限本构模型中围岩单轴抗压强度、启裂强度与抗压强度比及抗拉强度三个参数不确定性来源, 确定其概率统计特征; 其次, 利用粒子群算法优化多输出支持向量机, 建立反映反演参数与隧道监测数据间非线性映射关系的智能响应面; 最后, 结合贝叶斯分析方法构建概率反演模型, 运用马尔科夫链蒙特卡洛模拟算法实现了围岩参数的动态更新.将该方法应用到某深埋硬岩隧道中, 利用反演的围岩参数计算隧道拱顶下沉点、周边收敛点变化值及开挖损伤区深度, 与监测数据吻合较好.结果表明, 该方法可以实现围岩多参数快速概率反演, 更新后的参数可用于硬岩隧道施工安全风险评估与结构可靠性设计.      

一种块体–颗粒–杆件的耦合方法及其在隧道支护模拟中的应用

为了模拟隧道开挖过程中边帮的失稳垮塌过程以及锚杆对隧道的支护过程,提出了一种基于罚弹簧的块体–颗粒–杆件的耦合方法.该耦合方法基于连续–非连续的数值模拟方法(CDEM),采用离散颗粒簇表征隧道周边松动圈以内的破碎岩体,采用块体单元表征松动圈以外的完整岩体,采用杆件单元描述锚杆及锚索等杆系类支护结构,采用插值耦合的方式实现杆件单元与离散颗粒及块体单元间力与位移的传递,从而实现高应力环境下隧道开挖失稳过程的模拟及支护效果的评价.颗粒与块体之间采用1根法向线性弹簧及2根切向线性弹簧进行耦合,法向弹簧引入拉伸断裂本构,切向弹簧引入Mohr–Coulomb脆性断裂本构.杆件与颗粒及杆件与块体之间的耦合模式基本一致,包含1根沿着杆件轴向的罚弹簧S_gn及1根垂直于杆件轴向的罚弹簧S_gs,S_gn主要用于描述杆件与围岩之间的拉拔效应及推压效应,S_gs则主要用于描述杆件与围岩之间的侧向挤压效应.圆形盾构隧道弹性场分析、预应力锚杆加固矩形巷道模拟、全长连接锚杆对岩块的锚固作用分析、以及碎裂岩体中的隧道开挖支护效果分析等案...     

隧道初支合理支护时机确定方法及其工程应用

将岩体破坏接近度指标(FAI)引入隧道支护设计，明确了围岩临界支护时机判别准则。基于有限差分数值计算程序，合理考虑岩体峰后应变软化特性，建立了一种隧道最优支护时机确定方法。通过算例分析，定量探讨了表征支护时机的重要参数，从工程角度阐释了支护时机的本质意义。结果表明:岩体地质强度指标GSI由75减小至25时，支护时机提前8.32 m；岩石材料常数m_i由20减小至10时，支护时机提前5.85 m；岩石单轴抗压强度σ_ci由80 MPa减小至40 MPa时，支护时机提前3.74 m；工程扰动参数D由0增加至0.8时，支护时机提前7.44 m。将建立方法在玉渡山隧道工程中进行应用，计算出研究区段的支护时机为3.3 m，经现场监测表明该方法有效、可行。该研究成果可为隧道支护体系的量化设计提供参考。      

石英砂岩体的地质雷达波频谱特征

经过岩土体介质反射回的地质雷达波特征携带了所穿透的岩土体内部的相关信息,其中地质雷达波频谱主频值可以作为判断岩土体结构特征的一个定量指标.以围岩为石英砂岩的公路隧道工程为依托,采用MALA地质雷达配100 MHz屏蔽天线,对隧道掌子面前方的石英砂岩体进行超前地质探测试验,分析典型的Ⅴ级、Ⅳ级和Ⅲ级石英砂岩围岩的雷达波形图图像特征和雷达波在岩体介质中传播的傅里叶频谱特征.通过分析现场试验数据,得出岩体介质的雷达波主频值因自身结构特征和周边环境变化而在一定的敏感频率区间内的规律.对比分析研究结果与工程开挖实际,表明通过分析超前地质探测获得的雷达波傅里叶频谱主频值特征来反演识别围岩结构特征是切实可行的.      

Evaluation of Seismic Performance for Tunnel Retrofit Project

A seismic retrofit program at Yerba Buena Island Tunnel is presented as a case history. The studies include evaluations of portal stability under earthquake excitation and performance of the tunnel liner as a result of seismic induced deformation. Due to different potential failure modes at the two portal areas, two separate evaluation techniques were utilized. Key block theory in conjunction with a Newmark type analysis was used to assess movements of a potential failure wedge at the west portal slope, while discontinuous deformation analysis was utilized at the east portal slope to evaluate a rotational mode of failure. To assess the performance of the liner subjected to design earthquakes, a two-step analysis procedure was adopted. The first step was to compute seismic induced deformations of the tunnel subjected to seismic wave propagation through the island rock without the presence of the liner. The second step, not reported in this paper, involved imposing the deformations of the tunnel onto the structural liner through spring elements that accounted for interaction between the liner and the surrounding rock. From the studies, performance of the existing tunnel supports was found to be acceptable.     

酸再生文丘里预浓缩器衬里损坏的原因分析与改进

分析了奥地利ANDRITZ公司为冷轧硅钢设计的盐酸再生设备文丘里预浓缩器衬里失效特征及原因,并制定了文丘里预浓缩器衬里结构优化措施.实施后,文丘里预浓缩器内的防腐衬里能够适用于较为苛刻的工况中,避免了因文丘里预浓缩器衬里损坏而造成的钢结构腐蚀、酸再生停产等,延长了设备使用寿命,提高了文丘里预浓缩器设备利用率.