第三系粉质粘土地层隧道大变形控制技术研究

结合某第三系粉质粘土地层隧道实体工程,对第三系粉质粘土地层隧道大变形控制技术进行研究;针对此类围岩大变形现象,进行的室内物相和微观结构试验表明第三系粉质粘土含有大量能产生大变形的片状粘土矿物,室外现场直剪流变试验,验证了第三系粉质粘土具有流变特性;采用数值分析方法研究了流变对隧道结构安全的影响,通过增强支护强度以及提高初支和二衬之间预留变形量的方式来改善隧道设计和施工工艺,让流变引起的主体变形在二衬施作前完成,最后通过现场监测结果验证优化后的隧道支护设计和施工方法。     

考虑炭质片岩流变特性的隧道支护时机优化研究

对于炭质片岩这种具备典型流变特性的岩体,采用Burgers模型与Mohr-Coulomb准则串联型式的修正Burgers模型,能够较好地表征其黏弹塑性变形特点。通过离散元数值模拟方法及反分析手段,对挤压变形明显的炭质片岩区域隧道段落进行了流变参数辨识,进而讨论了炭质片岩与支护间的相互作用机理。最后综合数值分析、回归模型预测及现场监测结果,研究了炭质片岩区域隧道围岩支护时机的优化。     

考虑结构性的天然软粘土流变特性研究

基于边界面弹塑性理论,提出一种可同时考虑软土结构性与长期变形特性的边界面弹塑性本构模型。通过对温州某海堤工程天然软土的原状样分别进行一维压缩试验和三轴流变试验,考查了多组不同加载等级、围压和固结应力比下,温州天然结构性软粘土的流变变形特征。采用该模型对三轴流变试验进行了数值模拟验证其正确性。     

盾构隧道钢板加固衬砌管片环缝抗剪性能数值模拟研究

盾构隧道环缝相邻管片之间的错台变形,加剧了运营隧道结构所面临的风险。采用外置钢板对已经发生错台变形的环缝处相邻管片进行加固是一种可取的错台变形控制措施。采用有限元数值模拟的方法,建立了盾构隧道管片环缝钢板加固的三维数值分析模型,在此基础上设计并开展了钢板加固管片环缝数值模拟试验。根据数值模拟试验结果,首先分析了外荷载作用下管片接缝错台变形的发展规律,通过螺栓与管片内的应力分布及发展模式解释现象发生的原因;然后,通过对比未加固与钢板加固接缝管片错台变形随荷载增大的发展情况,对该加固方法对错台变形的控制效果进行量化讨论;最后,分析了当接缝发生错台变形时钢板与管片间连接界面的应力分布规律,揭示了加固钢板与管片之间的传力机制,据此对实际盾构隧道加固工程提出指导性建议。     

石窟顶板流变断裂过程的数值模拟与反演分析

龙游石窟5号洞顶板在多处有破坏痕迹和离层变形，经现场调研和实测，在洞室出口处顶板离层变形达75～78mm，侧面岩层出现悬臂梁式的破断现象。为了探讨龙游石窟5号洞顶板破坏过程，了解洞室的长期稳定性，基于最大拉应力追踪法和岩石断裂过程的反演数值模型，利用现场实测破坏形态及变形数据，对5号洞进行了流变断裂过程的数值模拟与反演分析。在反演分析过程中，运用正交试验方法，设计了27种数值模拟方案，通过正交试验设计的直观分析，获得了洞室顶板岩层与薄夹层的流变参数和其他敏感参数的最佳组合方案。利用所获得的参数最佳组合方案，对洞室进行了长期稳定性分析和流变断裂过程的数值模拟，数值模拟结果表明，在洞室出口处顶板离层变形达54．24mm，断裂部位与现场破断部位基本相同。此外，流变模拟分析中出现在洞室深部的顶板离层也十分明显，这一现象与现场观察到的表观变形形态比较相近。     

软土地区临近隧道的深大基坑变形控制方法

采用有限元软件对上海市临近已建地铁10号线的吴中路项目基坑开挖进行二维数值模拟,主要分析计算了地下连续墙最大侧向位移及隧道变形,并对地下连续墙最大侧向位移及隧道变形监测值进行了研究。监测结果与数值模拟结果对比分析表明,二维数值模拟分析模型可以较好地给出地下连续墙最大侧向位移及隧道变形规律;从基坑围护设计角度出发,通过数值模拟进一步分析了地下连续墙的插入比、被动区加固宽度对地连墙及隧道变形的影响,对于类似工程的基坑支护设计有一定的参考意义。     

新建隧道施工对既有隧道影响的试验研究

通过新宝塔山隧道施工过程对既有宝塔山隧道的影响进行了数值模拟,并实测了新隧道开挖过程中既有隧道衬砌结构的变形和衬砌混凝土的应变变化情况。数值模拟结果和现场实测数据表明,既有隧道衬砌结构的变形和衬砌混凝土的应变变化较小,新隧道施工对既有隧道影响不明显,对后续工程施工有指导意义。     

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。     

某浅埋湖底隧道主体结构混凝土变形模拟分析

根据浅埋湖底隧道的结构特点,利用混凝土热湿耦合原理及有限元方法,将隧道内环境实际温度、相对湿度不断变化的情况作为其时变的边界条件,对实际隧道主体结构钢筋混凝土一年内的变形情况进行了数值模拟分析.通过对数值模拟与现场测试结果的比较分析,数值模拟值与现场测试结果符合较好,说明基于多孔介质热湿传输耦合原理的混凝土变形数值模拟方法是可行的,隧道主体结构混凝土的变形较小,对工程结构的正常使用和耐久性有利.     

某盾构隧道工程开挖数值模拟分析

隧道工程是我国公共交通线的重要组成部分,盾构法由于施工速度快、对周边扰动小、安全性较高等原因被广泛应用于隧道工程。通过有限元建模,模拟了盾构隧道开挖全过程的变形情况并通过现场的实测数据对数值模拟的结果进行进一步的验证。研究发现在盾构机掘进完成后,隧道中部管片和地表土体发生沉降,而隧道两端的管片发生上抬,且地表亦产生隆起现象。而将实测数据与数值模拟结果进行对比后发现,在开挖中部,管片变形与地表沉降实测值与数值模拟的结果较为接近,但在开挖隧道两端,管片变形与地表沉降实测值与数值模拟的结果存在一些偏差。     

开挖方式对跨基覆界面浅埋偏压隧道变形的影响分析

崩坡积～灰岩交界段(土岩交界段)一部分为松散的坡积体,一部分为岩体,工程性质相差较大,不同的隧道开挖方式会对隧道的稳定产生较大的影响。基于四川省九寨沟—绵阳高速公路某隧道工程,采用模型试验和数值模拟的方法,对有挡土墙预加固措施情况下崩坡积～灰岩接触地段浅埋偏压隧道在环形开挖预留核心土法、三台阶七步开挖法、CD法和CRD法4种开挖方式下的受力和变形特性进行研究。结果表明:土岩交界段浅埋偏压隧道的地表沉降呈现出明显的不对称特征,4种开挖方式下的最大地表沉降均向左侧偏移; 4种开挖方式产生的最大围岩位移都发生在隧道的拱顶处,且右拱肩、右拱腰的沉降值小于左拱肩、左拱腰; 4种开挖方式最大主应力的最大值出现在隧道右拱腰位置处,最小主应力的最大值出现在隧道右拱脚位置处; 相较于三台阶七步开挖法,环形开挖预留核心土法、CD法及CRD法都能够最大限度地保证隧道施工的安全。     

锦屏一级水电站地下厂房围岩开裂变形机制研究

针对锦屏一级水电站地下厂房高应力、低强度应力比条件下开挖施工引起的围岩变形开裂及相关力学问题,从全空间赤平投影解析、平面投影应力特征等多角度全方位研究地下厂房区地应力场分布特征及规律;并结合力学定性分析和三维数值模拟等手段对地下洞室群围岩变形开裂机制进行深入分析,研究洞室群围岩开挖损伤演化规律。研究表明,锦屏一级地下厂房区域出现的围岩、喷层较大变形乃至破坏现象本质上是由高地应力和相对较低的岩体强度形成的不利组合所造成的,在主厂房、主变室的拱腰、拱座和边墙以及母线洞侧墙等部位出现的开裂破坏,属于典型的高应力、低强度应力比条件下围岩的卸荷变形与破坏。提出锦屏地下厂房围岩变形开裂概化模型,为地应力场反演和施工过程的数值仿真分析提供重要参考和定性依据;最后针对开挖维护围岩稳定性问题提出相应的建议,为锦屏一级地下厂房的开挖施工及动态支护设计提供技术支持。     

Analytical solution for the excavation of circular tunnels in a visco-elastic Burger’s material under hydrostatic stress field

By excavating an underground space, the state of stress and displacement are changed in comparison to the initial state. This variation depends on the advance of the tunnel and on the rheological behavior of the hosting rock mass. In this paper, the effect of creep, in the response of the tunnel is discussed. The objective of the paper is to predict time–dependent displacement of the tunnel wall, after stopping the excavation or after installing the support system. The rock mass is assumed to be isotropic and homogenous and incompressible. The tunnel is assumed to be circular and driven in a hydrostatic stress field. The rate of excavation is considered to be infinitely large. The Burger’s body which is able to model the primary and secondary creep regions of the rock mass is applied. In such a condition, an analytical solution for predicting time-dependent deformation of tunnel wall is derived. Thereafter, the application of the proposed solution is illustrated through three examples. The examples are analyzed numerically using the finite difference code FLAC. The results obtained from numerical analyses show proper agreement to the results of proposed solution.     

陡倾岩层隧道开挖力学特性研究

陡倾岩层隧道由于层状结构的存在,在开挖过程中,围岩的破坏机理与方式、围岩与结构的变形、受力等特征明显不同于其它岩体隧道。本文在陡倾岩层隧道开挖破坏机理探讨的基础上,通过三维数值模拟,对不同陡倾角条件下围岩与结构的变形、受力特征进行了计算,分析了隧道开挖力学特性与倾角的关系,提出了陡倾岩层隧道设计施工建议。计算结果表明:倾角越大,隧道发生顺层滑移破坏的概率越大,地表沉降、拱顶位移、围岩主应力随倾角的增大而增大,但拱脚位移、围岩剪应力、喷射混凝土内力与倾角并非一致性关系。     

通透肋式拱梁隧道结构分析

 基于对浅埋傍山隧道稳定性控制因素以及传统设计方案缺陷的分析,提出一种全新的隧道结构——通透肋式拱梁隧道,该隧道由拱顶山坡横向管棚支护体系和肋式拱梁结构有机组成,形成了完整的承力体系,最大程度地避免了山坡切削,无需通风采光系统,综合体现了工程安全、环保、节能和景观协调的统一。结合实际工程,对通透式拱梁隧道设计原理和结构特征进行分析,并采用数值模拟方法对其变形受力特征和整体开挖加固方案进行了系统研究,确定隧道围岩的松弛范围,制定拱顶山坡横向管棚注浆的加固方案,并通过不同开挖方案的对比分析,提出“先暗后明”的总体建设方案。最后,以施工监测数据及其工程实践的成功实现,验证分析成果的合理性和通透肋式拱量隧道建设方案的可行性。     

层间孔隙岩溶影响隧洞稳定性的数值模拟研究

以重庆巴南区某引水工程为研究背景,采用基于流固耦合理论的二维有限元数值模拟方法,通过有限元软件ABAQUS对隧洞工程选取13个主要断面建立相应的数值模拟模型,分析不同位置水工隧洞断面的围岩在开挖过程中的应力、位移和涌水量变化情况,得出层间孔隙岩溶对隧洞开挖稳定性的影响并提出建议。研究结果表明:隧洞跨层时应力及位移均会产生复杂变化;透水层的存在一定程度上加快了应力消散,并减弱隧洞变形速度;隧洞涌水量与其在透水层中的面积大小有关。     

砂质泥岩卸荷流变本构模型研究

基于隧洞开挖过程中围岩应力的实际调整路径设计加轴压卸围压条件下的分级卸荷流变实验,对某水电站引水隧洞洞轴线主要穿越的砂质泥岩的卸荷流变力学特性进行研究。试验结果表明:1应力水平低于岩石破坏应力时,砂质泥岩的流变只表现出衰减流变阶段和稳态流变阶段,且随着围压的逐级卸除,应力水平逐渐超过岩石的长期强度,试样的稳态流变速率由最初接近于0的常数逐渐增大至一个大于0的常数;2应力水平高于岩石破坏应力时,砂质泥岩经过衰减流变阶段和稳态流变阶段之后进入非线性加速流变阶段直至发生破坏,通过对比发现,不同卸荷初始围压下试样发生流变破坏的总历时不同,且各试样发生非线性加速流变的启动时间也显著不同。对砂质泥岩卸荷流变试验结果分析表明,西元模型能够较好地描述应力水平低于破坏应力时砂质泥岩的流变特性,但却无法反映应力水平高于其破坏应力时的非线性加速流变特征,基于此,引入岩石非线性加速流变启动元件,通过将其与西元模型相结合建立了一个新的非线性黏弹塑性流变模型,对提出的模型进行参数辨识,并将流变模型拟合结果与试验结果进行对比,结果表明,新建立的卸荷流变本构模型能够较全面地描述砂质泥岩卸荷流变破坏的全过程,证明所建模型是正确合理的。     

跨断层隧道围岩渐进性破坏模型试验及数值模拟

 断层及其破碎带是隧道开挖过程中常见的不良地质现象,也是围岩不稳定且容易出现事故的地段。以山区隧道施工中常见的IV级围岩为参照对象,利用地质力学模型试验和数值模拟研究跨断层隧道施工过程中围岩的渐进性破坏过程及其受力变形特性。研究结果表明：(1) 位于拱顶之上的断层下盘岩体在隧道开挖后呈悬挑状态,且在靠近断层部位易出现拉裂缝;(2) 隧道开挖使得上覆荷载向隧洞左、右两侧转移,从而导致拱腰以下的岩体往往率先剪切破坏,尤以断层下盘一侧岩体为甚;(3) 隧道开挖将引起围岩应力重分布,若调整后的围岩应力超出岩体自身强度极限时,洞周岩体就会塌落成拱,且位于塌落范围内的岩体切向应力呈“跌落式”下降,此特征可用于判断岩体塌落范围;(4) 隧道开挖后,由于断层的阻隔作用,岩体应力在跨越断层上、下盘时呈不连续、非线性分布的特征。     

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。     

泥质粉砂岩高围压三轴压缩松弛试验研究

高应力条件下应力松弛特性是岩石长期力学特性研究的重要方面,开展了泥质粉砂岩围压为15~35 MPa的三轴松弛试验研究。高围压下应力松弛曲线的分析表明,岩石的应力松弛可以分为衰减松弛和稳定松弛两个阶段。当松弛初始应力水平较低时,试样主要以衰减松弛为主,很快趋于稳定,当松弛初始应力水平接近岩石峰值应力时,应力松弛明显增大,并出现明显的稳定松弛阶段。不同围压条件下,试样松弛曲线对比分析表明,松弛初始应力水平较低时,岩石处于黏弹性阶段,围压对岩石松弛特性的影响相对较小,随着松弛初始应力水平的增大,当应力水平接近峰值应力时,岩石的应力松弛将随围压的增大而减小。基于三轴松弛试验结果的分析,建立了能够反映泥质粉砂岩三轴松弛特性的西原模型,并验证了模型的合理性。