侧压力系数对隧道衬砌力学行为的影响分析

利用奥地利岩土工程分析软件FINAL,考虑岩土的弹塑性性能,分析了侧压力系数变化对隧道衬砌力学行为的影响程度.计算中考虑了锚杆的作用和地下洞室开挖时的应力释放问题.结果表明合理变化范围内的侧压力系数对隧道衬砌内力和位移的影响程度在15%左右.     

侧压力系数对高地应力隧道系统锚杆影响分析

高地应力隧道中围岩侧压力是导致围岩发生分区破裂、岩爆及挤压大变形等非线性破坏的原因之一,研究不同侧压力系数下隧道围岩分区破裂的规律有助于合理布设高地应力隧道系统锚杆。本文通过建立全粘结锚杆与围岩相互作用的数值分析模型,基于锚杆中性点理论及隧道围岩分区破裂理论,分析了高地应力下不同围岩侧压力对锚杆中性点及围岩分区破碎的影响,确定高地应力隧道在不同侧压力系数下围岩分区破裂的范围及厚度,根据围岩分区破裂特征,对不同侧压力系数下高地应力隧道系统锚杆的布设给出建议。     

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。     

考虑应力路径的深埋隧道黏弹–塑性围岩与支护相互作用

黏弹–塑性岩体中,隧道的支护反力会随时间增加,致使塑性区内已屈服围岩的应力状态从屈服面上回到屈服面以内。因此,研究隧道围岩与支护结构相互作用的长期力学特性时须先弄清其应力路径。考虑应力路径影响,基于广义Kelvin流变模型和Mohr-Coulomb强度准则,给出深埋隧道黏弹–塑性围岩与支护相互作用的应力、应变及位移的简化计算方法。将高地应力软岩隧道的各种"抗让结合"支护技术归纳为"先让后抗"、"边让边抗"、"先控再让后抗"3类,分别分析3类支护措施对围岩应力路径的影响,并对比研究不同支护措施下隧道黏弹–塑性围岩的变形及支护反力。结果表明,考虑应力路径后计算得到的围岩位移更大。在相同的位移释放量、相同的衬砌支护刚度条件下,采用"先让后抗"的措施,围岩初期变形速率非常大,施加永久支护后,后期增长的支护反力也最大。在高地应力、变形严重的条件(例如初始地应力超过20 MPa)下采用"先控再让后抗"措施是最合适的。隧道开挖后立即施作长锚杆主动支护围岩,不仅可以控制围岩在第一阶段的变形速率,提高第一阶段围岩的稳定性,还可以大幅降低第二阶段永久衬砌的支护力,提高第二阶段衬砌结构的稳定性。在地应力不高、变形不严重的条件下(例如初始地应力低于10 MPa)采用"先让后抗"的措施就可以较好地控制围岩变形,不必采用"先控再让后抗"措施。而"边让边抗"措施适用于2种情况之间(例如初始地应力为10～20 MPa)。此外,黏滞系数较小(较软弱)的围岩开挖后变形速率较大,例如当黏滞系数η分别取2×10~9和1×10~(10) Pa·d时,采用"先控再让后抗"措施后围岩初期变形速率分别为17.6和3.5cm/d。因此,黏滞系数较小(较软弱)的围岩在开挖后必须立即施加较大的支护反力以控制围岩变形速率。     

基于竖向加载法的隧道衬砌受力分析

应用有限元分析手段,采用地层结构法和工程类比法的方法,参照某隧道工程实例,研究了不同初始地应力对隧道衬砌受力的影响,指出在高地应力地区,应用地层结构法加载初始地应力可以较为准确地模拟在相同地应力条件下衬砌的受力情况。     

乌鞘岭隧道F4断层区段监控量测综合分析

乌鞘岭隧道是兰新线重点控制工程，是国内最长的单线铁路隧道。该隧道穿越4条区域性大断层，地质及地应力条件十分复杂，围岩软弱破碎，变形大。针对复杂应力条件下的软岩大变形隧道特点，在F4断层区段施工过程中，严格进行系统、全面、长期的监控量测指导设计施工，以实测的拱顶下沉、水平收敛、锚杆轴力、初期支护围岩压力、初期支护钢架应力、初期支护混凝土应力、二次衬砌接触压力、二次衬砌混凝土应力数据为依托，进行实测数据与施工工序的关系、围岩压力与位移的关系、量测项目稳定值的预测、多量测项目发展趋势相互关系规律、位移的纵向分布规律、荷载侧压力系数、二次衬砌分担围岩压力比例、二次衬砌施作时机等多项综合分析，及时将处理信息反馈给施工，对开挖后的结构稳定性作出分析判断及采取相应措施。实践证明效果可靠，围岩稳定，结构完好，为保证该区段顺利贯通提供可靠的技术保证。     

支护时机对软弱围岩公路隧道力学特征影响的试验研究

为了更全面地了解支护时机对软弱围岩公路隧道力学特征的影响,运用研制的地质力学模型试验简便实用的隧道开挖工具与方法,系统开展了基于先加载后开洞思路的公路隧道模型试验,研究了支护时机对软弱围岩公路隧道围岩压力、衬砌切向应力大小与分布规律的影响。试验结果表明:支护时机对软弱围岩公路隧道围岩压力、衬砌切向应力的大小及分布影响显著;在不同应力场的软弱围岩(原岩弹模为210 MPa)中开挖隧道,当开挖洞径为12 m左右时,200 mm左右的变形预留量是较为合适的。该工况下衬砌的切向应力、围岩压力均较小,而且各位置分布也比较均匀,对衬砌的受力最为有利。在实际工程中应加强监控量测,不断总结经验,尽可能地选择最佳时机支护以达到衬砌受力较小的目的。     

初始水平地应力对高地应力隧道施工稳定性的影响

高地应力是山岭隧道常见不良地质条件之一。文章以某典型高地应力硬岩公路隧道为例,基于有限差分软件FLAC3D,建立三维数值模型,在不同初始水平地应力条件下,对隧道开挖的稳定性进行了研究。结果表明:初始水平地应力的大小对高地应力隧道施工的围岩稳定有显著影响。当初始水平地应力逐步增加时,洞周围岩的最大位移位置从拱顶、拱底向拱腰处转移;隧道拱顶处围岩最小主应力近似呈线性增长;洞周形成的塑性区范围增大,在拱肩处尤为明显;二次衬砌内力均会有所增大,且显著高于非高地应力的一般情况。     

小浪底水利枢纽地下厂房岩体流变与稳定性FLAC3D数值分析

小浪底水利枢纽地下厂房稳定性分析中采用了三维连续介质拉格朗日方法数值分析软件FLAC3D,岩体流变本构关系采用FLAC3D的一个粘塑性模型.介质计算范围为357.10 m×246.44 m×451.50 m,三维网格有44 600个单元,48 705个节点.主厂房支护结构预应力锚索、张拉锚杆、混凝土喷层通过提高锚固范围内岩体的力学参数模拟,尾水管、尾水洞衬砌采用壳单元模拟.根据实际施工过程,将整个岩体开挖划分为7个开挖支护步,各步开挖荷载的施加时间为该步施工时段的中点.初始地应力场竖向应力取上覆岩体自重应力,水平侧压力系数取1.0.根据位移实测数据反分析确定岩体力学指标.竣工后4 a主厂房边墙岩体蠕变速率与收敛计实测结果吻合较好.分析表明,洞室围岩在施工过程中和竣工后长时期内具有良好的稳定性.     

主应力对洞室围岩失稳破坏行为的影响研究

 针对复杂应力环境三向应力状态下地下洞室围岩破坏条件和破裂机制,采用统计损伤理论和数值模拟方法,建立三维非均匀性地质模型,考虑应力的三维效应,引入强度折减法,一方面在保持模型边界条件的同时实现洞室围岩的逐步破坏,另一方面以此定量评价不同应力场中洞室安全稳定状况,探讨不同侧压力系数和轴向应力条件下洞室围岩破坏模式,探究中间主应力对洞室稳定性的影响以及深部岩体分区破裂化现象产生条件和破裂规律等。结果表明,侧压力系数影响洞室围岩初始破裂形成部位和发展趋势;不同的轴向应力使得洞室围岩破裂区域和范围显著不同,在不同的侧压力系数条件下,轴向应力影响洞室稳定的规律存在差异;不同方向中间主应力对洞室围岩安全稳定状况的影响是不同的;当洞室轴线方向与最大水平应力方向平行时,较大的轴向应力会使洞室围岩产生分区破裂化现象,围岩破坏的区域也是拉应变集中的区域等。这些结果对进一步揭示地下洞室围岩非线性变形破坏行为,评价岩土工程安全稳定性,采取合理的支护措施等均具有重要意义。     

软弱夹层对深部地下洞室围岩损伤模式的影响

软弱夹层等不良结构面对深部地下洞室的围岩稳定有着重要影响,应用有限元数值分析系统RFPA对软弱夹层影响下的深部地下洞室围岩损伤演化过程进行了模拟分析,重点研究了软弱夹层的展布位置、地应力大小对洞室围岩损伤区模式的影响.分析表明,有软弱夹层时,地下洞室开挖后围岩应力分布恶化,围岩应力扰动范围增大、相应的损伤区范围增大;地应力越大时,侧压系数的大小更多地主导着洞室围岩的损伤模式.研究成果可望对深部地下洞室选址及施工设计有借鉴意义.     

考虑时空效应的隧道工程黏弹性位移反分析

工程材料受力变形的性态常与时间有关,这类现象一般称为材料变形的黏性效应,材料发生随时间而增长的变形时,如果始终处于弹性受力状态,则称发生的变形为黏弹性变形.结合乌鞘岭隧道穿越F7断层所取得的量测资料,将计算区域内的岩石视为均质各向同性体,初始地应力假设成均匀分布,采用三单元模型和工程实践及三维有限元分析结果,围岩变形规律通过引入位移释放系数考虑测点的时空效应,对有限元黏弹性问题进行优化反演分析,得出围岩区域内的水平侧压力系数和所使用模型中的弹性模量和黏滞系数,为挤压性断层中隧道的支护设计、施工组织提供可靠的依据.     

初始地应力场对钻爆开挖过程中围岩振动的 影响研究

采用动力有限元方法,通过分析爆破过程中开挖边界上初始地应力的高速(动态)卸载过程,研究了初始地应力场对围岩振动的影响.研究结果表明,爆破开挖过程中,在地应力较大的方向上动态卸载振动较大,因而此方向上围岩总体振动值也较大;且侧压力系数越大,影响越明显;同时,初始地应力场对爆源中远区的围岩振动值影响较近区显著,这是因为虽然在爆源近区爆炸荷载所诱发的振动比地应力动态卸载所诱发的振动大,但前者的峰值衰减速度比后者振动要快的多,故在爆源中远区,地应力卸载振动在围岩总体振动中占据主导地位.正在施工的瀑布沟水电站地下厂房处于花岗岩山体中,施工区地应力值约为20 MPa.利用小波变换突出信号奇异点的特性,并采用小波模极大值方法,识别了该地下厂房开挖过程中实测围岩振动曲线的地应力动态卸载振动到达时间;初步分离了围岩总体振动中的地应力卸载振动,对数值模拟结果进行了验证.     

软弱围岩隧道掌子面挤出变形特征分析

软弱围岩在隧道工程中经常遇到,它的空间大变形特征受台阶长度、台阶高度、工法及地应力水平等条件的影响。结合兰渝铁路两水隧道现场监测和数值模拟相结合的方法对软弱围岩隧道的空间变形特征进行了详细分析。研究结果表明:围岩越弱掌子面纵向挤出变形大小及变形速率越大,掌子面挤出变形受上台阶断面开挖高度和围岩级别影响较受台阶长度影响显著;在洞周先行变形中,拱顶下沉较水平收敛更加明显;初始地应力场应力水平增高,隧道掌子面挤出变形会大幅增加。研究结果可为指导隧道的施工和设计提供有效依据。     

连拱隧道施工台阶错距对围岩影响分析

隧道开挖必然扰动或破坏天然岩体相对平衡状态的初始地应力场,从而在一定范围内引起地应力的重新分布,并且导致岩体发生变形。连拱隧道开挖、支护和衬砌施工相互交错影响,使得围岩应力和衬砌荷载转换变得更为复杂。结合云南大中山1号连拱隧道施工情况,利用MIDAS/GTS软件建立了隧道三维数值模拟计算模型,对连拱隧道V级围岩采用中导洞-台阶法开挖,不同台阶错距对隧道围岩受力状况及变形位移进行了模拟分析。结果表明,当浅埋侧主洞先行,上下台阶开挖错距为0.5D时,围岩受力及变形量较小。     

成兰铁路地应力分布特征及工程影响评价

通过对成兰铁路沿线地质构造特征及32个深孔186个测段的地应力数据资料的分析,按构造单元总结地应力方向及量值分布规律,得出其与新构造格局存在很强的力学相关性,具有同一块体内地应力相对均匀,块体边缘地应力受断裂影响发生方向偏转及侧压力系数增长;进而结合工程特点分区确定地应力计算参数,并评价其对隧道围岩稳定性、软岩大变形、岩爆等影响。     

基于硬脆性岩体剥落性状的初始地应力场评估

处于高地应力环境的硬岩工程,由于开挖扰动导致围岩应力环境变化,进而发生脆性剥落破坏。线性工程沿洞线地应力场分布受到各种因素的影响,判别沿线地应力分布规律对于施工安全和衬砌支护设计具有重要意义。在介绍初始地应力分布统计规律的基础上,对地下洞室轴线与初始地应力场排布不同组合情况下,围岩二次应力场及偏应力分布规律进行了模拟研究。基于硬脆性岩石破坏准则,推导了考虑硬脆性围岩破坏宏观表征的洞轴平面初始应力场求解公式,对所推导的公式进行了工程验证,结果比较吻合。研究结果可为深埋硬岩隧道工程初始地应力场量值判别及工程支护设计提供一定的借鉴和参考。     

“红层”软岩隧道进口段CRD法数值模拟及现场实测研究

受岩体赋存条件、隧道设计和施工方案等因素的共同影响,软弱围岩在隧道开挖应力重分布过程中较易发生塌方破坏,尤其是在隧道洞口段部分。本文结合具体工程实践,对软岩隧道进口段CRD法施工过程进行了非线性数值仿真模拟和现场实测分析,在此基础上开展了隧道围岩和支护结构的施工力学行为和变形性状的研究。研究结果表明:(1)由于隧道围岩较为软弱,隧道施工对周边围岩变形影响较大,纵向约2倍洞径、横向一倍洞径为施工的强烈扰动区域,施工时应加强支护;(2)隧道施工后,拱顶处围岩应力由于围岩变形释放使得其值大幅度减小,而拱腰处岩体应力上升,并出现塑性破坏,故在实际施工时应对该部位加强支护;(3)采用CRD法施工后,实测围岩变形在隧道开挖约20天后趋稳,而围岩压力、钢拱架和初期衬砌受力均在隧道开挖后的前10天内受力增幅最为明显,之后才逐渐趋稳。     

高地应力隧道围岩分级BQ-hg法的研究及应用

随着大量深埋越岭隧道的修建,高地应力问题对于围岩分级的影响越来越大。公路隧道设计规范中的围岩分级BQ法对于初始地应力影响的折减系数K₃仅从高地应力和极高地应力两个方面进行考虑,而对于高地应力情况下影响围岩稳定的岩爆和大变形情况未加以区分和细化,从而造成BQ法在高地应力段特别是岩爆和大变形段的分级适应性较差。本文针对BQ法对于初始地应力折减系数K₃该方面考虑不足的缺点,将高地应力情况的岩爆和大变形对围岩质量的影响引入围岩分级中,采用强度应力比值将岩爆烈度分为四个等级、大变形分为三个等级,各个等级对应相应的折减值,从而形成岩爆段和非岩爆段的初始地应力折减系数值K₃¹,以及大变形段和非大变形段的初始地应力折减系数值K₃²,再以BQ法为基础建立了高地应力条件下的围岩分级BQ-hg法。通过对BQ-hg法进行围岩分级应用检验,其分级准确率较高,适应性较好,值得进一步完善和推广。     

浅埋破碎围岩特大断面施工力学特征与安全分析

在破碎围岩条件下,特大断面隧道采用台阶法开挖易产生塌方和大变形等问题。文章依托实际工程,针对浅埋破碎围岩条件下特大断面隧道台阶法开挖进行三维受力分析,模拟台阶法施工的各个阶段,分析各个阶段衬砌的受力变化,得到了横截面上隧道衬砌危险部位安全随台阶法施工的变化。运用断裂力学中的格里菲斯强度理论,从主应力角度分析了隧道衬砌整体开裂系数随台阶法施工步的变化。同时结合现场部分应力数据以及内部围岩挤压数据,分析大断面软弱围岩条件下台阶法施工的可行性。分析和实测皆表明,在浅埋软弱围岩条件下特大断面隧道台阶法施工是可行的。