特殊地质区域海底隧道长期稳定性研究

根据F4风化槽强风化花岗岩的三轴流固耦合试验以及三轴流变试验成果,建立Mohr-Coulomb模型来描述风化槽岩石的弹塑性硬化及塑性流动行为,采用Nelder-Mead最优化方法得到力学模型各参数。应用三轴流变试验建立强风化花岗岩的非线性流变模型并拟合相关流变参数,在此基础上将流固耦合流变模型编制Creep子程序嵌入到ABAQUS软件。通过现场反演证明试验所得模型与参数可以很好地描述实际的情况。根据反演的围岩力学参数,模拟海底隧道F4风化槽段(ZK8+900m)隧道结构的长期稳定性,为海底隧道的设计和运营管理提供理论依据。     

海底隧道风化囊围岩-支护系统相互作用的流变时效研究

厦门海底隧道工程穿越四条断层破碎带,破碎带处洞体围岩软弱、破碎,岩石主要为风化破碎类花岗岩,其流变时效属性非常显著。通过对风化破碎类花岗岩试样进行流变试验研究,建立适合风化囊围岩特点的流变力学模型;再在考虑围岩流变时效的基础上,采用有限元数值模拟方法,开展风化囊围岩-支护系统的相互作用研究。研究表明:松散破碎岩体的流变时效作用明显,在隧道的设计施工中必须计入粘性蠕变的影响;风化囊区段的隧道二衬厚度采用60cm是合适的,不宜再过分增厚;为确保工程安全,开挖后立即施作初期支护,紧跟施作二衬支护。最后,阐述了围岩变形速率比值判别的施工变形控制方法,在判据认定的险情区段,必须实时加固,避免塌方。     

厦门海底隧道强风化花岗岩力学特性研究

 厦门海底隧道海域隧道地段存在多处风化深槽,岩体主要为全、强风化花岗岩。由于该类岩石强度低,压缩性高,自稳和自承能力差,在隧道衬砌结构的设计和施工工艺的选择方面会遇到一系列特殊的问题。主要通过对天然和重塑强风化花岗岩岩样进行一系列的室内试验,在掌握其基本物理力学特性的基础上,重点对其流固耦合作用下的力学特性进行研究,并建立该类强风化花岗岩的力学模型,通过反演分析对力学模型进行验证。研究成果对风化花岗岩类工程的力学参数取值有重要借鉴意义,对该类岩体中隧道的设计施工具有指导作用。     

厦门翔安海底隧道中风化槽地段施工工法

厦门翔安海底隧道是我国大陆地区第一座大断面的海底隧道。隧道所处地质条件复杂,海域地段存在多处风化深槽,岩体主要为全、强风化花岗岩,岩体强度低、自稳能力差。介绍了F3风化深槽地段的施工总体方案,重点阐述风化槽的注浆工艺和开挖支护方法。     

大梁隧道软岩大变形及其支护方案研究

针对大梁隧道工程地质特点,开展隧洞开挖后围岩大变形现场监测与分析,得知隧洞变形具有变形速度快、持续时间长和变形量大的特点,最大下沉量可达55 cm,最大变形速率为1.69 cm/d。通过开展岩石试样单轴、三轴压缩破坏试验,采用广义Hoek-Brown准则,确定岩体常规弹塑性力学参数;结合隧洞变形监测数据,将隧洞围岩视为具有弹塑性流变行为的连续介质,采用经验流变模型,开展有限元反演分析,得到岩体流变力学参数。根据数值仿真结果,分析隧道围岩位移、应力及损伤区分布规律,从而为支护方案修改设计和参数调整提供依据。在上述研究基础上,应用新奥法施工力学原理,提出加大预留变形量,拱顶超前注浆加固围岩,打拱脚长锚杆控制拱架整体下沉,并采用钢拱架(拱架之间采用型钢连接)+锚杆+钢筋网协同支护,构成软岩大变形洞段联合支护方案,成功解决了大梁隧道破碎、软弱围岩地段的施工与支护难题,经施工后巷道稳定性良好。     

黏塑流变本构模型力学参数辨识研究

伴随着各种复杂地质条件,大型地下洞室围岩流变特性与其长期稳定性密切相关,流变本构模型是认识围岩流变力学特性非常重要的一个方面。流变本构模型力学参数是流变本构模型准确应用的一个首要条件。本文主要开展了三个方面的工作:(1)研究推导了岩体黏塑流变本构模型,对其力学参数进行了理论分析;(2)对砂岩进行了不同围压下瞬时三轴压缩试验和三轴流变压缩试验,得到了砂岩相关试验数据,其可以较好的反映砂岩的瞬时力学特性和流变力学特性;(3)基于不同围压下瞬时三轴压缩试验和三轴流变压缩试验,结合改进粒子群优化算法,对流变本构模型的力学参数进行了拟合优化,得到了不同围压下整体流变力学参数。与试验数据对比发现,拟合得到的流变模型力学参数可以较好的反映岩体的流变力学特性,可以为流变本构模型实际应用提供参考。     

跨海峡隧道风化槽围岩衬砌防排水技术研究

 采用钻爆法修建海底隧道必须采取有效措施预防塌方、涌水、突泥等地质灾害,海底隧道钻爆法施工时如何安全穿越断层破碎带是工程设计与施工的技术难点。结合厦门跨海峡隧道围岩的特点,研究钻爆法穿越断层破碎带的注浆加固、防排水技术,提出不同围岩条件下的隧道防排水和注浆设计方案。并根据实验室三轴试验结果得到强风化花岗岩渗透系数以及反演的围岩力学参数,分析风化槽隧道衬砌的外水压力分布特点和量值。研究成果为衬砌结构设计以及国内同类型隧道的衬砌防排水和衬砌支护技术设计提供可靠指导。     

昔格达地层隧道变形特性曲线及变形机理研究

昔格达地层隧道围岩开挖后易风化,遇水即泥化等性质严重影响成昆线复线的快速安全施工,因此展开对昔格达地层隧道围岩变形特性曲线及其变形机理等研究具有一定的现实意义。文中通过现场调查,物理力学试验,现场监测,数值模拟和理论研究等手段对昔格达地层隧道变形特性进行深入研究。研究结果表明：昔格达地层隧道主要发生拱顶大变形、水平收敛大和仰拱突泥隆起等,围岩呈现中厚层状、互层状和薄层状等水平层理发育;含水率对昔格达地层隧道围岩的力学性质影响很大;黄色砂岩夹页岩围岩试样压缩模量最小;含水率对灰色页岩夹砂岩围岩试样的黏聚力影响最大,对浅灰色页岩夹砂岩围岩的内摩擦角影响最大;拟合现场监测和数值模拟下的变形特性曲线,得到昔格达地层隧道开挖围岩变形全过程曲线：开挖初期缓慢变形,开挖中期急剧变形,开挖中后期变形减缓和开挖末期变形稳定;同时推导出在弹性、塑性和松动区状态下的昔格达地层围岩变形公式,得到弹塑性昔格达地层围岩变形特性曲线以及四个阶段昔格达地层隧道各部位变形松动区轮廓。最后从力学变形本构模型、物理和化学等角度对昔格达地层隧道围岩变形的力学机理进行分析。     

深埋绿泥石片岩变形特征及稳定性分析

根据锦屏二级水电站绿泥石片岩的特点,在同一断面综合采用变形、应力和钻孔电视多种监测手段,分析围岩内部的力学状态。为了更加深入地认识绿泥石片岩的工程力学特性及其对变形破坏机制的影响,开展单轴和三轴压缩试验、灌浆渗透性试验和三轴流变试验,揭示绿泥石片岩变形、破坏和失稳的多方面原因,并为支护措施的确定提供参考意见。绿片岩洞段的围岩稳定主要取决于衬砌结构能否抵挡流变和遇水软化2种作用导致的挤压效应,通过引入软化系数和退化的Burgers流变模型,从衬砌结构的受力角度对围岩稳定性进行评价,数值计算结果表明衬砌结构具有相当高的安全裕度。     

强风化千枚岩地层隧道开挖方法的数值分析

采用有限差分法对某隧道出口段强风化千枚岩地层中拟采用的传统三台阶七步开挖法与新三台阶七步开挖法的施工过程进行了数值模拟。通过对相应施工方法下隧道围岩发生的变形和支护结构内力的对比与分析,结果表明新三台阶七步开挖法更有利于控制隧道施工期间所引起的围岩变形,可适合于强风化千枚岩地层中隧道出口段的施工。     

硬脆性岩石卸荷流变特性及拟合回归分析

通过开展花岗岩室内三轴卸荷流变试验,研究硬脆性岩石的卸荷流变力学特性、变形特征及破坏特征,分析岩石的破裂机制。结果表明,改进的Mohr-Coulomb强度准则能够较好地描述岩石卸荷流变破坏强度特性,改进的对数型卸荷蠕变方程能够有效地反映和预测硬脆性岩石的卸荷蠕变变形特征。研究成果旨在为硬脆性岩石的卸荷流变力学特性研究提供借鉴。     

软岩蠕变理论及其工程应用

地下工程的施工经常遇到软岩。这类岩体抗压强度较低，具有明显的流变特性，蠕变变形量较大，常造成支护的失稳和破坏。在分析地下工程的稳定性或对地下结构设计时，应充分考虑这一特性，按流变力学理论进行分析和设计。通过现场取样，采用自行研制的重力杠杆式岩石蠕变试验机，并配备三轴压力室，对泥岩进行了三轴蠕变试验。试验结果表明，泥岩的蠕变具有非线性。根据试验结果，建立了泥岩的非线性蠕变方程。根据上述非线性蠕变方程，分析了围岩的应力场和位移场，并对不同支护强度和应力状态下的蠕变变形进行了系统的分析。理论研究结果表明，控制围岩过量蠕变变形的根本途径是改善围岩应力状态，适当提高锚杆或锚索的初始预应力，从而为有效控制深部开采时围岩的有害变形提供了理论依据。     

大断面黄土隧道施工工法优化研究

针对某大断面黄土隧道修建过程中开挖施工引起变形收敛值大、无法保证围岩稳定的问题,提出了改进的三台阶七步开挖法施工工序,并借助ABAQUS开展数值模拟,分析了开挖过程的力学特性,保证了大断面黄土隧道围岩的稳定性。     

厚层堆积体隧道洞口施工力学特性研究

结合飞仙关隧道洞口段覆有厚层松散堆积体的工程实际,运用FLAC~(3D)软件建立有限元数值模型,模拟在不同厚度堆积体下施工对围岩变形和力学特性的稳定性影响。通过对堆积体厚度分别为35、40、45 m~3种工况下初期支护轴力、围岩应力和隧道关键点位移对比分析,得出堆积体厚度对洞口施工力学特性有很大影响,3种工况中厚度为40 m时,隧道开挖对围岩的扰动性最小。     

浅埋富水全风化花岗岩公路隧道塌方数值模拟分析

依托云南景洪—勐海高速公路建设工程,研究浅埋富水全风化花岗岩公路隧道施工灾害问题.利用FLAC3D建立数值模型,根据强风化花岗岩劣化模型,计算得到受隧道开挖扰动影响,拱顶上方围岩产生微裂隙形成渗水通道,导致围岩劣化,全强风化花岗岩具有浅埋、富水、自稳能力极差,遇水流塑性强,施工扰动作用下围岩液化现象明显等特点,若支护不...     

片麻状花岗岩热黏弹塑性损伤蠕变模型及应用研究

随着地下工程开挖深度的增加,高地温和高地应力将导致岩石产生显著的蠕变变形,为保证地下洞室的施工和运行安全,研究温度-应力耦合作用下岩石蠕变力学特性具有十分重要的作用。以新疆齐热哈塔尔水电站引水隧洞高温段的片麻状花岗岩为研究对象,通过不同温度和应力作用的三轴蠕变试验,获得了考虑不同温度影响的片麻状花岗岩的蠕变变形规律。基于蠕变试验成果,提出了考虑热力耦合作用的热黏弹塑性损伤蠕变模型,建立了片麻状花岗岩的热黏弹塑性损伤蠕变本构关系,推导了其一维和三维热黏弹塑性损伤蠕变方程,有效反演获得岩石的蠕变力学参数,揭示出典型高、中、低应力状态下温度对片麻状花岗岩蠕变特性的影响规律,研究成果为工程长期稳定性分析提供了重要理论依据。     

隧道各向异性软岩力学参数反演及蠕变研究

在高地应力条件下具有层理构造的横观各向同性软岩中开挖隧道后,软弱围岩会发生显著的流变变形,直接影响隧道围岩的稳定性及支护结构的长期服役性能。采用数值模型模拟木寨岭隧道大战沟斜井试验洞的开挖蠕变过程,建立并验证了隧道宏观变形特征值与围岩力学计算参数之间的BP神经网络。在此基础上根据6+90试验洞现场变形监测数据,反演得到了该处炭质板岩的塑性及蠕变力学参数。应用另两处监测断面的现场监测曲线验证了基于BP神经网络的反演方法及所得炭质板岩力学参数的可靠性。另外分析了横观各向同性炭质板岩的开挖蠕变力学变形性质,对高地应力条件下横观各向同性软弱围岩中隧洞开挖及支护结构的设计、施工具有重要的指导意义。     

隧道软弱围岩挤压大变形非线性流变力学特性研究

 讨论高地应力条件下隧道软弱围岩发生挤压大变形的复杂力学行为,将挤压大变形归属为变形速率快而收敛速率慢的非线性流变变形范畴。在分析挤压大变形流变力学机制的基础上,分别提出非线性二维黏弹塑性本构模型和大(小)变形三维弹黏塑性本构模型,并进行相关专用程序的研发。运用所研发的材料子程序,对相关流变模型进行理论分析,就乌鞘岭铁路隧道软弱围岩施工开挖大变形问题进行工程应用研究。     

厦门岩内隧道长期稳定性分析

软岩隧道围岩蠕变特性会对隧洞的长期稳定性产生重要影响。以厦门岩内隧道为研究对象,对取自现场的全风化花岗岩进行了一系列三轴蠕变试验研究,建立了适用于该岩石的幂指数蠕变模型,通过对试验数据的分析得到了隧道围岩的蠕变参数。将全风化花岗岩蠕变模型嵌入到有限元程序中,对岩内隧道的长期稳定性进行了分析。结果表明,由于围岩的蠕变特性,隧道建成2年内围岩的变形较大,但逐渐趋于稳定。隧道运营10年后,围岩变形导致的衬砌破坏区主要集中在拱脚部位,面积较小,不会对隧道的长期稳定性产生影响。     

热–水–力耦合作用下结晶岩渗透特性演化模型

在热力学框架下,采用细观力学方法,建立热–水–力(THM)耦合条件下低渗饱水结晶岩的各向异性损伤模型,考虑非等温条件下微裂纹水压力作用、法向刚度恢复以及滑动剪胀等细观力学机制对岩石宏观力学性能的影响。在此基础上,采用均匀化方法,建立各向异性损伤诱发的岩石有效渗透特性演化模型,指出损伤岩石有效渗透特性下限估计模型的局限性,进而给出可反映损伤演化过程中微裂纹连通性等细观结构特征的岩石有效渗透特性上限估计模型。采用三轴压缩过程中花岗岩的渗透率变化、高温热处理后花岗岩的单轴压缩性能、TSX巷道开挖产生的围岩损伤与渗透率变化等室内外试验成果对模型进行验证。