考虑围岩结构特性的黄土开挖隧道稳定性分析

依托油坊沟黄土隧道工程,对其围岩黄土进行了土工试验,建立了黄土结构性参数与围压、含水率、变形之间的函数关系,并提出了结构性参数与强度参数间的数学模型。最后通过有限差分软件FLAC3D将结构性参数引入到黄土隧道分析中,揭示了围岩结构对黄土隧道开挖稳定性的影响机理。研究表明:(1)结构性参数与黏聚力呈双曲线关系,但摩擦角对其影响较小;(2)考虑黄土结构变化时隧道开挖变形值与实测数据吻合更好,说明在结构性黄土隧道分析中应考虑结构性的影响。     

基于围岩位移控制的超大断面黄土隧道施工方法研究

为了确定超大断面黄土隧道的最优施工方法,考虑隧道衬砌结构和土体的弹塑性本构关系,利用有限元软件——ANSYS,采用6种施工方法(CD法、CRD法、单壁导坑法、双臂导坑法、预挖开挖法和预留开挖法)对超大断面黄土隧道进行了数值仿真。通过对围岩控制点位移的对比分析可知:对于超大断面黄土隧道的施工,CRD法为最优施工方法;施工中加临时支撑时,中部临时支撑对于围岩稳定性具有较大影响,临时支撑拆除前后隧道围岩的塑性等效应变均增加了约20%。     

土体含水率对黄土隧道施工过程稳定性的影响

第四系黄土隧道因围岩整体性较差,在开挖施工过程中往往容易造成掉块、塌方等现象。本文通过对黄土隧道土体含水率与围岩稳定性的关系进行研究,得出土体含水率在10%-11.6%时开挖后围岩最稳定、变形量最小这一结论,可通过隧道开挖施工过程中快速检测含水率及时调整循环进尺和预留变形量,从而加快施工进度和节约施工成本。     

泥岩的峰后软化力学模型

为了研究泥岩在隧道开挖过程中的峰后应变软化特性,基于泥岩的三轴压缩试验曲线,建立考虑应变软化特性的泥岩弹塑性本构模型,使用ABAQUS及其子程序分别对泥岩的三轴压缩试验和泥岩隧道开挖进行数值模拟。模拟结果表明,该本构模型能够正确反映泥岩的峰后应变软化特性,泥岩在低围压下有明显的应力跌落现象,并随着围压的升高,应力跌落现象逐渐消失。在泥岩隧道开挖的围岩稳定性分析中,科学合理地根据围压考虑应变软化现象对隧道的开挖、支护及监测具有指导意义。     

黄土连拱隧道施工方法模型试验研究

利用公路隧道结构与围岩综合试验系统,对南关黄土连拱隧道施工进行相似模型试验,研究了黄土连拱隧道围岩在隧道施工中的位移发展过程、隧道围岩的最终位移及围岩的稳定性;试验结果表明,小洞径的黄土隧道自稳能力较强,随着开挖跨度的增加,洞周位移增加较快。     

深埋隧道软弱围岩稳定性分析及其锚固控制研究

近年来,随着我国地下基础设施的蓬勃发展,进入大规模地修建地铁项目阶段,城市之间的高铁项目如火如荼地建设中,同时采矿工程不断深入和大型水利工程的修建等。在这些建设过程中,常出现开挖后围岩的失稳破坏而发生塌方,特别是深埋条件下具有强度低、大变形特点的围岩失稳问题尤为突出。因此,开挖后软弱围岩稳定性分析及其加固控制对隧道工程设计和安全施工具有重要的意义。目前,对围岩的力学理论及应用研究取得了一定的成果,但是仍然跟不上现有的隧道工程建设,出现了理论研究明显落后于施工经验的局面,导致频频发生工程事故,究其原因是对开挖隧道后围岩变形特性的认识不足,缺乏及时加固控制的意识。本研究针对这些问题,以开挖隧道后围岩的塑性区力学状态和位移变形为基础,采用理论分析、室内试验和数值模拟等相结合的方式系统研究了开挖隧洞后围岩变形破坏的力学本质,揭示了围岩破坏后塑性区内的力学参数和位移的演化过程,探讨了深埋隧道围岩破坏的渐进性过程及锚杆锚固机制。完成的主要研究工作和成果总结如下:(1)从隧洞开挖后周边围岩的应力状态发生内力重分布为出发点,提出了应变软化模型下围岩的弹塑性有限差分解法,比较不同方法计算结果验证该方法的正确性,参数分析结果表明:剪胀特性对隧道洞壁处围岩的位移和塑性区半径影响较大,需要重点考虑岩体的剪胀性;临界软化系数对围岩的塑性区半径和残余区半径的影响较大;H-B屈服准则中"a"强度参数对判断围岩的稳定性具有重要影响,在计算过程中谨慎取值,建议采用广义H-B屈服准则;基于圆筒理论的弹性应变公式,同样适用于开挖隧道后应变软化围岩的稳定性分析中。(2)针对围岩的剪胀性和应变软化随围压变化的特性,根据剪胀性和应变软化是否考虑围压变化,建立不同的剪胀模型组合,探究了不同质量岩体的力学参数对塑性区围压变化的依赖性。研究结果表明,根据不同质量岩体塑性区内的力学参数对围压的依赖性不同,由于质量较好岩体的围压依赖性较低,建议采用剪胀角和临界软化系数均为固定的剪胀模型,但是质量较差岩体的围压依赖性较强,建议采用剪胀角和临界软化系数均随围压变化的剪胀模型。(3)基于统一强度理论,考虑中间主应力对应变软化围岩稳定性的影响,揭示了中间主应力对围岩特征曲线、纵向位移曲线和塑性区内非线性剪胀性的影响规律。结果表明,围岩稳定性研究的力学模型对分析结果影响较大,弹塑性模型未考虑围岩材料强度的弱化,计算结果偏小,不建议采用;中间主应力可以有效抑制塑性区半径和隧道洞壁处位移的发展,充分发挥围岩承载潜力,不考虑中间主应力效应的莫尔库伦强度准则,计算结果保守,可适当考虑围岩的承载潜力,而双剪强度准则计算结果偏小,不建议采用;纵向塑性发展上,考虑中间主应力的围岩在隧道掘进方向上的位移收敛速度增加,可以适当推迟支护结构施加的时间;对于塑性区内剪胀角变化的影响,中间主应力系数和临界软化系数分别体现在剪胀峰值和剪胀角的变化率上。(4)通过室内模型试验和FLAC3D数值模拟,再现了开挖隧洞后毛洞,施加短锚杆和长锚杆工况下IV级围岩的渐进性破坏过程和研究了锚杆对围岩的锚固效应。开挖隧洞后围岩的渐进性破坏顺序是边墙处的围岩首先发生剪切破坏,随后拱腰处剪切破坏,最后拱顶塌陷破坏;施加锚杆后的围岩,特别是拱顶部分围岩由于锚杆的加固作用形成了"加强梁"的作用,使得拱顶所能承受的最大沉降及其破坏荷载显著增加;锚杆的长度需要穿过拱顶塑性松动区(塑性残余区),否则,被锚固的围岩与上部未被锚固的围岩之间存在"分层"现象;锚杆可以显著改变围岩内部径向应力,表现在锚杆末端处围岩的径向应力增加。(5)锚杆通过与围岩之间的相互作用,其末端的锚固段将洞壁附近拉拔段的围岩"紧箍"起来使得洞壁处周边围岩变形减小;锚杆两端剪应力较大,特别是锚杆末端,应防止锚杆末端的剪应力较大超过砂浆与锚杆之间剪切强度而发生脱落;锚杆施作时机对锚杆应力分布和围岩变形控制影响较大,需要及时施作锚杆以达到较好的锚固效果,以免无效锚固;锚杆对具有大变形和弹性模量小的软弱围岩锚固效果较好,而对质量较好、弹性模量较大的硬岩锚固效果并不显著。     

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。     

郑西客运专线富水黄土隧道防排水技术

位于富水地层中的隧道,施工期间的防排水措施一直是工程界的难题.如果处理不当,会造成土体软化和泥化,导致地基土承载力降低和变形加大,对隧道结构极为不利.以铁道部科技研究开发计划重大课题为依托,结合郑西客运专线张茅隧道的短台阶七步开挖法,提出了"封闭开挖面、明流集中引排、保护地基土、喷射混凝土早强"的防排水措施.现场试验表明,该措施有效减缓了富水黄土围岩的渗水,保护了黏性土围岩,减轻了拱脚和隧底土体的软化程度和范围,减小了富水黄土围岩的沉降,保障了隧道施工的安全.     

大厚度湿陷性黄土隧道现场浸水试验研究

对于穿越大厚度湿陷性黄土地层的隧道,其围岩湿陷变形会威胁隧道结构的稳定性。为了分析黄土围岩湿陷变形对隧道衬砌结构的影响机制,选取典型大厚度湿陷性黄土隧道场地,通过开展隧道场地地面浸水试坑试验及隧道仰拱浸水试验,测试了地面入渗和隧道基底入渗过程中不同埋深地层的湿陷沉降变形及地基的沉降变形、入渗过程中围岩的体积含水率变化分布、试坑周边地层的侧向位移、衬砌结构接触压力和轴力,研究了既有隧道黄土地层的湿陷变形特性及水分运移规律、隧道结构力学响应。结果表明,隧道开挖、衬砌作用扰动黄土结构,增大了围岩及深层黄土的渗透性;与天然黄土场地试坑浸水入渗比较,增大了竖向浸水范围,减小了水平向浸水范围。隧道围岩湿陷变形改变了围岩与衬砌结构的相互作用性状。围岩湿陷和地基软化作用增大了二次衬砌结构侧墙竖向荷载和侧墙围岩的挤压作用,引起拱脚地基承载力减小和沉降变形发展,拱顶、拱肩接触面呈受拉状态;仰拱中部地基土的抗力作用抑制其沉降变形,从而使得拱脚和仰拱中部出现显著的沉降差,导致仰拱混凝土开裂,形成纵向裂缝。此外,浸水范围内黄土的湿陷变形不仅引起竖向沉降变形,还会引起周围土体产生侧向水平位移;洞口边坡场地黄土的湿陷性和地层湿陷变形差异较大,反映了黄土山岭黄土场地地层条件复杂多变的特征。     

隧道围岩稳定性的工程地质判别方法

由于围岩稳定性决定了隧道支护方法和开挖方式,因此正确合理评价围岩稳定性,对隧道设计施工合理性和运营安全性都起到重要作用.围岩稳定性受众多的因素影响,但稳定性评价主要以围岩性质及强度、围岩结构及结构面特征、初始地应力场、地质构造及地下水为指标.文章在分析稳定性评价指标的影响机理基础上,以某公路隧道为实例,通过勘测资料和现场开挖围岩揭露,以工程地质判别方法从围岩岩性、结构面特征等方面对围岩开挖稳定性进行了评价.     

湿陷性黄土隧道的工程性质分析

黄土隧道往往具有特殊的湿陷性黄土围岩和干旱半干旱气候地区特殊的地形地貌及地质环境,对隧道结构构成了潜在的不利影响。在对湿陷性黄土隧道修建和运行中工程特性认识的基础上,首先,根据地形地貌、地层结构、侵蚀发育、地下水条件和黄土浸水水源,进行了隧道的岩土环境等级和浸水等级划分,以及湿陷性黄土隧道的环境等级划分。其次,给出了隧道黄土地基湿陷变形量的计算分析方法,依据黄土地基湿陷变形不均匀沉降对衬砌结构的作用影响,以及列车运行对路基沉降变形的控制标准和建筑地基湿陷变形对结构的作用影响,确定了隧道湿陷性黄土地基等级的划分标准。最后,考虑到现行《湿陷性黄土地区建筑规范》适用的局限性,结合湿陷性黄土隧道的工程特点,针对隧道施工过程中围岩稳定性和湿陷变形对衬砌结构影响的两个重要问题,相应的提出了隧道地基湿陷性变形的评价方法和围岩压力的确定方法;由竖向压缩应力系数确定湿陷压缩应力,结合试验得出的湿陷系数计算隧道下地基土在实际压缩应力条件下的湿陷变形量。在考虑黄土结构性的条件下,利用太沙基公式计算隧道围岩压力,得到了围岩压力随黄土构度的变化关系。     

黄土深埋大直径盾构隧道围岩压力研究

为研究黄土深埋大直径盾构隧道围岩压力,引入黄土的结构性参数对芬纳公式进行修正,基于围岩与衬砌间的相互作用关系求解了围岩塑性区半径表达式,给出了黄土深埋大直径盾构隧道围岩压力的计算公式。并以某黄土深埋大直径盾构隧道为例,分析了应力比结构性参数对围岩压力的影响,并将三维有限元数值计算与理论分析结果进行了对比。结果表明,围岩塑性区半径和作用在管片结构上的围岩压力随着应力比结构性参数减小在不断增大;盾构掘进后围岩压力的最大值与黄土结构性参数为1时的围岩压力理论计算值比较吻合,盾构施工扰动会导致黄土结构性减弱。最后给出了黄土盾构隧道施工与管片设计的建议。     

帷幕注浆加固法在高含水率黄土隧道中的应用

隧道穿越高含水率黄土地层极易引发掌子面涌泥失稳、支护沉降变形大等风险,施工掘进难度大,进度极为缓慢。为解决高速铁路隧道穿越富水黄土地层时出现的各种病害,依托在建宝兰客专上庄隧道施工中的实际情况,采用帷幕注浆加固技术对高含水率黄土地层进行治理,通过超前地质预报地质雷达法及数值模拟等方法对注浆加固效果进行详细评价。结果表明:注浆加固体能够有效阻断地下水的涌渗流,浆液结石体固结强度高,围岩整体稳定性好,未发生涌水、涌泥、掉块、坍塌等现象;注浆后断面初期支护受力状况得到有效改善,隧道围岩塑性应变值得到有效控制。可见,帷幕注浆技术加固效果良好,对于快速、高效地通过高含水率黄土地层具有显著的工程价值。     

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。     

复杂地质条件下大埋深隧洞衬砌与围岩协同作用#br# 物理模型试验研究

围岩-支护协同作用是地下工程支护结构设计的核心问题,关乎着地下工程建设的成败。为揭示深埋隧洞围岩与支护结构协同作用机理,以滇中引水最大埋深约1512m的香炉山隧洞为研究背景工程,首次开展复杂地质条件下深埋隧洞衬砌与围岩协同作用真三维地质力学模型试验,真实再现隧洞开挖与支护的施工全过程。模型试验研究表明：1）不同地质条件下隧洞围岩的应力释放过程不同,硬岩隧洞围岩应力释放速率先慢后快,软岩隧洞应力释放速率先快后慢;2）不同地质条件下隧洞衬砌与围岩接触压力的分布形式不同,硬岩隧洞最大接触压力位于拱肩,软岩隧洞最大接触压力位于拱顶;3）衬砌与围岩协同作用包括两种应力释放机制、3个施工阶段和4种承载状态;4）不同地质条件下隧洞衬砌施作后围岩和衬砌承担的荷载比例不同,硬岩隧洞围岩平均承担约85%的荷载,衬砌约承担15%的荷载,软岩隧洞围岩平均承担约25%的荷载,衬砌承担约75%的荷载。     

改进的CRD工法在暗挖隧道施工中的应用

在莞惠城际暗挖隧道施工中对传统CRD法进行改进,通过对改进后的CRD法施工中围岩变形的监控量测数据进行分析,这种施工工法既可以有效控制围岩的变形,并且可以在一定程度上加快施工进度,节约成本,是一种值得推广应用的隧道施工工法。     

双向八车道连拱隧道施工方案优化分析

 利用有限元计算法对双向八车道连拱隧道IV,V级围岩的2种施工方法(双侧壁导坑和CRD法)进行模拟。计算和比较这2种施工方法下围岩应力和位移控制效果,结果表明,双侧壁导坑法可以更好地发挥围岩自身承载能力和初期衬砌支护作用,有利于提高二次衬砌的安全储备;CRD法对隧道两侧边墙水平位移控制比较有利,但对隧道顶部围岩沉降控制不如双侧壁导坑法有效。从总体上分析结果可知,双侧壁导坑法更适合于双向八车道连拱隧道施工。     

考虑围压影响的深埋圆隧围岩应变软化与剪胀特性分析

 不同围压下岩石应变软化与剪胀特性不同,若在隧洞开挖中考虑围岩塑性区域内变化围压影响,其应力–应变场求解方式将区别于既有文献中的传统方法。根据围压影响下应变软化围岩的临界塑性剪切应变变化特征,给出改进的判断围岩是否进入塑性残余区域的规则;引入考虑围压与临界塑性剪切应变的非线性剪胀模型。基于Hoek-Brown屈服准则,根据一定径向应力增量将围岩塑性软化与残余区域分层,采用有限差分法对围岩应力–应变场进行求解;为分析围压对围岩稳定性的影响,根据临界塑性剪切应变与剪胀系数变化与否,设定4种非线性力学模型,深入分析并比较4种力学模型下临界塑性剪切应变、剪胀系数与围岩变形等在塑性软化与残余区域的分布规律。研究结果表明：地质强度指标GSI较小时,考虑围压影响下的围岩应力–应变场与未考虑时差异明显;此时临界塑性剪切应变的减小对开挖边界的围岩剪胀性具一定抑制作用。     

基于大直径盾构隧道扩挖地铁车站结构安全分析

北京地铁14号线将台站主体结构基于大直径盾构隧道扩挖形成,设计提出的扩挖方案为CRD法。在充分考虑扩挖车站部位地质条件及环境条件的基础上,分析了设计方案的弊端,提出采用洞桩法(PBA工法)作为扩挖大盾构隧道建造地铁车站施工方案,为有效控制地面沉降及扩挖施工对周围环境的影响,取消地面施工降水方案,扩挖前洞内采用超前深孔注浆堵水。并以将台站作为工程背景,采用有限元数值模拟方法,针对车站扩挖施工的优化方案,研究了关键施工阶段的结构体系受力转换规律。计算结果表明：在扩挖施工中,结构受力转换频繁,封顶块管片两侧的小管片拆除后,中洞拱部的初期支护压应力数值急剧增大,且超出了初期支护强度允许值,根据计算结果对中洞的初期支护参数和开挖方案进行了调整。从侧导洞开挖到中洞开挖支护期间,管片最大主应力为压应力,且未超出管片结构强度允许值,在封顶块两侧的管片拆除后,尽管管片结构的最大主应力由压应力变为拉应力,但由于拱部已经完成开挖支护,两侧管片的应力状态并不制约结构的整体稳定性;中隔墙最大主应力也出现在封顶块两侧的管片拆除后,但未超出中墙结构强度允许值。数值模拟结论和施工实践均表明基于本工程地质条件及环境条件所提出的车站扩挖施工优化方案能够保证车站结构安全。