考虑隧底隆起斜坡段浅埋隧道稳定性上限分析

采用极限分析上限法,基于内外能耗守恒原理,通过构建考虑隧底隆起的斜坡地段浅埋隧道破坏模式,推导出围岩压力的计算式,并通过典型算例重点分析了典型因素对隧道围岩稳定性的影响。研究结果表明:基于泰沙基极限平衡法进行隧道围岩支护设计较为保守,不考虑隧底隆起的极限分析方法次之考虑隧底隆起极限分析方法的风险最大;斜坡地表倾角增大对浅埋隧道稳定性有着不可忽视的不利影响;围岩压力随岩土侧压力系数减小、埋深增大、断面尺寸加大而增大;岩土黏聚力增大、内摩擦角增大对提高浅埋隧道围岩稳定性有积极作用。     

密实砂土及硬黏土中圆形隧道的竖向支护压力

 在Terzaghi理论假定的基础上,考虑圆形隧道侧压力系数及洞身范围斜向滑裂面作用,根据极限平衡法建立圆形隧道竖向支护压力的一般表达式,适用于密实砂土及硬黏土地层。该式表明圆形隧道的竖向支护压力随侧压力或侧压力系数 的增大而减小,当 时可得最小支护压力。为求解竖向支护压力,提出圆形隧道侧压力系数 的计算方法,建立支护压力与衬砌刚度、地层刚度等因素的定量关系,表明随衬砌厚度的减小或地层弹性抗力系数的增大,侧压力系数增大,而竖向支护压力减小。通过对比表明,本文方法计算值与极限分析上限法、既有试验结果较接近且偏于安全,不仅适用于浅埋隧道,也适用于深埋隧道,且本文方法比极限分析上限法显著简化。     

考虑粘聚力的浅埋隧道围岩压力计算方法

针对浅埋隧道既有围岩压力理论计算中考虑因素较少且计算结果差异显著的问题，在既有理论基础上，建立了考虑土体粘聚力、内摩擦角、侧压力系数和静止土压力系数的浅埋洞室假定破坏模型，推导出误差较小且适用于浅埋隧道围岩的压力计算公式，通过工程实例验证了该理论的合理性，并分析了单一参数变化对围岩压力的影响规律。结果表明：实测围岩压力值与既有理论围岩压力值对比，理论计算的围岩压力与实测值的误差最小；围岩压力随隧道埋深增大表现为先增后减的二次抛物线形规律，随土体的内摩擦角、粘聚力和土压力系数的增大表现为线性减小的规律。     

浅埋偏压小净距黄土隧道施工过程围岩压力分析

为解决在特殊地形条件下线、桥、隧的良好衔接和线路规划等问题,小净距隧道作为一种新型隧道结构能够适应比较复杂的地形,近些年来得到广泛应用。以某公路隧道为研究背景,通过建立浅埋偏压小净距隧道左、右洞相互扰动的围岩压力计算模型,结合相关规范推导了隧道施工过程中围岩压力计算公式以及适用条件,并对隧道各参数的变化对围岩压力的敏感性进行了研究。结果表明：(1)后行洞的开挖会使先行洞拱顶垂直压力变大,侧压力和水平压力减小;(2)双洞外侧围岩侧压力系数受围岩计算摩擦角、中间岩柱两侧摩擦角和偏压坡角的影响,而双洞内侧围岩的侧压力系数还受隧道埋深和净距的影响;(3)隧道拱顶垂直压力的分布受到隧道埋深、偏压角度和侧压力系数的影响,但是受到隧道埋深的影响最大;(4)隧道围岩水平压力的大小受到隧道侧压力系数和隧道埋深的共同影响,但是隧道埋深占主要作用,埋深越大,隧道受到的水平压力越大。     

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。     

深埋隧道围岩形变压力计算方法研究

通过大量的深埋隧道围岩形变压力现场实测数据,采用数理统计方法,分析了围岩级别、隧道跨度、隧道埋深对围岩形变压力的影响及其变化规律。通过多元非线性回归分析方法,推导建立了竖向形变压力计算公式。通过分析可知,形变压力约为《铁路隧道设计规范》计算荷载的84%～92%,且围岩级别越高两者比值越小。形变压力侧压力系数近似服从正态分布,与《铁路隧道设计规范》中侧压力系数相比,各围岩条件下侧压力系数均有一定的增大。研究成果对我国隧道及地下工程支护结构设计具有一定的参考指导作用。     

考虑孔隙水压力效应和非线性破坏准则的 浅埋地下洞室支护力上限分析

由于孔隙水压力的作用,位于饱和土体中地下结构的力学和变形特征与完全干燥土体中的结构有很大不同。根据浅埋地下洞室的非线性破坏特征构建了一个新的曲线形破坏机制,并将孔隙水压力做的功率作为一个外力功率引入极限分析上限定理的虚功率方程中,推导了孔隙水压力作用下饱和土体中浅埋洞室支护力和速度间断线上限解的解析表达式。利用变分原理,对此支护力的上限解进行了优化计算,得到了支护力的最优上限解,并对单一影响参数变化下的支护力随埋深变化规律和洞室顶部塌落面的形状进行了研究。研究结果表明：孔隙水压力对饱和土体中浅埋洞室的支护力和塌落面均有重大影响;支护力和塌落面都随孔隙水压力系数的增大而增大。     

浅埋隧道的地层压力

本文分析了在浅埋隧道施工和运营过程中所发生的山体和衬砌变形现象,推导出浅埋隧道地层压力的计算公式。在垂直压力和侧压力的计算中考虑了土壤粘聚力和内摩擦角、洞顶荷载和地面坡度的影响,也考虑了破裂面抗剪强度在破裂面形成过程中和形成以后的变化的影响。本文方法经过实例验证,基本符合实际;且能解释一些衬砌变形原因,以及粘土质隧道侧压力系数较大的现象。     

浅埋风化岩质隧道初支护后黏弹性变形性态分析

为分析浅埋风化岩质隧道围岩初支护后变形随时间变化的黏弹性效应,首先采用逆反分析法推导出圆形隧道围岩的等效弹性模量和等效侧压力系数的解析解;然后结合具体工程实践,选择典型断面采集围岩初支护后的位移实测数据,采用数理统计方法,获取该类型隧道围岩初支护后的等效侧压力系数与等效弹性模量之比随时间的变化规律,建立围岩初支护后的黏弹性模型,研究隧道围岩初支护后变形随时间变化的黏弹性效应。研究结果表明:浅埋风化岩质隧道围岩初支护后在无降雨等外部因素作用下等效侧压力系数与等效弹性模量之比随时间呈Monomolecular增长模式并最终稳定于某一常数,即围岩变形随时间变化的黏弹性效应也符合此规律,并且其应变与等效侧压力系数成反比变化;在围岩刚度较大和地下水活动较弱的地段,初支护后围岩变形将较快趋于稳定。     

连拱隧道围岩压力计算方法与动态施工力学行为研究

由于双连拱隧道的多分部开挖支护的结构荷载转换过程多,围岩应力变化和围岩与结构相互作用关系复杂,目前在设计、施工中仍然存在一些问题:(1) 勘察设计围岩分类与施工揭露实际围岩级别常有差异,并难以实现及时变更.(2) 尚无满足连拱隧道特点的围岩压力理论,特别是在浅埋偏压条件下围岩荷载估计偏差较大.(3) 施工中经常出现支护失效、衬砌裂缝及渗漏泄水等工程安全、质量问题.针对连拱隧道中的问题,进行围岩压力计算方法和动态施工力学行为研究,主要研究成果有:(1) 对于连拱隧道,围岩塑性区受中墙及施工方案影响较小,主要与最终开挖跨度有关.在计算荷载时要考虑最不利工况,连拱隧道坑道宽度取整个连拱隧道的宽度是合理的,偏于安全的.(2) 应用比尔鲍曼理论求得塌落拱曲线方程,然后用作图法在连拱隧道外侧作一个切线与以地形的坡度求出的塌落拱曲线方程的切线相平行,两平行线的距离即为地形偏压临界覆盖厚度.运用此方法求得连拱隧道大跨度条件下的偏压连拱隧道地形偏压临界覆土厚度,为偏压连拱隧道设计提供可靠依据.(3) 针对连拱隧道断面远大于单线隧道,围岩压力大于按单线隧道宽度修正结果所出现的问题,提出对于大跨度双连拱隧道,在极浅埋、浅埋条件下,仍然分别采用全土柱理论荷载和谢家烋理论荷载;在深埋条件下,推荐双连拱隧道竖直地层压力采用适合双连拱大断面隧道特点的修正比尔鲍曼理论围岩压力计算公式.(4) 对于浅埋偏压连拱隧道,不仅要考虑非对称的地层主动荷载,还要调整浅埋侧地层被动荷载,提出浅埋偏压连拱隧道地层主动偏压荷载和被动不均匀荷载确定方法及地形偏压情况下隧道支护结构的合理计算方法,并求得不同坡率、不同围岩级别条件下浅埋侧土体的弹性抗力系数的合理取值,为设计中偏压连拱隧道采用荷载结构模式计算时浅埋侧土体的弹性抗力系数取值提供参考.(5) 在充分吸收国内外围岩分类经验的基础上,针对隧道施工期间的现场围岩判别特点与要求,提出一种现场围岩快速评价方法,该方法以定量与定性指标相结合,现场观察、量测及快速评价.另外针对隧道围岩实际力学指标难以获取的难题,提出应用围岩Q指标和现场点荷载强度推测围岩物理力学参数的方法,并结合围岩快速评价结果,综合确定隧道围岩实际力学指标.(6) 对于浅埋偏压连拱隧道,侧导洞应该先开挖深埋侧侧导洞,而主洞应该先开挖浅埋侧主洞;而对于非偏压连拱隧道,在围岩条件较好时主洞开挖可采用上下台阶法,且主洞开挖合理的工作面间距应约为2.0D～3.0D(D为单拱跨度);在中隔墙完成后,部分回填,使正洞初期支护能直接作用在中隔墙上,不仅有效提高支护整体刚度,还使中隔墙受力更合理,改善中隔墙受力状态.经富溪偏压连拱隧道工程施工与现场监测结果检验,提出的连拱隧道坑道宽度取值、偏压连拱隧道深浅埋分界、围岩主动压力与围岩被动压力计算方法、现场围岩级别快速评价以及施工方法正确合理,可为工程建设提供重要技术支持和经验.