埋深对软弱隧道围岩破坏影响机制试验研究

通过室内模型试验,研究公路隧道IV,V级围岩在不同埋深条件下全断面开挖时的围岩破坏情况,实现自重应力场作用下毛洞状态时隧道围岩破坏过程的试验模拟,得到拱形塌方和塌穿型塌方2种围岩破坏模式。试验结果表明:隧道围岩的破坏从拱顶开始,并逐渐向上发展;埋深越小,隧道越易发生塌穿型塌方,而当埋深小于某一值时,因隧道开挖后围岩应力未超过围岩强度,隧道反而能保持稳定状态;对塌穿型塌方,隧道埋深越大,开挖后围岩维持稳定时间越短,塌方程度越严重,塌方向地表发展得越快;对同一类型的塌方,隧道埋深越大,塌方后隧道周边应力变化幅度越大。     

隧道塌方机制及其影响因素离散元模拟

通过文献查阅及现场调研,统计分析了大量公路、铁路隧道和水工隧洞塌方工程实例,对隧道塌方进行了分类,认为地质条件、隧道埋深、隧道断面形式及大小、地下(表)水、爆破扰动、施工措施不当是隧道塌方的主要影响因素,并采用隧道塌方高度、隧道埋深、地表陷穴宽度等与隧道跨度的比值以及破裂角作为表征隧道塌方程度的参量,全面分析了上述因素对隧道塌方的影响。通过与统计资料塌方量的对比,分析了几种常用隧道松动荷载计算方法的适用性。文中最后运用PFC2D程序模拟了隧道塌方的全过程,分析了隧道塌方影响因素对隧道塌方发生机制的作用,取得了与统计分析相一致的结论。     

压力拱应力分布的数值分析

从摩尔-库伦破坏准则出发,分析压力拱成拱条件,探讨水平应力、隧道埋深及围岩岩性等因素对压力拱形状的影响,并用软件模拟分析了压力拱与其埋深、水平应力及围岩岩性之间的关系,理论分析和数值模拟结果显示水平应力,隧道埋深是影响压力拱产生的主要因素,而且水平应力对围岩中压力拱的位置和形状有很大影响;围岩强度越高,拱体越靠近硐室,形状越陡峭;围岩强度较低者,拱体则远离硐室,形状越平缓;围岩岩性是影响压力拱形状的主要因素。通过研究可以搞清楚作用在支护结构上的荷载大小及荷载分布情况,得出更加合理的支护结构,从而更好的指导工程实践。     

浅埋软弱围岩隧道施工塌方及处治措施研究

针对云南武易高速公路丰收隧道施工过程中发生的塌方事故,分析了隧道大变形及塌方的成因,对浅埋偏压软弱围岩隧道三台阶法施工过程进行了三维精细化数值模拟.结果表明:软弱围岩、顺层及地形偏压、浅埋是隧道大变形及塌方的客观原因,施工不规范导致支护刚度不足、掌子面稳定性控制不力进一步加剧了隧道变形失稳,换拱则直接导致了隧道塌方;软...     

浅埋偏压小净距隧道围岩压力分布与围岩控制

根据浅埋偏压小净距隧道受力特点,研究推导了考虑施工工序及地形坡度的浅埋偏压小净距隧道围岩压力计算公式。分析了考虑不同地形坡度及同一坡度不同埋深2种工况下地形坡度及埋深对围岩破裂范围、水平侧应力、拱顶压力的影响规律,并指出了浅埋偏压小净距隧道围岩压力在考虑地形坡度下与水平地表下分布规律的差异,建立了3DEC数值模型以对上述理论规律进行验证,结果表明,数值分析规律与理论推导计算规律相吻合。将理论计算公式应用于马嘴隧道出口浅埋段隧道稳定性计算,由计算所得围岩稳定性系数及现场隧道变形监测结果提出隧道围岩及地表稳定性处理措施。     

浅埋连拱隧道围岩参数反演及施工数值模拟

本文结合怀新高速公路的界牌坳隧道的实际情况,利用现场荷载试验的测点位移,通过有限元反演理论的模拟退火法反演计算隧道破碎带围岩基本参数.将反分析计算得到的隧道围岩参数输入界牌坳隧道二维弹塑有限元计算模型,对隧道的施工过程进行数值模拟,分析了采用三导洞法施工时围岩和中墙的受力变形规律,计算结果表明,两主洞拱部开挖是连拱隧道施工过程中两个比较关键的施工步;两主洞拱顶及右洞左拱肩位置的围岩出现了较大的位移或应变而有可能引起隧道塌方或破坏;浅埋偏压连拱隧道受山体偏压和不对称施工的影响,中隔墙在整个施工过程中基本处于偏心受压状态.     

浅埋偏压隧道进洞施工力学特性研究

隧道进口段围岩常常具有浅埋、偏压、风化严重等特点,若施工处理不当,极易造成洞口边、仰坡滑动和洞内塌方等事故,从而影响隧道正常施工和人员安全。结合具体工程,对浅埋偏压隧道进洞施工开展了三维数值模拟,并结合监测数据分析了施工对围岩和支护结构力学特性的影响,主要结论如下:围岩变形具有非对称性,浅埋侧围岩变形量要小于深埋侧;随着隧道的逐步开挖,隧道深埋侧拱脚和浅埋侧拱肩处围岩易于发生剪切破坏,而且围岩的塑性区也主要位于这两个区域,并逐渐向拱顶上方贯通;初期支护结构的受力状态受偏压地形影响显著呈非对称性,而超前支护受偏压影响较小;现场实测围岩变形与计算结果较为吻合,且变形在22天后达到稳定状态。     

基于强度折减法的双孔大跨隧道围岩稳定性研究

在大跨隧道开挖过程中,若支护方式和开挖方法不合理,易造成隧道塌方、大变形等失稳现象,保证隧道施工期间的稳定性是隧道工程施工的核心目标,而现阶段国内外尚没有形成合理的定量判定围岩稳定性的方法。为了能够对围岩稳定性进行较为准确的定量描述文中采用强度折减法对围岩稳定性进行理论研究,得到不同围岩条件下的安全系数随隧道埋深变化曲线图,并针对不同埋深下双孔大跨隧道的破坏形态进行研究,为支护设计提供参考。     

山岭隧道塌方机制及防灾方法

山岭隧道建设过程中,塌方灾害频繁发生,造成重大经济损失和人员伤亡.随着我国经济的快速发展和高速公路的大力建设,投入到塌方治理的费用呈逐年增加趋势.开展隧道塌方机制和防灾方法研究具有重大现实意义.博士论文采用数值模拟和理论分析为主要研究手段,结合现场调查和监控量测,研究山岭隧道塌方机制和预防措施,以期获得有效的预测方法.运用层次分析法,研究塌方影响因素的敏感性;开展隧道塌方范围内压力拱理论研究,分析不同应力场下潜在塌方范围;探索新的围岩分级方法,建立有效的围岩失稳风险预警模型;研究断层破碎带对围岩稳定性的影响及塌方处治方案的优化思路,得出山岭隧道复合式衬砌在围岩蠕变过程中的受力规律;揭示山岭隧道出洞口塌方机制,并提出相应处治措施;同时,基于突变理论,分析降雨对浅埋隧道塌方的影响,研究隧道出洞口段衬砌结构安全性的评价方法,探索隧道出洞口塌方的时空预测方法.取得以下主要成果和认识:(1) 分析塌方的主要影响因素,指出围岩自身属性及地下水对塌方的影响最大,并按塌方发生部位对塌方灾害进行系统分类.(2) 通过压力拱理论研究,计算出不同应力场下的压力拱线.指出不同地应力模式下,隧道压力拱存在差异,压力拱和判断标准关系密切,从工程安全角度出发,宜以最小主应力受拉为判断标准.(3) 基于特尔菲-理想点法和集对分析理论,建立新的围岩分级模型,为隧道塌方风险评价提供依据.将功效系数法应用于隧道围岩稳定性评价中,建立切实可行的围岩危险性预警模型.(4) 提出断层破碎带地区隧道塌方段施工方案优化思路.基于黏弹性有限元理论,分析复合式衬砌结构在围岩蠕变过程中的受力规律,确定断层破碎带围岩流变特性明显洞段隧道衬砌设计和施工的合理方案.(5) 指出隧道出洞口塌方破坏为掌子面失稳和洞顶松散介质垮落共同作用所致,以及出洞口应采用初期支护紧跟和超前支护.建立降雨作用下浅埋隧道塌方的尖点突变模型,推导出围岩为不同岩土介质组合时的松散围岩失稳判据.提出隧道出洞口段衬砌工作状态的合理评价方法.(6) 建立隧道出洞口塌方的时空预测模型.基于应力传递思想,推导出隧道出洞口松散围岩失稳判据,得到塌方发生时进入松散围岩段的临界距离.结合灰色理论和协同理论,预测塌方发生的时间.通过实际工程案例证明所建时空预测模型具有较高的预测精度.     

盾构法隧道衬砌荷载影响因素分析

不同的地质条件、施工方法、隧道埋深以及衬砌刚度等条件的差异,会不同程度地影响隧道衬砌上荷载的分布。结合上海软土盾构法隧道设计和施工的具体情况,分析影响软土隧道衬砌荷载的影响因素,可为地铁隧道的设计和施工提供参考。     

重庆轨道交通四号线头塘地铁站围岩压力分析

以重庆轨道交通四号线头塘车站为工程背景,地铁车站属于特大断面浅埋隧道,首创采用预留T字岩梁岩柱隧道施工方法,应用全土柱理论、普氏理论、泰沙基理论、比尔鲍曼理论计算了隧道施工全断面开挖完成后不同埋深工况下围岩的垂直压力、水平压力,分析得出泰沙基理论的计算结果适合于该工程,应用小净距隧道围岩压力理论,计算了T字型断面形成后不同埋深工况下围岩的垂直压力、水平压力。理论分析了隧道施工过程中形成T字型断面以及全断面时顶板的最大拉应力、最大挠度,并计算了隧道顶板不垮落离层时需要的最小支护反力,研究结果为车站施工、支护结构安全提供理论支撑。     

基于现场实测数据统计的隧道围岩压力分布规律研究

 围岩压力作用模式和时空演化规律是隧道支护结构设计的核心内容,一直是地下工程界研究的热点问题之一。在总结隧道围岩压力类型和主要影响因素的基础上,通过对44座隧道91个监测断面围岩压力的统计分析,研究隧道围岩压力的总体分布特征及其与围岩级别、隧道埋深的关系,讨论竖向、侧向围岩压力及侧压力系数随隧道埋深增大的变化规律。基于现场监测数据的统计分析,研究隧道围岩压力时程变化的基本规律,将隧道围岩压力随时间变化划分为快速增长–缓慢增长–趋于稳定的3个阶段,其中快速增长阶段多集中在隧道开挖后无支护或支护结构尚未完全发挥作用的一段时间;讨论隧道围岩压力沿洞周的分布规律和不均匀系数的分布特征。研究结论为分析隧道围岩压力作用机制和完善支护结构设计方法具有一定的参考价值。     

侧部岩溶隧道围岩稳定性数值分析与研究

 结合忠垫高速公路岩溶隧道施工过程,利用有限差分软件FLAC3D对侧部含有溶洞的隧道围岩稳定性进行数值模拟研究,并将数值计算结果与现场监测结果进行比较分析。结果表明：隧道开挖后,围岩分别向溶洞内和隧道内变形,溶洞与隧道之间的围岩向2个相反的方向变形,是较危险区域。围岩塑性区主要集中在隧道的周围和溶洞的左右侧部,溶洞的顶部和底部处塑性区较少。隧道与溶洞之间的围岩由于应力集中可能使围岩产生过大的变形和岩体破坏,对其稳定性要给予特别重视。所得结论可为同类隧道的设计、施工和研究提供有益的借鉴和参考。     

基于现场监测统计的隧道围岩压力特征分析

利用现场监测结果反分析隧道结构受力特性已逐渐成为隧道动态施工和稳定性评价最常用的方法之一;在总结隧道受力分析发展历程的基础上,通过对近20年来39座隧道71个监测断面围岩压力的统计分析,研究隧道围岩压力的总体分布特征及其与隧道岩性、施工方法、隧道埋深、隧道跨度等因素的关系,讨论隧道支护结构的受力规律及围岩压力的时空分布特征;总体而言,围岩压力值分布范围大致为15~600 kPa;围岩压力随隧道埋深增大而增大,埋深越大,围岩压力分布越离散;且围岩压力沿洞周呈拱肩→拱腰→拱顶→拱脚→仰拱逐渐减小的分布规律;围岩压力有明显的时间效应,一般在隧道开挖后40天左右趋于稳定。研究结论可作为完善隧道结构支护方法及分析围岩压力作用机制的参考。     

岩溶隧道承压隐伏溶洞突水模型试验与数值分析

为研究不同充填水压条件下隐伏溶洞对隧道围岩稳定性的影响,进而揭示溶洞突水致灾机理,利用自主研发的大型三维流固耦合模型试验系统,针对强充填滞后型溶洞突水孕灾模式开展了试验研究,揭示了承压溶洞突水过程位移、应力及渗压的变化规律,综合模型试验与数值计算各自的优势,开展了不同充填水压下(0.4~1.1 MPa)隧道开挖过程流固耦合数值模拟,对模型试验结果进行补充验证。研究结果表明:溶洞影响范围主要集中于一倍洞径范围内,受溶洞影响普通围岩的应力水平及应力释放量均高于隔水岩体,孔隙水压力消散速度较大,位移变化相对平稳;在隧道开挖阶段,随着溶洞充填水压增大,隔水岩体应力释放率越低,渗透压力整体升高,上升梯度逐渐减小,当溶洞水压高于0.8 MPa时,位移出现明显异常;模型试验水压加载阶段真实再现了隔水岩体破裂突涌水过程,研究结果对于岩溶隧道施工过程突水灾害防控具有指导意义。     

考虑围岩性质劣化的深埋软弱隧道破坏机理数值模拟研究

介绍劣化损伤本构模型在FLAC3D中的二次开发流程以及本构模型中软弱围岩力学参数的选取原则。然后利用FLAC3D劣化损伤本构模型对高速铁路客运专线双线深埋隧道(Ⅳ、Ⅴ级别围岩)损伤破坏机理进行数值模拟研究,分析围岩应力场特征从而确定压力拱边界,在此基础上说明深埋隧道围岩受力分区特点;接着对埋深、侧压力系数、围岩级别对受力分区的影响进行数值模拟研究。研究结果表明:FLAC3D劣化损伤模型可以描述深埋隧道开挖损伤区域的损伤程度,揭示深埋隧道破坏机理即深埋洞室围岩稳定性丧失的区域集中在沿最小主应力方向的"楔形"区内;深埋隧道开挖后受力分区:由隧道洞壁往外依次为劣化损伤严重区-压力拱拱体-原岩应力区;埋深、侧压力系数、围岩级别对隧道围岩受力分区范围有很大的影响。     

隧道围岩破坏过程数值模拟方法研究

从理论上分析了隧道围岩渐进性破坏机理,以江西某隧道Ⅴ类围岩为背景,基于离散元理论,模拟了隧道围岩的破坏过程,并与现场结果进行了比较分析,PFC模拟结果与现场基本一致,结合数值计算的结果,提出了围岩动态压力拱的概念,研究成果对隧道塌方事故的预防及治理的研究提供了参考。