埋深和坡度對(duì)淺埋隧道圍巖穩(wěn)定影響的敏感性分析

基于能量的角度,采用極限分析理論中的上限定理對(duì)軟弱圍巖下淺埋隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,得到了圍巖壓力的理論公式。研究表明：埋深、土體容重越大及黏聚力、內(nèi)摩擦角越小,淺埋隧道的圍巖壓力越大,破壞范圍也越大;當(dāng)埋深較大、圍巖較好時(shí),淺埋隧道由于自穩(wěn)能力有可能不會(huì)發(fā)生破壞,而對(duì)于比較差的圍巖,在施工過(guò)程中應(yīng)采取更為安全可靠的支護(hù)措施,以防止發(fā)生垮塌破壞。

以石黔高速公路白水隧道為例,采用敏感性分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法計(jì)算出隧道圍巖各力學(xué)參數(shù)的敏感度,確定影響隧道變形的主要力學(xué)參數(shù)。首先,基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)構(gòu)造bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的樣本,建立待反演參數(shù)與圍巖變形的非線性映射關(guān)系,將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)實(shí)測(cè)值作為輸入樣本,得到圍巖力學(xué)參數(shù)。然后,將反演得到的力學(xué)參數(shù)代入到數(shù)值模擬中,計(jì)算出隧道圍巖變形值,對(duì)比分析實(shí)測(cè)值與計(jì)算值。結(jié)果表明,兩者誤差較小,這說(shuō)明該方法應(yīng)用于該工程的可行性。

淺埋隧道圍巖工程是非常重要的交通構(gòu)筑形式，多見(jiàn)于在丘陵、山區(qū)等斜坡地段，而且是鐵路建設(shè)、市政地下空間有效利用過(guò)程中不可避免的，因淺埋隧道開(kāi)挖造成的圍巖應(yīng)力比深埋隧道復(fù)雜。本文將對(duì)淺埋隧道穩(wěn)定性與圍巖壓力關(guān)系進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上就如何進(jìn)行施工建設(shè)，談一下自己的觀點(diǎn)和認(rèn)識(shí)，僅供參考。

基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和敏感性分析原理,探討了地表沉降對(duì)圍巖參數(shù)的敏感性,及其影響性態(tài)。結(jié)果表明:探明了變形對(duì)彈性模量最敏感,其次是摩擦角和粘聚力,而對(duì)泊松比最不敏感;地表沉降隨彈性模量、粘聚力、摩擦角的提高而減小,表明這些參數(shù)提高到一定的程度后,對(duì)減小地表最大沉降的作用越來(lái)越小;地表沉降隨泊松比的提高而變化很小。從而,在軟弱地層進(jìn)行圍巖的加固措施是經(jīng)濟(jì)合理的,而在條件很好的硬巖中再進(jìn)行圍巖加固則顯得不經(jīng)濟(jì)。

針對(duì)2種不同施工順序?qū)Φ叵露词覈鷰r穩(wěn)定性的影響,其一是先開(kāi)挖地下隧道,后修建地面建筑,分析了隧道洞頂?shù)某两滴灰啤⒍词覈鷰r的變形、塑性區(qū)、拉壓破壞區(qū)等;其二是先修建地面建筑地面建筑先完成,后開(kāi)挖地下隧道,分析了地下隧道的受力、變形、破壞區(qū)以塑性區(qū)等。通過(guò)分析得出了前一種施工順序更為有利的結(jié)論。

研究降雨入滲對(duì)滑坡的影響,選擇降雨強(qiáng)度、降雨持續(xù)時(shí)間、坡比、坡高、巖土體滲透系數(shù)5個(gè)參數(shù),采用灰色系統(tǒng)理論中的灰色關(guān)聯(lián)分析方法,建立灰色關(guān)聯(lián)模型,進(jìn)行降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的敏感性分析。結(jié)果表明,降雨強(qiáng)度和降雨持續(xù)時(shí)間是主要影響因素,降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響最大最敏感。通過(guò)分析,發(fā)現(xiàn)進(jìn)行邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)和滑坡災(zāi)害防治處理時(shí),應(yīng)對(duì)邊坡場(chǎng)地周邊的降雨強(qiáng)度和降雨持續(xù)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)資料予以足夠的重視。

以納溪高速公路敘嶺關(guān)隧道為背景,以方形溶洞為例,運(yùn)用三維有限元方法分析隧道側(cè)部溶洞對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明:隨著隧道的不斷推進(jìn),右拱腳附近豎向位移和最大主應(yīng)力有較明顯的增加;拱頂、拱底圍巖變形有朝溶洞方向位移的趨勢(shì);側(cè)部溶洞對(duì)圍巖的影響范圍大約是2倍隧道洞徑,對(duì)1倍隧道洞徑內(nèi)的圍巖及側(cè)部溶洞應(yīng)及時(shí)處理。隧道圍巖位移、應(yīng)力的變化規(guī)律可為巖溶處理、支護(hù)時(shí)機(jī)提供依據(jù)。

結(jié)合湖南省對(duì)口援建項(xiàng)目——理縣至小金公路工程中的豹子嘴巖質(zhì)邊坡,依據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,以flac3d數(shù)值計(jì)算法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)為手段,對(duì)影響巖質(zhì)邊坡地震穩(wěn)定性的5種因素參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析.通過(guò)極差分析和敏感性趨勢(shì)圖,得出了巖質(zhì)邊坡地震穩(wěn)定性對(duì)各影響因素的敏感程度,對(duì)震區(qū)巖質(zhì)邊坡設(shè)計(jì)和施工提供了理論依據(jù).

研究目的:地下工程的施工過(guò)程是其結(jié)構(gòu)安全度最差的階段,為了確保施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)安全,選擇加固圍巖的方法是工程技術(shù)人員最關(guān)心的問(wèn)題之一,因此圍巖參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)安全的敏感性就成了關(guān)鍵因素。針對(duì)海南工程,運(yùn)用大型通用有限元數(shù)值分析軟件(ansys),采用monte-carlo隨機(jī)有限元理論模擬,計(jì)算大斷面地下洞室多層耦合應(yīng)力超前解除及分層逆作2種方法的開(kāi)挖過(guò)程,在開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)每一步布置測(cè)線,對(duì)測(cè)線的收斂進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,比較圍巖參數(shù)對(duì)各條測(cè)線收斂的影響程度,針對(duì)各條測(cè)線對(duì)圍巖參數(shù)的敏感性進(jìn)行分析,比較總結(jié)出影響地下洞室收斂的關(guān)鍵因素。研究結(jié)論:影響洞室豎向測(cè)線收斂的巖土參數(shù)由大到小依次為:變形模量、波松比、內(nèi)摩擦角、粘聚力。影響洞室水平測(cè)線收斂的巖土參數(shù)由大到小依次為:波松比、變形模量、內(nèi)摩擦角、粘聚力。

在尚家灣隧道施工期間,曾預(yù)報(bào)并揭露大型溶洞,溶洞的存在給隧道施工帶來(lái)極大的安全隱患。以尚家灣隧道為背景,開(kāi)展數(shù)值試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比隧道前方有、無(wú)溶洞條件下開(kāi)挖工況,從位移、應(yīng)力、塑性區(qū)3個(gè)方面分析了隧道前方大型溶洞對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。研究表明:對(duì)于本工程而言,溶洞對(duì)隧道底部和左側(cè)拱腰的影響要大于對(duì)隧道頂部及右側(cè)拱腰的影響;隧道前方存在大型溶洞條件下塑性區(qū)體積隨開(kāi)挖位置呈指數(shù)增長(zhǎng)。隧道前方無(wú)溶洞條件下,塑性區(qū)體積隨開(kāi)挖位置呈線性增長(zhǎng),即溶洞的存在大大加速了隧道開(kāi)挖塑性破壞區(qū)的增長(zhǎng)。該研究對(duì)巖溶地區(qū)隧道安全施工具有一定的指導(dǎo)意義。

為研究山區(qū)路基穩(wěn)定性影響因素的敏感性，采用等水平正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，基于bishop法建立路堤、地基一體化分析模型，分析了路堤高度、地基斜率、地基土強(qiáng)度參數(shù)、路堤填土強(qiáng)度參數(shù)4因素對(duì)路堤穩(wěn)定性影響的主次關(guān)系。分析結(jié)果表明：首先，影響山區(qū)公路路基整體穩(wěn)定性最重要的因素為地基強(qiáng)度；其次，邊坡高度與路堤填土強(qiáng)度對(duì)路基整體穩(wěn)定性也有較大的影響，而地基坡率對(duì)路堤整體穩(wěn)定性影響相對(duì)較小。

隨著我國(guó)西南部大規(guī)模鐵路建設(shè)的實(shí)施,受地形地勢(shì)的影響,淺埋偏壓隧道越來(lái)越多的出現(xiàn)在工程實(shí)際當(dāng)中。對(duì)于此類隧道,初期支護(hù)時(shí)機(jī)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響是一個(gè)不容忽視的重要問(wèn)題。針對(duì)改建鐵路成昆線老鼻山隧道洞口淺埋偏壓段的工程實(shí)例,應(yīng)用大型有限元分析軟件abaqus模擬分析了隧道開(kāi)挖后在不同應(yīng)力釋放率情況下施加初期支護(hù)的作用效果。對(duì)淺埋偏壓隧道不同支護(hù)時(shí)機(jī)下圍巖的變形規(guī)律以及圍巖的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了研究,初步分析了兩者與支護(hù)時(shí)機(jī)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

通過(guò)建立有限元、離散元兩種數(shù)值力學(xué)模型,開(kāi)展開(kāi)挖跨度對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律研究。結(jié)果表明:在不考慮洞室形狀影響的前提下,當(dāng)圍巖按連續(xù)介質(zhì)假設(shè),且開(kāi)挖后仍處于彈性應(yīng)力狀態(tài)時(shí),單純?cè)黾铀淼篱_(kāi)挖跨度對(duì)圍巖應(yīng)力狀態(tài)影響不大;但若開(kāi)挖后進(jìn)入彈塑性應(yīng)力狀態(tài),則單純加大開(kāi)挖跨度會(huì)導(dǎo)致塑性區(qū)半徑大幅度增加,影響圍巖穩(wěn)定。當(dāng)圍巖按非連續(xù)介質(zhì)假定時(shí),巖體失穩(wěn)主要呈現(xiàn)節(jié)理面間剪切滑移。開(kāi)挖跨度增大相當(dāng)于隧道跨度與巖塊的相對(duì)尺度增大,隧道關(guān)鍵塊體失穩(wěn)概率加大,對(duì)于相同產(chǎn)狀節(jié)理巖體,關(guān)鍵塊體出現(xiàn)部位相同;另一方面,跨度增大引起在隧道開(kāi)挖的應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)內(nèi)遭遇節(jié)理的組數(shù)增加,組數(shù)越多,巖體越破碎,失穩(wěn)概率越大,且失穩(wěn)模式各有不同,增加了支護(hù)難度。

采用有限元方法,初步研究了隧洞在埋深為33,233,433m時(shí),在ⅰ~ⅴ級(jí)圍巖的受力、塑性變形和位移變化。研究發(fā)現(xiàn),在同一埋深下,隨著圍巖破碎程度的增加,圍巖的受拉區(qū)和塑性變形區(qū)逐漸從拱頂、底向邊墻轉(zhuǎn)移,并可能在邊墻處發(fā)生拉應(yīng)力突增現(xiàn)象,突增幅度隨埋深的增加而增大。隧洞的拱頂、邊墻和拱底都會(huì)產(chǎn)生較大位移;隨著埋深的增加和巖體的破碎,拱頂和拱肩的位移會(huì)超過(guò)其他部位。計(jì)算結(jié)果和已有的模型試驗(yàn)結(jié)果相比較,論證了研究方法和結(jié)論的合理性。

通過(guò)深入分析西南某深埋長(zhǎng)引水隧洞軟巖洞段地應(yīng)力鉆孔實(shí)測(cè)資料,得到了水平構(gòu)造應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)隨隧洞埋深的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上,采用快速應(yīng)力邊界法開(kāi)展數(shù)值計(jì)算,探討洞型、圍巖類別、埋深等因素對(duì)該段圍巖變形量的影響及其變化規(guī)律,開(kāi)展了圍巖變形量敏感性分析。結(jié)果表明,該洞段圍巖變形量隨圍巖類別降低而增大,隨埋深增加而增大。研究成果可為該類隧洞深埋軟巖洞段開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)提供借鑒。

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(kāi)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(kāi)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.

大跨自錨式懸索橋顫振穩(wěn)定性的敏感性分析——基于橋梁多振型耦合的氣彈性理論，建立了基于特征值問(wèn)題的氣動(dòng)參數(shù)敏感性分析方法，并結(jié)合目前國(guó)內(nèi)最大跨度的獨(dú)塔和雙塔自錨式懸索橋的風(fēng)洞試驗(yàn)資料，分別探討截面形狀、氣動(dòng)阻尼、模態(tài)耦合、顫振導(dǎo)數(shù)等對(duì)橋梁氣動(dòng)性...

我國(guó)部分高速公路建設(shè)在山地丘陵地區(qū),地質(zhì)條件極其復(fù)雜,會(huì)遇到大量隧道工程,而有些隧道受到地形、線形規(guī)劃等條件的限制,往往需要修建小凈距隧道,而圍巖穩(wěn)定性對(duì)于施工尤為重要。本文以某淺埋小凈距隧道為例,采用數(shù)值模擬的分析方法,研究隧道出口段分別采用交叉中隔壁法(crd工法)和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工對(duì)圍巖變形和力學(xué)特性的穩(wěn)定性影響,將不同施工方法開(kāi)挖引起的隧道圍巖變形和塑性區(qū)情況進(jìn)行了對(duì)比分析。研究結(jié)果表明,crd工法引起的圍巖擾動(dòng)相對(duì)較小,這將為比較選擇更為安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)和施工方法提供較好的科學(xué)依據(jù)。

以某邊坡為例,采用強(qiáng)度折減法,應(yīng)用通用有限元分析軟件adina對(duì)該邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析.采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和極差分析法,模擬了內(nèi)摩擦角、粘聚力與土體重度3個(gè)邊坡穩(wěn)定影響因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性敏感程度,得出影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素和次要因素,可為邊坡失穩(wěn)的預(yù)測(cè)與防治提出符合工程實(shí)際的建議.結(jié)果表明,內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡安全系數(shù)影響最大,粘聚力對(duì)安全系數(shù)影響次之,重度對(duì)安全系數(shù)影響最小.

以某隧道為背景,對(duì)淺埋偏壓公路隧道在crd法開(kāi)挖條件下進(jìn)行施工力學(xué)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控.分析開(kāi)挖過(guò)程中圍巖應(yīng)力的變化情況,并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較.結(jié)果表明:淺埋偏壓隧道開(kāi)挖后,圍巖應(yīng)力場(chǎng)并不對(duì)稱,深埋側(cè)的變化程度大于淺埋側(cè);在每一個(gè)開(kāi)挖步驟前后,圍巖應(yīng)力變化較大;鋼弦式傳感器能夠記錄圍巖應(yīng)力釋放的情況.

工程造價(jià)的敏感性分析

以一工程實(shí)例為基礎(chǔ),運(yùn)用zsoil.pcv2014有限元強(qiáng)度折減法研究邊坡在坡頂建筑物基礎(chǔ)影響下的穩(wěn)定安全系數(shù),土體采用mohr-coulomb理想彈塑性模型,并分析此類邊坡穩(wěn)定對(duì)8個(gè)物理、幾何參數(shù)的敏感性,提出邊坡治理的關(guān)鍵因素及設(shè)計(jì)、施工中的注意事項(xiàng)。