裂隙巖體中開挖隧道的雙場(chǎng)耦合蠕變分析

隧道穿越節(jié)理裂隙發(fā)育地質(zhì)環(huán)境時(shí),水壓力以及節(jié)理裂隙發(fā)育程度會(huì)對(duì)開挖后圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響.以某隧道為工程背景,運(yùn)用離散元理論,考慮流固耦合作用,分析了水位高度和節(jié)理法向剛度對(duì)隧道開挖后洞周位移收斂、圍巖剪應(yīng)力及塑性區(qū)、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響.計(jì)算結(jié)果表明:在一定范圍內(nèi),水位高度和節(jié)理法向剛度越大,圍巖塑性區(qū)的范圍越小,襯砌結(jié)構(gòu)受到的內(nèi)力越小,隧道越安全.

1問題的提出從隧道施工實(shí)踐可知,采用柔性結(jié)構(gòu)作為隧道支護(hù),容許考慮支護(hù)與周圍地層的共同作用,從而調(diào)整作用在支護(hù)上的地層壓力,降低對(duì)支護(hù)承載能力的要求。采用礦山法開挖隧道時(shí),上述情況在新奧法施工工藝中表現(xiàn)得最充分。在此

如何準(zhǔn)確地了解和預(yù)測(cè)隧洞周圍裂隙巖體的滲流-應(yīng)力耦合行為對(duì)錦屏二級(jí)水電站深埋高壓引水隧洞的設(shè)計(jì)和施工有著重要意義。錦屏山裂隙巖體的滲透系數(shù)的空間非均質(zhì)分布利用隨機(jī)連續(xù)模型生成。通過順序指示模擬方法生成的隨機(jī)連續(xù)場(chǎng)隨后被導(dǎo)入有限元程序進(jìn)行兩場(chǎng)耦合分析。計(jì)算結(jié)果表明,隨機(jī)連續(xù)模型能夠較好地預(yù)測(cè)錦屏二級(jí)水電站隧洞開挖過程中地下水的最大入滲率。滲透系數(shù)的空間變異性使得隧道開挖后圍巖應(yīng)力有明顯的非連續(xù)性,對(duì)裂隙介質(zhì)的耦合過程起著重要作用。同時(shí),雨季降雨對(duì)隧道支護(hù)系統(tǒng)有著重要影響。補(bǔ)給水將引起外水壓力短時(shí)升高,襯砌上的負(fù)荷增加,其彎矩增加了近22%。

注漿材料主要是注漿堵水工程中一個(gè)重要的環(huán)節(jié),尤其是在巖體裂隙發(fā)育帶注漿堵水工程中起到了決定性的作用。本文主要說明了目前國(guó)內(nèi)外常用的注漿材料成分,介紹了兩種微裂隙注漿堵水中常用到的注漿材料:超細(xì)水泥漿液和化學(xué)漿液中的脲醛樹脂漿液的性能特點(diǎn)。

河口村水庫(kù)兩岸壩肩巖體裂隙發(fā)育,繞壩滲漏較為嚴(yán)重.進(jìn)行帷幕灌漿防滲處理后,蓄水期繞滲監(jiān)測(cè)資料分析表明,兩岸地下水位變化基本正常,部分測(cè)壓管帷幕前后水位差異不明顯.進(jìn)一步構(gòu)建三維有限元水文地質(zhì)模型,并采用考慮局部缺損的帷幕灌漿等效滲透系數(shù)進(jìn)行滲流數(shù)值模擬分析,結(jié)果表明:壩肩裂隙巖體灌漿處理后,滲漏量降低了86.5%,防滲處理效果顯著;各部位水力梯度不大,在壩肩裂隙巖體內(nèi)形成滲透穩(wěn)定問題的可能性不大.左岸山體仍是最主要的滲漏通道,占總滲漏量的52.69%,應(yīng)控制水位抬升速率,加強(qiáng)滲流監(jiān)測(cè)并進(jìn)行必要的補(bǔ)強(qiáng)灌漿處理.

采用近年來對(duì)斷續(xù)節(jié)理巖體本構(gòu)關(guān)系的研究成果，從巖體穩(wěn)定性出發(fā)，考慮現(xiàn)場(chǎng)施工的約束條件，在每次開挖兩個(gè)分塊的前提下，對(duì)某大型節(jié)理巖體地下廠房洞室群施工順序做了優(yōu)化分析。發(fā)現(xiàn)優(yōu)化方案比原有方案圍巖穩(wěn)定性有較大程度的提高，并得到一些有益結(jié)論。

隧道通過裂隙巖體的含水區(qū)段時(shí),人為擾動(dòng)了裂隙巖體、地下水等構(gòu)成的復(fù)雜地質(zhì)系統(tǒng),是造成各種涌水、突水、突泥事故的重要原因。為了研究復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道開挖過程中巖體變形、流體運(yùn)移相互作用過程,探討其對(duì)隧道涌、突水的影響,在上述復(fù)雜過程進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)深埋隧道圍巖裂隙發(fā)育規(guī)模與工程尺度的關(guān)系,建立可以同時(shí)考慮不同級(jí)別裂隙網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜裂隙巖體水力學(xué)模型,采用有限元法對(duì)復(fù)雜裂隙巖體中開挖隧道的固流耦合過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,模擬結(jié)果體現(xiàn)了主干裂隙在滲流中的強(qiáng)導(dǎo)水作用和網(wǎng)絡(luò)狀裂隙的貯水功能與滲流滯后效應(yīng),開挖過程中復(fù)雜裂隙巖體滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合作用顯著的增加了隧道圍巖屈服區(qū)。

盾構(gòu)掘進(jìn)法開挖隧道引起的地表沉降對(duì)地面建筑物影響在地下工程施工中越來越受到人們的關(guān)注,而這個(gè)問題的關(guān)鍵是要對(duì)地表沉降進(jìn)行預(yù)估。總結(jié)了國(guó)內(nèi)外對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)法開挖隧道引起地表沉降進(jìn)行預(yù)估的常用計(jì)算方法,如peck橫向沉降槽經(jīng)驗(yàn)公式及修正公式、數(shù)值分析法、模型試驗(yàn)法和智能決策理論方法。最后就目前國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)掘進(jìn)法施工隧道對(duì)地表沉降影響研究中存在的問題進(jìn)行了探討,并提出了一些實(shí)質(zhì)性的建議。

通過對(duì)鐵建設(shè)〔2010〕223號(hào)發(fā)布的新版《鐵路隧道預(yù)算定額》和《高速鐵路路基、橋梁、隧道、無砟軌道工程補(bǔ)充定額》學(xué)習(xí),提出了客運(yùn)專線利用無軌輔助坑道開挖正洞隧道出砟及襯砌混凝土概算編制方法,以期為類似項(xiàng)目概算編制提供指導(dǎo)。

裂隙巖體三維網(wǎng)絡(luò)流的滲透路徑搜索——裂隙是巖體的主要滲透通道，但裂隙網(wǎng)絡(luò)的分布非常復(fù)雜，只能借助計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)。以隨機(jī)不連續(xù)面三維網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)構(gòu)筑巖體裂隙系統(tǒng)的空間分布，為巖體水力學(xué)問題研究提供巖體空隙結(jié)構(gòu)的物理背景；依據(jù)計(jì)算幾何學(xué)提...

介紹利用水電比擬模型研究大區(qū)域裂隙巖體滲流問題的實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)中遇到的如區(qū)域交形過分，分離變界面連接等問題，提出了看法和解決途徑。與水力學(xué)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較表明，用水電比擬模型研究大區(qū)域裂隙巖體滲流問題是可行和簡(jiǎn)便的。

以黎家灣隧道穿越圍巖破碎段為研究背景,建立了有限元數(shù)值模型,采用數(shù)值分析方法研究了隧道開挖過程中的位移和初期支護(hù)的內(nèi)力,計(jì)算結(jié)果表明開挖過程中隧道變形和支護(hù)內(nèi)力滿足設(shè)計(jì)要求,說明現(xiàn)場(chǎng)隧道開挖和支護(hù)方案可行,為類似工程施工設(shè)計(jì)提供參考。

運(yùn)用相似模型試驗(yàn)和數(shù)值分析成果,分析巖溶區(qū)公路隧道在全斷面開挖過程中的圍巖變形特性.提出了巖溶區(qū)全斷面開挖隧道圍巖變形時(shí)空曲線的一般模式.在此基礎(chǔ)上,建立了巖溶區(qū)圍巖穩(wěn)定性判別標(biāo)準(zhǔn),給出超前支護(hù)和二次襯砌的最佳時(shí)機(jī).并運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)果驗(yàn)證了所提出的巖溶區(qū)全斷面開挖隧道圍巖變形規(guī)律的正確性.

利用有限元軟件abaqus,采用對(duì)隧道洞室周邊及開挖面的土體施加由盾構(gòu)機(jī)引起的各種荷載的方法模擬天津市地鐵1號(hào)線盾構(gòu)施工。計(jì)算結(jié)果表明,有限元模型能夠很好地模擬盾構(gòu)施工過程。利用此模型研究隧道開挖對(duì)樁基礎(chǔ)的影響。隧道開挖引起的樁頂沉降、樁身側(cè)移主要發(fā)生在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)面逐漸接近樁的過程中,當(dāng)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)面通過樁所在的位置后樁頂沉降、樁身側(cè)移增加不明顯;與隧道水平距離相同時(shí),由于長(zhǎng)樁能夠充分發(fā)揮樁身下部的側(cè)摩阻力,隧道開挖引起的長(zhǎng)樁的樁頂沉降小于短樁的樁頂沉降;隧道開挖過程中12m長(zhǎng)樁的樁身發(fā)生了整體傾斜,16、19m長(zhǎng)樁的樁身出現(xiàn)了彎曲變形,16、19m長(zhǎng)樁的樁身最大彎矩發(fā)生在地面下12～13m之間,即在隧道軸線附近;開挖過程中樁頂出現(xiàn)沿隧道推進(jìn)方向的往復(fù)位移;樁頂作用的豎向荷載越大,由隧道開挖引起的樁頂沉降越大。

以某隧道開挖套拱后致上方局部坡體發(fā)生滑移拉裂破壞為研究背景,采用強(qiáng)度折減有限元法建立計(jì)算模型,分析在開挖隧道套拱底部時(shí)的邊坡安全系數(shù),側(cè)坡總位移及有效塑性應(yīng)變；并在此基礎(chǔ)上提出邊坡加固方案。數(shù)值計(jì)算分析表明,套拱上方局部坡體的滑移主要由于上覆土體偏壓、土體地下水未及時(shí)排除和坡體支護(hù)不到位所致,其中土體富水對(duì)套拱上方局部坡體滑移起主導(dǎo)作用；通過6種支護(hù)工法對(duì)比分析,在開挖隧道套拱過程中及時(shí)排除地下水、對(duì)坡面做好混凝土支護(hù)、局部坡體進(jìn)行注漿及錨桿支護(hù),可有效提高邊坡的穩(wěn)定性。

通過相似單裂隙巖體凍結(jié)三軸試驗(yàn),研究裂隙傾角、跡長(zhǎng)、隙寬、圍壓和溫度對(duì)單裂隙巖體力學(xué)特性的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明：裂隙巖體力學(xué)參數(shù)與傾角呈二次函數(shù)分布,與跡長(zhǎng)呈指數(shù)函數(shù)分布,通過擬合式（3）可近似計(jì)算巖體強(qiáng)度;巖體強(qiáng)度與圍壓呈線性分布,負(fù)溫條件下泊松比和彈性模量受圍壓影響較小;隙寬小于0.1mm或大于0.8mm時(shí),巖體強(qiáng)度隨隙寬增大而減小,隙寬在0.1-0.8mm之間時(shí),巖體力學(xué)參數(shù)幾乎不受隙寬影響;巖體強(qiáng)度隨溫度降低而增大的作用機(jī)制是巖體孔隙水和裂隙水凍結(jié)成冰,增大了顆粒間的凝聚力和摩擦角;裂隙傾角影響破裂面的起始位置,跡長(zhǎng)影響破裂面的擴(kuò)展規(guī)模,圍壓影響破裂面的延伸方向;傾角對(duì)巖體強(qiáng)度影響最大,跡長(zhǎng)次之,溫度影響最小。

賦存的地下水多屬基巖裂隙水,通常在細(xì)裂隙網(wǎng)絡(luò)中的水一般呈線性流運(yùn)動(dòng)。含水層富水區(qū)的地下水往往具有統(tǒng)一的地下水面,透水性相對(duì)較為均勻,具有宏觀滲流性質(zhì),可采用理論上成熟的準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)模型研究地下水流的運(yùn)動(dòng)特征。而通過裂隙統(tǒng)計(jì)求取巖體的滲透張量是目前確定巖體滲透系數(shù)的主要方法之一,因此本文將根據(jù)裂隙巖體的滲透張量來研究疊溪隧道的滲透性。

在充分研究花崗巖蝕變帶工程地質(zhì)及蝕變特性的基礎(chǔ)上,運(yùn)用隧道工程理論和圍巖監(jiān)測(cè)技術(shù)與方法,對(duì)隧道施工方法及支護(hù)結(jié)構(gòu)與參數(shù)進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)盡管花崗巖本身強(qiáng)度較高,但由于其蝕變特性和地下水等因素的作用,大幅度降低隧道圍巖強(qiáng)度導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)較大變形。根據(jù)花崗蝕變巖隧道開挖過程圍巖變形特點(diǎn),提出了\"加大預(yù)留變形量并采取襯砌緊跟\"的措施。施工實(shí)踐表明,該法可以滿足圍巖穩(wěn)定要求和結(jié)構(gòu)安全。

針對(duì)現(xiàn)行裂隙巖體宏觀力學(xué)參數(shù)選擇與確定方法的研究進(jìn)展和存在的局限性,結(jié)合室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)所得完整巖體和裂隙結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù),采用裂隙巖體數(shù)值模擬等效計(jì)算方法,對(duì)西藏瀾滄江如美水電站壩址區(qū)裂隙巖體進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算,分析了裂隙巖體參數(shù)等效的影響因子,提出了一種裂隙巖體宏觀力學(xué)參數(shù)三維模擬分析的新方法。

提出了含排水孔裂隙巖體的滲流與法向應(yīng)力耦合的復(fù)合單元算法。基于"空氣單元"和"充填模型",提出的復(fù)合單元耦合模型視排水孔和裂隙為虛擬的具有高空隙率的"充填介質(zhì)",采用復(fù)合單元前處理程序,排水孔和裂隙依據(jù)其具體位置和方位可自動(dòng)離散模擬在復(fù)合單元內(nèi)部,計(jì)算網(wǎng)格生成時(shí)無需考慮排水孔和裂隙的存在,網(wǎng)格劃分不受限制?；趶?fù)合單元法,采用兩場(chǎng)交叉迭代算法,建立了含排水孔裂隙巖體的滲流與法向應(yīng)力耦合算法。此耦合算法不僅考慮了排水孔和裂隙中的滲流,而且考慮了排水孔和裂隙與相鄰巖塊之間的流量交換。通過復(fù)合單元和傳統(tǒng)有限元兩種數(shù)值模型進(jìn)行簡(jiǎn)單算例分析,可知兩種算法結(jié)果基本一致,進(jìn)一步驗(yàn)證了提出的含排水孔裂隙巖體的滲流與法向應(yīng)力耦合算法的有效性,同時(shí)可看出復(fù)合單元耦合模型的前處理簡(jiǎn)便快捷。

為研究巖溶隧道富裂隙圍巖爆炸過程中應(yīng)力波的傳播與衰減規(guī)律,運(yùn)用ansys/ls-dyna軟件對(duì)隧道巖體中含不同充填介質(zhì)、不同寬度和不同爆源距離的巖溶裂隙進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明:爆炸應(yīng)力波在巖溶裂隙處的傳播主要受裂隙內(nèi)充填介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)的影響,其次受到裂隙寬度、爆源與裂隙距離和爆源強(qiáng)度等因素的影響。充填介質(zhì)的強(qiáng)度越小,波阻抗也越小,對(duì)介質(zhì)中應(yīng)力波的阻隔作用則越大。裂隙與爆源的距離越遠(yuǎn),爆源強(qiáng)度越小,有效應(yīng)力峰值也越小。裂隙越寬,對(duì)應(yīng)力波的削弱越大。結(jié)合該結(jié)論對(duì)巖溶隧道裂隙圍巖在爆破過程中出現(xiàn)的實(shí)際問題進(jìn)行分析,找出了影響爆破效果的關(guān)鍵因素,通過調(diào)整爆破設(shè)計(jì)參數(shù),得到了不同裂隙圍巖條件下爆破參數(shù)參考值,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試取得了較好的爆破效果,研究結(jié)果可為類似條件下的隧道爆破參數(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)和參考。

在已有巖體結(jié)構(gòu)分形研究的基礎(chǔ)上,提出了基于rosiwal截取法的巖石結(jié)構(gòu)分形維數(shù)分析方法,即用分形維數(shù)的大小反映結(jié)構(gòu)面發(fā)育的復(fù)雜程度,并運(yùn)用這種方法對(duì)小浪底水利樞紐區(qū)域?qū)訝盍严稁r體進(jìn)行了分形研究。研究結(jié)果表明:小浪底水利樞紐導(dǎo)流洞區(qū)域?qū)訝盍严稁r體具有很好的分形特征,巖體結(jié)構(gòu)是受層理控制的,而節(jié)理裂隙對(duì)巖體穩(wěn)定性的影響處于次要地位;處于同類構(gòu)造或沉積區(qū)的巖體,分形維數(shù)與巖體強(qiáng)度相關(guān);巖體的分形維數(shù)是與巖石強(qiáng)度、構(gòu)造歷史和巖性學(xué)特征有關(guān)的一個(gè)參量。