基于D-P準則盾構(gòu)隧道圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)相互作用分析

巖體開挖后受擾動而產(chǎn)生應(yīng)力重分布過程極其復(fù)雜,尤其是在不良地質(zhì)環(huán)境下更甚。對于地質(zhì)條件差、地應(yīng)力為高~極高的軟弱圍巖,其結(jié)構(gòu)受力大小與受力特征對隧道結(jié)構(gòu)安全尤為重要。針對目前研究中存在的問題,結(jié)合工程中出現(xiàn)的問題和實際需求,以高地應(yīng)力軟弱圍巖條件下的關(guān)角隧道、木寨嶺隧道等工程為背景,通過地應(yīng)力現(xiàn)場實測、理論研究與數(shù)值分析,對高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖壓力和圍巖與支護結(jié)構(gòu)相互作用機制進行研究。主要進行以下幾方面的研究工作:(1)在中國地應(yīng)力場分布規(guī)律統(tǒng)計分析基礎(chǔ)上,統(tǒng)計得到我國青藏地區(qū)平均水平地應(yīng)力與垂直地應(yīng)力的比值隨深度變化的分布曲線。(2)采用水壓致裂法進行蘭渝線天池坪隧道和兩水隧道地應(yīng)力現(xiàn)場實測。在此基礎(chǔ)上,分析隧道所處的原始高地應(yīng)力水平及隧道開挖后的地應(yīng)力分布規(guī)律;采用改進的bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行了木寨嶺、天池坪等隧道的宏觀地應(yīng)力場拓展分析,獲得地應(yīng)力的宏觀分布形態(tài)與特點。(3)針對現(xiàn)有本構(gòu)關(guān)系,對高地應(yīng)力軟巖尚不具有廣泛代表性和卡斯特耐爾公式無法直接計算出在塑性區(qū)范圍不同發(fā)展過程對應(yīng)的塑性形變壓力的問題,以原巖應(yīng)力和隧道容許位移(或支護后實際量測位移)為出發(fā)點,采用巖體軟化\"直–曲–直\"模型,推導(dǎo)了隧道形變壓力計算公式。(4)利用臺階法開挖中存在的空間效應(yīng)和改進的bp人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測位移以及多項式擬合預(yù)測方法,提出兩類在高地應(yīng)力軟弱圍巖條件下使用開挖應(yīng)力釋放率模型的方法。通過在關(guān)角隧道和木寨嶺隧道大戰(zhàn)溝斜井高地應(yīng)力軟巖地段的應(yīng)用,探討其結(jié)構(gòu)荷載與應(yīng)力釋放規(guī)律,其結(jié)果得到三維數(shù)值分析的驗證。(5)為驗證卡斯特耐爾擴展公式合理性,基于參數(shù)全過程變化的應(yīng)變軟化flac3d三維數(shù)值模型,模擬木寨嶺隧道正洞高地應(yīng)力軟巖地段隧道開挖支護過程。三維數(shù)值結(jié)果與卡斯特耐爾擴展公式計算結(jié)果吻合,進一步證明該公式在高地應(yīng)力軟弱圍巖條件下應(yīng)用的可靠性、適用性。在統(tǒng)計青藏地區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)場實測和拓展分析,準確獲得高地應(yīng)力軟巖隧道位置原始地應(yīng)力,為研究圍巖壓力和圍巖與支護結(jié)構(gòu)相互作用機制提供依據(jù)。在原始地應(yīng)力基礎(chǔ)上,結(jié)合理論分析和數(shù)值仿真,獲得高地應(yīng)力軟巖隧道的圍巖壓力計算方法和圍巖與支護結(jié)構(gòu)相互作用機制。主要創(chuàng)新點體現(xiàn)以下4個方面:(1)統(tǒng)計分析得到我國青藏地區(qū)平均水平地應(yīng)力與垂直地應(yīng)力的比值隨深度變化的分布曲線。總結(jié)出青藏地區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律與特點,為判別該區(qū)域地應(yīng)力測試結(jié)果的合理性提供依據(jù)。(2)針對高地應(yīng)力條件下軟巖隧道大變形問題,引入巖體軟化\"直–曲–直\"模型,推導(dǎo)出適用于高地應(yīng)力軟巖隧道基于原巖應(yīng)力和隧道位移的隧道形變壓力計算公式。(3)提出2種在高地應(yīng)力軟弱圍巖條件下使用開挖應(yīng)力釋放率模型的方法。(4)為在三維數(shù)值分析中反映軟弱圍巖參數(shù)隨坑道變形而不斷變化的特性,引入?yún)?shù)全過程變化的應(yīng)變軟化模型,利用flac3d軟件驗證卡斯特耐爾擴展公式應(yīng)用于高地應(yīng)力軟巖隧道的可靠性和適用性。

基于變形準則的隧道圍巖穩(wěn)定概率分析——研究了在隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用變形控制時，其正常使用可靠度分析極限狀態(tài)方程的建立方法，特別探討了廣義抗力和荷載問題。對于抗力，研究了各類隧道圍巖最大允許變形值的確定規(guī)則；對于荷載，根據(jù)圍巖與支護結(jié)構(gòu)相互作...

高水位隧道堵水限排圍巖與支護相互作用分析——為了保護環(huán)境并盡可能降低襯砌結(jié)構(gòu)所受的水壓力，提出高水位山嶺隧道應(yīng)采取“以堵為主，限量排放”，即“堵水限排”的防排水設(shè)計原則。但對于堵水限排情況下襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計，目前尚沒有規(guī)范可依，這是目前隧道設(shè)...

以特長隧道為研究對象,采用二維平面有限元方法研究了隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力情況,建模中考慮了隧道坡度的影響。通過分析表明,襯砌中的初期支護和二次襯砌一般要共同承擔荷載,二次襯砌的受力往往大于初期支護的受力,而且在初期支護與二次襯砌間存在不均勻壓力,由此可對襯砌的合理設(shè)計與施工提供一定的參考價值。

通過對公路隧道深埋段圍巖壓力進行監(jiān)測,繪制圍巖壓力變化曲線,分析圍巖壓力變化規(guī)律。通過有限元數(shù)值模擬分析襯砌結(jié)構(gòu)受力情況,為日后類似隧道工程的合理設(shè)計與施工提供了借鑒與參考。

為了增強隧道工程支護效果、提高各支護構(gòu)件利用率、保證隧道的安全,需要尋找減小工程支護力的途徑,即最大限度地釋放圍巖形變勢能、充分利用圍巖自身承載能力,實現(xiàn)圍巖與襯砌間的支護耦合,建立了由隧道表征變形量、支護體系組合構(gòu)件的整體性能利用率、支護系統(tǒng)組合構(gòu)件耦合效率3個指標組成的耦合評價體系,并用于西安嶺隧道施工現(xiàn)場監(jiān)測并進行耦合分析.結(jié)果表明:該隧道最終耦合效率較高,設(shè)計方案合理.

城市地鐵隧道在穿越建筑物前一般要進行施工方案安全性評價,對施工引起的地表建筑物安全性進行評估并提出相應(yīng)的加固和控制措施,從而確保隧道上方建筑物與隧道自身的安全。以杭州地鐵1號線某區(qū)間隧道為工程背景,采用flac3d對盾構(gòu)下穿房屋施工過程進行數(shù)值模擬,并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析。研究表明,盾構(gòu)掘進引起的地表沉降主要發(fā)生在盾構(gòu)機前方1d和后方2d(d為洞徑)的范圍內(nèi),由于建筑物的存在,改變了地表沉降等值線原有的擴散形態(tài),使得建筑物所在區(qū)域等值線較為密集,且施工完后隧道的\"雙凹槽\"并非完全與隧道軸線重合。最后對現(xiàn)場施工過程中可能遇到的一些風險因素進行分析,并提出了相應(yīng)的控制措施以確保建筑物和隧道本身的安全。研究結(jié)果可以為盾構(gòu)成功穿越建筑物提供科學(xué)有效的技術(shù)支持,并且為類似工程的施工提供一些技術(shù)參考。

隧道圍巖穩(wěn)定性評估是地下工程建設(shè)與維護所面臨的重要課題之一.基于此,文章從材料特性角度分別建立均值和非均值數(shù)值模型,針對沈陽地鐵2號線1標盾構(gòu)隧道下穿立交結(jié)構(gòu)的圍巖安全穩(wěn)定性進行評價.其中,均值模型側(cè)重于分析圍巖變形、應(yīng)力變化和塑性區(qū)分布特征,并結(jié)合實測數(shù)據(jù)對其計算合理性進行驗證;非均值模型側(cè)重于圍巖體細觀破壞過程,采用具有殘余強度的彈塑性損傷本構(gòu)模型及其破壞單元材料性質(zhì)退化方法,模擬隧道圍巖強度折減下的漸進破壞過程及聲發(fā)射規(guī)律,并計算出整體結(jié)構(gòu)安全系數(shù).同時,借助聲發(fā)射(ae)規(guī)律,探討了類似工況下隧道圍巖破壞模式,可為類似工程實踐提供參考依據(jù).

該文借鑒fisher判別理論,建立公路隧道圍巖評價模型,以期取得較好的效果。該項研究借助fisher判別明顯的統(tǒng)計優(yōu)勢,綜合國內(nèi)外大量巖體圍巖分級指標資料及工程實際,建立了公路隧道圍巖識別的fisher判別分析模型,選用隧道洞室圍巖巖石單軸飽和抗壓強度σc、節(jié)理平均間距d、巖石質(zhì)量指標rqd、地下水情況w等方面的綜合指標作為圍巖類別判定的評價因子,以21組公路隧道圍巖實測樣本數(shù)據(jù)進行學(xué)習訓(xùn)練和檢驗,并建立了相應(yīng)的線性判別函數(shù)對13組待判隧道圍巖類別情況進行了預(yù)測,判別結(jié)果與實際一致。研究結(jié)果表明,fda模型回判估計誤判率為0,交叉確認估計誤判率為4.8%,判別性能穩(wěn)健可靠,對現(xiàn)有評價公路隧道圍巖分級方法進行了有效的驗證和補充。

公路隧道圍巖結(jié)構(gòu)面調(diào)查分析——結(jié)構(gòu)面是巖體的重要組成部分，是巖體區(qū)別于其他工程介質(zhì)的本質(zhì)差別。結(jié)構(gòu)面的存在使巖體具有不均一性及各向異性，巖體的破壞機理在很大程度上受結(jié)構(gòu)面的控制。而公路隧道圍巖結(jié)構(gòu)面的幾何學(xué)及力學(xué)特征的調(diào)查研究是進行圍巖穩(wěn)定性...

在分析和修正已有結(jié)構(gòu)性參數(shù)的基礎(chǔ)上,首次提出了將結(jié)構(gòu)性參數(shù)直接應(yīng)用于工程實踐的思路。研究了黃土隧道開挖后圍巖結(jié)構(gòu)性的變化規(guī)律。研究得出:圍巖的結(jié)構(gòu)性參數(shù)與徑深和洞徑密切相關(guān);隨著徑深的增大,拱頂方向上圍巖的結(jié)構(gòu)性參數(shù)均呈現(xiàn)出先減小后增大的規(guī)律,存在一個最小值。與開挖前原狀土的結(jié)構(gòu)性參數(shù)相比,圍巖的結(jié)構(gòu)性損失在距拱頂約1.7～2.5m時達到最大。隨著洞徑的增大,開挖對圍巖黃土的擾動增強,拱頂方向上圍巖的結(jié)構(gòu)性減弱,結(jié)構(gòu)性參數(shù)的最小值變化不大,但最小值發(fā)生的位置逐漸遠離拱頂。最后,提出了以圍巖結(jié)構(gòu)性損失最大為依據(jù)判斷圍巖松動圈的新方法。分析表明,黃土隧道圍巖的松動圈在1.7～2.5m變化。

結(jié)合具體工程實際,研究了復(fù)雜地質(zhì)背景下圍巖變形與初期支護受力特征,并基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),從隧道水平收斂監(jiān)測、拱頂沉降監(jiān)測兩個角度,分析了施工期隧道圍巖的受力狀態(tài)及圍巖與支護的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明,隧道圍巖位移-時間曲線圖呈\"臺階型\

提出了用有限元—無界元的方法計算地下結(jié)構(gòu)———土耦合體系的應(yīng)力和變形。為了模擬實際受力狀態(tài),在地下結(jié)構(gòu)與土相接觸的界面上設(shè)置了一種有厚度的接觸面單元,它可以與土體的彈塑性模型相銜接,能合理地反映接觸面及其鄰近區(qū)域剪切破壞帶中的變形性狀。

結(jié)合具體工程實際，研究了復(fù)雜地質(zhì)背景下圍巖變形與初期支護受力特征，并基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，從隧道水平收斂監(jiān)測、拱頂沉降監(jiān)測兩個角度，分析了施工期隧道圍巖的受力狀態(tài)及圍巖與支護的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明，隧道圍巖位移一時間曲線圖呈“臺階型”，曲線類型可分為三個階段：增長和急速增長階段，該階段一般出現(xiàn)在開挖的1～10d左右；緩慢增長階段，該階段一般出現(xiàn)在開挖的11—30d左右；趨于穩(wěn)定階段，該階段一般出現(xiàn)在開挖的31—42d左右?！芭_階型”曲線與實際相符，當開始開挖隧道時圍巖變形速率急速增大，隨著圍巖變形速率逐漸減慢，然后受下一步開挖的影響，圍巖變形仍然處于緩慢增長，最后隨著開挖步驟的減少，圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定。

該文結(jié)合某公路隧道深埋段圍巖壓力監(jiān)測數(shù)據(jù),分析了圍巖徑向壓力的分布特征;考慮開挖面空間效應(yīng)影響對垂直圍巖壓力實測值進行修正,得到修正實測值與埋深的關(guān)系,并與基于普氏理論和公路隧道設(shè)計規(guī)范所得計算值進行對比分析,發(fā)現(xiàn)普氏法計算值偏不安全,規(guī)范法計算值較為保守.同時,分析了不同圍巖級別實測側(cè)壓力系數(shù)與規(guī)范推薦值之間的關(guān)系:圍巖級別越高側(cè)壓力系數(shù)越大,并普遍大于規(guī)范推薦值;側(cè)壓力系數(shù)與埋深基本無關(guān).

結(jié)合工程實例,通過對財神梁隧道全斷面法和臺階法兩種不同開挖方法下典型斷面的圍巖變形監(jiān)測,研究了其穩(wěn)定性狀況,并對圍巖變形曲線進行了回歸分析,從而優(yōu)化開挖方法和指導(dǎo)施工。

火災(zāi)下盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)反應(yīng)數(shù)值分析——文章利用大型通用有限元程序ansys12．0，初步建立起了三維盾構(gòu)隧道火災(zāi)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的數(shù)值模擬方法。進行了火災(zāi)　　下盾構(gòu)隧道襯砌的結(jié)構(gòu)反應(yīng)計算，分析了襯砌結(jié)構(gòu)的火災(zāi)變形性能與受力性能。最后對火災(zāi)下的隧道襯砌圓環(huán)承...

隧道圍巖大變形是目前公路、鐵路隧道建設(shè)中遇到的重要科學(xué)問題。工程實踐中,隧道圍巖大變形主要是由于圍巖遭受剪切破壞而產(chǎn)生了流變而導(dǎo)致的,部分隧道的圍巖大變形是由于圍巖成分中的親水礦物遇水發(fā)生水化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生體積膨脹產(chǎn)生的,故隧道圍巖大變形可以分為應(yīng)力型、材料性和結(jié)構(gòu)型3類。通過全面分析前人的研究成果,可以將隧道圍巖相對變形3%作為劃分隧道內(nèi)是否發(fā)生大變形的定量評價指標。而對于應(yīng)力型圍巖大變形,hoek提出的隧道圍巖徑向變形和掌子面變形預(yù)測公式較好地預(yù)測了施工現(xiàn)場的圍巖變形量,其現(xiàn)實意義較為明顯,但需要針對不同的工程條件調(diào)整原地應(yīng)力的估算公式或者考慮圍巖二次應(yīng)力場的賦存狀態(tài)。對于材料型和結(jié)構(gòu)型圍巖大變形的變形量預(yù)測,目前仍然是一塊研究的空白區(qū),需要進一步開展相關(guān)工作。

巖體質(zhì)量q系統(tǒng)未考慮隧道上覆不同地質(zhì)條件巖土體位置關(guān)系的相互影響。闡述了巖體質(zhì)量q系統(tǒng)在進行圍巖分級時存在的問題,基于摩爾-庫倫強度準則,提出了計算隧道圍巖松動區(qū)和承載區(qū)的公式,得出當隧道圍巖等級越高,即圍巖穩(wěn)定性越差時,松動區(qū)外半徑、承載區(qū)外半徑以及塑性區(qū)外半徑越大；通過將理論分析方法與數(shù)值模擬方法相結(jié)合,求出了隧道圍巖重要性系數(shù),提出了一種隧道圍巖分級新計算公式。

淺埋軟弱黃土公路隧道圍巖變形與襯砌受力特征——隧道圍巖變形和應(yīng)力場測試信息是工程圍巖狀態(tài)的動態(tài)反映，其為工程設(shè)計、施工、理論研究提供了可靠的資料，也為巖土工程從強度破壞極限狀態(tài)控制向著變形極限狀態(tài)控制發(fā)展提供了可靠的技術(shù)保障。分析量測結(jié)果并...

通過曼歇2號隧道中導(dǎo)洞開挖中的地質(zhì)素描和資料收集,依據(jù)掌子面和兩壁出露的地質(zhì)體的巖性、節(jié)理、巖體結(jié)構(gòu)類型、地質(zhì)構(gòu)造特征等綜合特征,沿其走向、傾向和傾角的延伸推斷工作面短距離前方的地質(zhì)情況,應(yīng)用赤平投影分析法對正洞的圍巖穩(wěn)定性和邊坡的變形破壞做出定性和定量分析,從而預(yù)測兩側(cè)正洞的地質(zhì)情況,對連拱隧道上、下行線正洞的施工予以指導(dǎo)和控制,進而達到短期預(yù)報的目的。

隨著國家公路交通建設(shè)的飛速發(fā)展,公路隧道建設(shè)需求隨之加大,尤其西部開發(fā)進一步有力拉動公路建設(shè)項目的加速實施,大批公路隧道建設(shè)項目被列入了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃。公路隧道建設(shè)工程需要面對眾多山嶺重丘區(qū)地帶,所處地理地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜,無疑將增加公路隧道勘察、設(shè)計及施工難度。作為指導(dǎo)隧道設(shè)計、施工的基礎(chǔ)標準——隧道圍巖分級在隧道建設(shè)中決定其設(shè)計質(zhì)量的高低及隧道施工的成敗。文章結(jié)合工程實際,淺顯分析了隧道圍巖分級在公路隧道建設(shè)中的工程作用與意義,供同行參考。