流变岩体中任意形状隧道分部开挖响应的理论解

针对流变岩体中任意断面形状隧道的任意复杂分部开挖问题,根据复变函数理论结合Laplace变换建立黏弹性位移、应力与复位势之间的关系,给出了各施工阶段力学响应(位移与应力)理论解的一般求解方法和解答。从解答可以看出,各步增量位移是新开挖边界处释放面力作用下的流变位移与之前所有各施工步边界释放面力在本步时段中的增量流变位移的和,与施工路径相关。以圆形断面隧道分两阶段(从半圆形到圆形)任意分部开挖为例,导出了各步开挖过程围岩位移与应力的解析解。为验证解答的正确性,针对圆形断面上下开挖方式,将理论结果与有限元结果进行了对比,两者一致。利用解答对上下开挖、右左开挖两种方案下圆形隧道的位移、应力分布特点进行了分析。根据本文方法,可以得到任意黏弹性模型岩体中,复杂孔型任意分部开挖过程的解答。依据解答可建立快速预测系统,给出更方便、快捷地进行相似工程条件下初步设计的可选方法。     

流变岩体中既有隧道与新建平行隧道相互影响的理论解

在流变岩体中进行隧道施工时,既有隧道与新建隧道的相互作用将使围岩应力、位移分布与单隧道问题有明显不同,且与时间相关。针对黏弹性岩体中深埋双圆形隧洞考虑施工顺序问题,用复变函数方法、Laplace变换、黏弹性叠加关系导出两隧道周边开挖增量位移和应力场的求解方法和理论解答,并与有限元解进行了比对。根据解答分析了既有和新建隧道孔边增量位移与全应力分布特点;隧道周边增量位移随时间的变化;周边位移随隧道间距的变化规律。可用于黏弹性岩体中双圆形隧道顺序开挖的施工分析。相比数值方法,理论解可更方便地进行参数分析和初步设计。     

考虑岩体时效深埋隧洞施工过程的理论解析——开挖、锚喷与衬砌支护的全过程模拟与解答

对具有时效特性的流变岩体,施工过程对围岩力学响应有显著影响。针对黏弹性时效岩体中深埋圆形隧洞的断面及纵向开挖、锚喷和衬砌施工,用圆柱型正交各向异性弹性体模拟锚固后岩体,建立材料特性变化后锚固区力学响应的计算方法,进而导出Burgers岩体全施工过程的封闭解析解。根据解答分析了锚固区各向异性程度、锚固及衬砌支护时刻、锚固厚度对锚固区应力、位移的影响。分析表明：锚固区环向刚度的改变可显著影响岩体力学响应,而改变径向刚度则变化极小;衬砌受力与其施加时刻相关,而受锚固时刻影响不大;增加锚固区厚度可减小位移,优化锚固区受力,但对衬砌的受力影响很小。本解答可进行相似条件下隧洞初步设计。     

考虑断面及纵向施工效应时支护圆形洞室黏弹解析分析

针对深埋圆形洞室,用半径时变函数模拟断面开挖过程,引入空间影响系数对力学模型进行修正以考虑纵向开挖影响。当岩体模拟为任一黏弹性材料时,将方程拉普拉斯变换求得位移通解,逆变换后代入边界条件确定待定函数,最终得到用洞周面力表达的围岩应力、位移统一解。区分开挖与支护时段,利用围岩与支护接触条件建立关于支护力的积分方程。当取 Boltzmann 黏弹模型时,求解积分方程得到支护力的确切表达,并可求得开挖过程及任意时刻支护后应力、位移分段解析表达。算例分析表明,纵向推进速度越大,位移越大; 断面开挖较快时纵向推进速度对位移的影响越显著 。最终洞型和纵向推进速度均相同时,采用不同断面开挖速度且挖完立即支护时,开挖较快的情况位移变化较剧烈,而支护后最终稳定位移较小。但是,相应支护阶段产生的位移较大,支护力也较大。文中导出的解可用于计算圆形洞室半径任意开挖并加支护后的应力、位移,该方法也适用于其它黏弹模型岩体的施工分析。     

基于时效理论解的双层衬砌圆形隧道围岩压力分担的简便计算法

隧道的顺序施工叠加岩石流变特性,使围岩和衬砌的力学状态与时间相关。针对水平和竖向地应力不相等的一般地应力条件下双层衬砌圆形隧道施工问题,采用复变函数方法和Laplace变换,推导了开挖和支护全施工过程任意时刻围岩、衬砌的位移和应力理论解答。理论推导中用任意黏弹性模型模拟岩石流变特性,并在隧道开挖完成后的任意时刻分别施加一次衬砌、二次衬砌。并与相同条件下有限元解进行了比对。为便于工程设计,基于本文时效理论解,通过衬砌压力的机理分析,运用数据拟合的方法,给出了围岩压力分担的简便计算法,公式形式简单、适用范围广,同时也可以实现解析解的类似精度,为科学合理确定二次衬砌施工方案提供了理论依据。结合一算例,针对不同围岩压力分担情况,分别给出二衬施加时刻和二衬厚度建议值。工程中可据此方便、快捷地进行相似工程条件下的初步设计。     

平行双孔水工隧道相互作用的时效解答

地下工程中常遇到流变岩体中双线近距离隧道施工问题。隧道施工位移的预测和控制,特别是新建隧道的施工对既有隧道产生的影响,是工程中面临的重要问题。针对流变岩体中深埋双圆形水工隧道的问题,笔者采用复变函数方法和Laplace变换技术建立了考虑施工过程时黏弹性应力、位移与弹性复位势之间的关系,然后运用黏弹性叠加原理得到了整个施工过程各个阶段围岩应力和位移全量和增量理论解答,并据此进行新建隧道对既有隧道的影响分析。为验证解答的正确性,对一算例进行了有限元解答和理论解答的比对,两者吻合很好。与数值与实验方法相比,本文解答可以较为便利地对岩体应力、位移进行参数分析,进一步可以指导工程的初步设计。     

硐室开挖过程中考虑应变软化性质的合理性分析

地下硐室施工过程中,岩体应变软化性质会对其开挖及支护产生一系列影响。为保证施工过程中硐室围岩的安全和稳定,本文给出了考虑岩体应变软化性质的围岩各区应力、位移分布规律及围岩压力与硐周位移关系的弹塑性理论解。通过简单算例将此理论解答与围岩的实际工程特性及传统芬纳解进行分析对比,验证了考虑岩石应变软化性质的合理性。     

小净距隧道断面施工过程的数值分析

对浅埋小净距隧道施工过程进行数值模拟,研究了不同开挖顺序下施工力学数值模拟,分析了不同开挖顺序下的洞身沉降、地表沉降,并进行了比较。同时,研究了最终围岩应力、位移以及中墙岩体位移。研究结果表明:对于同一平面内两个断面尺寸大小不同的小间距隧道施工,先开挖大断面隧道后开挖小断面隧道,优于先开挖小断面隧道后开挖大断面隧道;拱顶、拱底和中墙岩体均是施工中应关注的部位。     

深埋巷道分区破裂化机制

深部巷道外部受到远场原岩应力的作用，而内壁受到一个随时间变化的内压作用，开挖过程是动力问题，其运动方程可以用位移势函数来表达。通过对运动方程进行Laplace变换，进而求得其通解。根据弹性力学知识和边界条件得到巷道围岩由于开挖扰动和原岩应力作用引起的弹性应力场和位移场。当该弹性应力场满足破裂条件时，岩体发生破裂，位移不连续，形成破裂区。结合断裂力学知识，确定破裂区岩体的残余强度和产生破裂区的时间，进而确定破裂区和非破裂区的宽度和数量。数值分析结果表明，巷道分区破裂化的产生跟开挖速度与岩石强度有关。该研究可为深部岩体的开挖和支护设计提供初步的理论基础。     

岩石非定常蠕变模型辨识

在页岩蠕变试验数据基础上,分析岩石黏弹性变形随应力水平不同和时间发展的变化规律.通过反分析方法建立一维情况下非定常黏弹性模型的蠕变方程,通过应变的理论计算结果与试验结果的对比发现,不考虑参数的时间相关性将引起较大的误差,而考虑参数的时间相关性的非定常黏弹性模型比定常黏弹性模型可更为准确地反映岩石的黏弹性变形性能.在软岩巷道二维非定常蠕变模型辨识的工程实例中,事先假定围岩为黏弹性和黏弹塑性两种不同力学模型,并分别考虑参数为定常和非定常两种情形,在已知现场量测位移条件下,利用位移反分析并根据一定的准则函数求其不同模型中的参数及相应的准则函数值,由各个模型相应的准则函数值大小,判定最佳模型.在假定的一组模型里,发现非定常黏弹塑性模型为最佳模型.     

Design and construction aspects of deep tunnels (with particular emphasis on strain softening rocks)

A series of railway tunnels will be dug through the European Alps at depths exceeding 2000 m over long stretches. The prevailing high stresses are expected to cause rock burst, large deformations and creep, depending on the nature of the rock. In the first part of the paper the theoretical relations between support pressure and tunnel wall displacements are briefly discussed. Emphasis is given to the post-failure behaviour of the rock mass and its influences on the tunnelling conditions. Frequently encountered strain softening rock types are shown to exhibit a strong dependence of the tunnel stability on the softening rate, which itself varies with the applied confinement pressure. Also discussed are results of laboratory tests and field observations which yield a critical deformation value for a given rock type. Beyond this value, the required support pressures are shown to increase sharply. Systematic monitoring of the rock deformations due to tunnelling can help to define the most adequate support measures and to improve the input values for static calculations by back analyses. Deep tunnels require support types able to control the tunnel wall displacements efficiently. They should oppose significant support pressures from incipient deformations up to large displacements. Various constructive solutions are discussed for-drill & blast as well as for TBM excavation. The last section briefly addresses time-dependent tunnel deformation and their influence on the time of placing the final lining.     

A closed-form elastic solution for stresses and displacements around tunnels

A closed-form plane strain solution is presented for stresses and displacements around tunnels based on the complex potential functions and conformal mapping representation. The tunnel is assumed to be driven in a homogeneous, isotropic, linear elastic and pre-stressed geomaterial. Further, the tunnel is considered to be deep enough such that the stress distribution before the excavation is homogeneous. Needless to say that tunnels of semi-circular or “D” cross-section, double-arch cross-section, or tunnels with arched roof and parabolic floor, have a great number of applications in soil/rock underground engineering practice. For the specific type of semi-circular tunnel the distribution of stresses and displacements around the tunnel periphery predicted by the analytical model are compared with those of the FLAC^2D numerical model, as well as, with Kirsch's “circular” solution. Finally, a methodology is proposed for the estimation of conformal mapping coefficients for a given cross-sectional shape of the tunnel.     

New analytical method for predicting stresses around rectangular tunnels under arbitrary stress boundary conditions

Rectangular tunnels are often encountered in geotechnical engineering. To clarify the mechanical mechanism of the stresses around tunnels, this study presents new analytical approximant solutions for evaluating stresses around tunnels under arbitrary stress boundary conditions. The solutions consist of two parts: one is the solution for a half-plane before excavation, and the other is the solution for a half-plane with tunnels. The second part can be further decomposed into solutions of a half-plane without tunnels subjected to virtual tractions along the ground surface and solutions of an infinite plane with tunnels loaded by virtual tractions along tunnel boundaries. An efficient iterative procedure is proposed for determining the two sets of unknown virtual tractions, which are transformed into equivalent concentrated forces to simplify the computational process. The solutions agree very well with the results obtained by the finite element method. A parametric study is finally performed to investigate the influences of the tunnel buried depth, the tunnel shape, and surcharge loads on the stresses along the ground and around tunnels. The new proposed solutions potentially provide a potential alternative approach for preliminary designs of future rectangular tunnels.     

端锚式锚杆-围岩耦合流变模型研究

针对端锚式锚杆-围岩结构体在长时条件下支护作用的演化机制,建立了端锚式锚杆-隧洞围岩耦合作用的结构模型。进行了结构模型的基本假设：①圆形隧洞;②深埋;③各向等压原岩应力;④均质且各向同性黏弹性围岩模型;⑤一维黏弹性锚杆模型;⑥锚杆对围岩作用力整体为面力。基于基本假设建立了端锚式锚杆-围岩耦合流变理论模型。假设围岩和锚杆均为Maxwell模型时,求解了圆形隧洞围岩应力和位移的径向分布随时间变化的解析解,获得了锚杆轴力随时间演变的理论公式。基于锚杆（索）流变模型,进行了FLAC^3D数值模拟软件的二次开发;并通过数值模拟与理论计算的对比分析验证了理论模型的合理性,分析了端锚式锚杆-围岩耦合流变规律及其影响因素。该模型对于研究地下隧洞的流变力学行为,分析锚固支护结构的长期稳定性,指导工程支护设计具有重要的基础理论价值。