隧道围岩收敛变形预测模型动态选择与变形量概率 预测

高地应力或复杂地质条件下隧道围岩极易变形侵限。在隧道施工期对围岩的变形趋势与收敛变形值进行超前判识,对保障施工人员安全、提高隧道施工效率具有重要意义。传统单一预测模型难以适应隧道收敛变形的动态变化,预测效果有限。建立了一个基于连续贝叶斯反分析方法和最优模型选择的围岩收敛变形动态预测模型,利用隧道收敛变形监测信息作为观察值,对用于围岩收敛变形曲线预测的3种经验模型参数进行了连续更新校准,选择最优模型预测围岩最终收敛变形值并量化其不确定性。将该模型应用于白马隧道9个断面16组测点的围岩收敛变形预测,预测与监测的最终收敛变形量平均相对误差仅3.22%。动态预测模型仅需开挖后10 d的观测数据即可有效预测40 d的最终变形收敛结果,为全断面开挖法隧道围岩变形侵限和大变形灾害防治提供了重要技术支撑。

基于BP神经网络的隧道超前地质预报资料综合解译技术研究

为提高超前地质预报资料综合解译的准确性,本次研究通过大量预报工作实践与持续开挖验证,建立了一套基于隧道掌子面地质调查法、地震波反射法和电磁波反射法于一体的隧道超前地质预报资料的综合解译规则。其中,一级综合解译基于掌子面地质编录一项指标和超前地质预报探测的四项指标分析得到,包含70条一级综合解译结果;二级综合解译在一级综合解译的基础上增加了地质雷达探测资料的两项指标,包含117条二级综合解译结果;二级综合解译比一级综合解译更详细、具体,降低了多解性出现的概率。同时,选取了70组训练样本,采用Back Propagation神经网络分析方法训练解译规则,形成了一套隧道超前地质预报综合解译技术。最后,以大巴山脉某公路隧道预报为应用实例,提出方法的预报准确率在80%以上,证明了该综合解译技术的有效性,研究可为隧道综合超前地质预报资料解译提供参考。

高温作用下围压对页岩力学特性影响的试验研究

利用MTS815型程控伺服刚性试验机对页岩开展高温常规三轴压缩试验,基于试验结果分析围压与页岩应力-应变曲线特征、峰值强度、弹性模量、泊松比、峰值应变的关系。结果表明,按体积应变特征,应力-应变曲线可归为3类:扩张型、压缩-扩张过渡型和压缩型,围压对页岩具有较明显的扩容作用。在同一温度时,在5～25 MPa围压范围内,页岩峰值强度(σ1-σ3)较低,表现出较强的塑性变形破坏特征,峰值强度和弹性模量具有随围压增加而增大的趋势。围压小于15 MPa时,页岩泊松比随围压增大而增大,而峰值轴向应变和峰值横向应变均随围压增加而逐渐降低;围压大于15 MPa后,泊松比随围压增加呈小幅下降,峰值轴向应变和峰值横向应变随围压增加而略有增大。

THM耦合作用下千枚岩隧道大变形机理

以千枚岩这一典型软岩为对象,通过高地温、高渗透水压、高围压条件下的三轴卸荷试验,研究热—水—力(THM)耦合作用下千枚岩的变形破坏特征;以大理—瑞丽铁路高黎贡山隧道为例,采用数值模拟方法模拟THM耦合作用下千枚岩隧道的大变形;结合试验结果和数值模拟结果,探讨THM耦合作用下千枚岩隧道大变形的机理。结果表明:高渗透水压和高地温对千枚岩裂缝的产生和扩张起着促进作用,随着渗透水压、地温的升高,千枚岩的峰值应力降低,并且渗透水压的影响大于地温的影响;在THM耦合作用下,隧道边墙处的位移最大,拱脚处的应力相对集中,洞壁处的渗流速度最大,地温的分布主要受地下水渗流方向控制;隧道洞壁的应力、位移和渗流速度随地温的升高而增大。提出"HM,TH,T→M"的THM耦合模式。得到THM耦合作用下千枚岩隧道产生大变形的机理为:高地温将造成围岩发生初始热损伤;高渗透水压将促进围岩软化并使其内部裂纹进一步扩展;当隧道开挖形成的二次应力超过围岩屈服强度时,将导致围岩塑性流动。

基于模糊层次综合评判的大变形预测方法

为探讨大变形较准确的预测方法,在综合分析大变形形成条件的基础上,归纳出岩性条件、应力条件和围岩条件3个方面、8个指标作为影响大变形发生的主要因素。在此基础上,采用模糊综合评判和层次分析相结合的方法,提出了一类新的大变形综合分级预测方法。该方法较全面地考虑了大变形发生的多种影响因素,对各因素的重要性进行了层次分析评价,避免单一判据所带来的局限性。

隧道震裂岩体围岩分级方法初探

汶川地震产生了大量的震裂松动山体,为合理评价在这些震裂山体中新建隧道的围岩级别,通过极震区在建隧道现场震裂岩体调查,对震裂岩体特征及其对围岩稳定性的影响进行了分析。震裂岩体是一种受强烈地震波作用后,岩体结构面更加发育,层间结合更差的一种岩体;并且硬质岩和软质岩的震裂特征不同,硬质震裂岩体易产生集中式张裂缝和松动,软质震裂岩体易产生体积式松弛变形。在此基础上,提出了岩体震裂等级,划分为轻微、中等、强烈三种级别,并建立了震裂岩体围岩分级的修正方案,即:轻微震裂岩体对围岩稳定性影响不大,可不考虑降低围岩级别,或者降低0.5级;中等震裂岩体对围岩稳定性有不利影响,围岩级别降低0.5～1级;强烈震裂岩体对围岩稳定性影响极为不利,围岩级别降低1～1.5级。

鹧鸪山隧道二次衬砌开裂机理及支护时机探讨

隧道二次衬砌开裂成因复杂,只有分清隧道二次衬砌开裂原因,才能对其提出合理的处治对策,以保证隧道施工、运营安全。文章以某高速公路(炭质)千枚岩隧道为例,基于隧道出口段二次衬砌开裂特征,结合现场监控量测以及工程地质条件,分析该隧道二次衬砌开裂主要原因是围岩地质条件差、围岩级别低且二次衬砌施作过早。然后进一步采用数值计算分析不同二次衬砌施作时机下的应力特征,结果表明:二次衬砌施作过早导致边墙和拱腰附近二次衬砌内侧产生较大的拉应力,且二次衬砌施作越早,拉应力越大,这将导致二次衬砌张拉开裂;在初期支护变形量为隧道最终变形收敛值的65%~70%之后施作二次衬砌较适宜。建议在类似隧道施工中加强监控量测,严格控制二次衬砌支护时机。

某水电站洞室岩爆的尺寸效应

统计某水电站探洞和交通洞现场典型岩爆特征表明,在基本地质条件相似的情况下,岩爆具有随洞室尺寸的增大而增强的趋势,即岩爆具有尺寸效应。根据围岩条件和应力条件建立岩爆分级判别标准,并运用该标准对比分析了整条交通洞和引水隧洞岩爆的尺寸效应,结果表明,在相同桩号处,在其他岩爆发生条件相似的情况下,引水隧洞的岩爆烈度将比交通洞的提高半个等级。

基于MATLAB神经网络工具箱的岩爆预测模型

文章介绍了BP人工神经网络的基本原理,针对其收敛差的缺点,发挥MATLAB神经网络工具箱的优势,分别采用VLBP和LMBP算法建立了改进后的BP神经网络。对于影响岩爆发生的关键因素,总结了专家经验,选取地下硐室围岩最大切向应力与岩石单轴抗压强度比值、岩石单轴抗压强度和抗拉强度比值和岩石冲击性倾向指数作为岩爆预测的评判指标,建立了岩爆预测的神经网络模型,并利用国内外一些岩石地下工程实例进行分析计算校验,计算结果表明,用该模型进行岩爆预测是可行有效的。

隧道超前地质预报中不良地质体的瞬变电磁响应特征

采用电磁场有限元方法,模拟计算隧道中瞬变电磁法预报不良地质体的视电阻率,研究视电阻率等值线图中断层、溶洞等不良地质体的瞬变电磁响应特征。研究结果表明:在不良地质体周围,视电阻率等值线相对密集,在不良地质体内部或者周围岩体,等值线相对稀疏;由此可根据等值线密集带和视电阻率相对大小,初步判断不良地质体的位置和大小。当掌子面前方存在富水溶洞时,溶洞部位视电阻率明显偏低且等值线密集;存在富水断层时,断层部位等值线密集且出现规则排列的塔形低阻区;存在干燥溶洞时,溶洞部位呈高阻区,且高阻区内部呈多个三角形组合分布;存在干燥断层时,断层部位出现近直线平行的视电阻率等值线密集高阻带。干燥溶洞和干燥断层的响应特征不易识别,需要结合地质资料进行更为细致的分析判断。部分响应特征已在实际工程中得到了应用和验证。

地质雷达超前预测不良地质体图像的智能识别

采用GPR地质雷达进行隧道超前地质预报,当掌子面前方存在溶洞时,地质雷达时间剖面常出现双曲线特征图形。针对这一比较成熟的先验知识,提出采用神经网络模式识别方法自动识别地质雷达图像中的双曲线,以此实现智能预测掌子面前方溶洞这一不良地质体。结果表明,这一方法是可行的。

长大深埋隧道超前地质预报软件开发

采用人工神经网络技术、模糊-层次综合评判等非线性智能科学技术,并应用数据库技术和软件工程技术,集成开发了长大深埋隧道超前地质预报软件系统(TGP-CAS)。本软件的功能包括:能够预报隧道基本地质条件;预测岩爆、大变形、塌方等施工地质灾害;查询TSP、GPR等物理超前探测成果;综合查询设计期、施工期地质信息和超前地质预报信息,并生成综合预报初步结论;结合地质信息和物理探测信息综合预测岩体破碎程度等隧道不良地质情况。

隧道可缩工字钢拱架让压规律模型试验研究

为研究软岩隧道可缩工字钢拱架让压装置的缩动规律,在侧压大拱压小的对称荷载(侧压比为1.5)和左拱腰偏压荷载两种工况下,进行室内整榀可缩工字钢拱架模型加载试验,分析其让压装置的让压过程及拱架变形等规律。结果表明:可缩工字钢拱架在两种工况下的让压过程可划分为弹性变形阶段、适应荷载-变形协调阶段、稳定让压阶段、荷载-让压变形同步增加阶段和让压完成后刚性阶段,其中稳定让压阶段,荷载呈现出小范围“增荷—卸荷—再增荷”的让压特点。稳定让压阶段、荷载-让压变形同步增加阶段的转折点可作为可缩工字钢拱架让压装置的增阻时机,并提出了相应的判断参数k。让压装置位移和拱架关键位置变形随总荷载的增加具有较高的同步性。在左拱腰偏压工况下拱顶让压装置产生平面外的错动变形,而其边墙处的让压装置和侧压大拱压小工况下的全部让压装置均未发生此类错动变形。研究成果提供了可缩工字钢拱架在侧压力大以及偏压荷载下让压缩动规律的新认识,可为在高地应力软岩隧道现场应用时提供一定的指导意义。

岩爆的洞室效应

岩爆是高地应力区地下工程开挖中常见的一种地质灾害。目前岩爆的发生条件多从地应力条件、地层岩性、岩体结构、埋深和地形、地质构造作用、水文地质条件、开挖爆破等因素开展研究。文章提出通过改变洞室断面形态及尺寸预防岩爆发生的思路,在单因素分析条件下,通过有限元软件模拟不同洞室形状和尺寸的开挖,分析探讨同一尺寸、不同洞室形状下的岩爆强度和同一洞室形状、不同尺寸下的岩爆强度。结果表明:岩爆存在洞室形状效应,同一尺寸下,椭圆(谐洞)是对减少岩爆最有利的洞形,半圆直墙形和圆形其次,半圆形最差;岩爆存在洞室尺寸效应,同一洞室形状下的岩爆都随洞室开挖尺寸的增大而增强。同时,通过双曲线和指数函数的拟合表明,岩爆强度不会无限上涨,而是最终趋于一个稳定值。

池家河隧道岩体浅表生改造及其与围岩级别的关系

为探讨池家河隧道围岩质量,文章基于隧址区浅表生改造特征和空间发育规律,初步划分了浅表生改造强度等级,建立了适用于池家河隧道地质条件的施工期围岩分级方案,探讨了浅表生改造与隧道围岩级别的关系。结果表明,池家河隧道隧址区岩体经受过较强烈的浅表生改造,主要表现为发育中缓倾角结构面和陡倾角裂隙。浅表生改造控制了池家河隧道岩体结构及围岩级别,浅表生改造强度可划分为强烈、中等和轻微。强烈改造带围岩级别一般为Ⅴ级;中等改造带围岩级别多为Ⅳ级,少部分为Ⅴ级;轻微改造带围岩级别多为Ⅲ级,少部分为Ⅳ级。池家河隧道浅表生中等改造带段落最多,控制了池家河隧道围岩级别。

硬脆性岩石热–力–损伤本构模型及其初步运用

热力作用下岩石本构行为的研究对深部资源开采、地热资源开发、深埋长大地下工程设施建设等岩石工程问题具有重要意义。基于现有岩石损伤劣化统计本构模型研究,引入三参量Weibull分布、热损伤、Drucker-Prager屈服准则和残余强度修正系数,经过严密的数学推导,建立了考虑岩石起裂应力的热–力–损伤本构模型,并确定了其参数表达式。采用围压25 MPa、不同温度(20℃,60℃,130℃)条件下黑云母花岗岩三轴压缩试验结果对模型进行了验证。结果表明:模型理论曲线和试验曲线具有较高的吻合度,能够客观地反映岩石热力破裂应力应变全过程和残余强度,且参数物理意义明确。最后,将本构模型嵌入FLAC数值分析软件,对瑞典APSE隧道开挖过程的热力响应进行了数值分析,计算结果较好地反映了隧道现场围岩的破坏规律。

鹧鸪山隧道监控量测计算机辅助分析

鹧鸪山隧道地处高原高寒区,为深埋长隧道,工程地质条件极为复杂。隧道开挖初期,围岩局部失稳,过大的变形致使初期支护结构被严重破坏,造成巨大经济损。由此,现场开展了围岩变形和结构应力的监控量测,并开发公路隧道监控量测计算机辅助分析系统,功能包括拱顶下沉和周边收敛、围岩内部位移、锚杆、钢拱架、二次衬砌受力监测等分析。用该系统对鹧鸪山隧道现场监测资料进行分析,取得了围岩稳定性的重要认识,并及时反馈,确保了施工安全。

深埋硬岩隧道卸荷热–力效应及岩爆趋势分析

在高地应力和高地温的联合作用下,深埋高地温隧道围岩的变形破坏机制将更加复杂。开展不同温度环境下花岗岩加卸载三轴试验,详细分析试样的应力–应变全过程曲线、力学参数变化特征和宏观破坏类型等随温度的变化规律。试验表明:存在60℃～100℃的温度门槛值,当温度未超过此范围门槛值时,随着温度的增加,岩石峰后变形由延性向脆性转换,温度增强了硬岩的脆性破坏;当温度升高时,主要表现为剪切破坏,出现贯穿试件的剪切破坏。在试验基础之上,开展基于有限差分的热–力耦合分析,利用脆性力学模型和能量指标分析隧道的温度作用效应,进行不同地温下隧道开挖后的力学响应,定量对比不同地温条件下隧道塑性区、应力和能量指标,计算结果表明,隧道地温增加将使岩体岩爆烈度增加。计算结果与试验数据相一致,深埋硬岩隧道卸荷的热–力耦合研究对于深埋高地温隧道的设计和施工具有指导意义。

灰岩三轴高温后效流变特性及长期强度研究

流变特性是岩石的变形特征之一,长期强度作为岩石流变特性重要的强度指标也越来越受到工程建设的重视。开展了高温后灰岩三轴蠕变试验,首先采用高温前后岩样纵波波速的变化引入热损伤因子D,量化岩石热损伤,然后分别采用等时曲线法、过渡蠕变法和稳态蠕变速率法进行了灰岩蠕变长期强度分析,并提出一种改进的稳态蠕变速率曲线切线法。结果表明,基于波速的热损伤因子能较为准确地量化温度对灰岩性质的影响;热损伤因子与灰岩经历高温后的长期强度呈现高度相关性,确定灰岩的温度阈值在380℃附近,低于此温度表现为灰岩性质强化效应,高于此温度表现为损伤效应;提出的稳态蠕变速率曲线切线法对于灰岩的长期强度预测较为准确,与实际情况相符;各温度下岩样蠕变破坏形态均表现为剪切破坏,亚裂纹逐渐由与主剪切面平行转为垂直扩展。

鹧鸪山隧道地应力反演模型与三维地应力

结合四川汶川-马尔康高速公路鹧鸪山隧道地应力现场测量资料,分析与之紧邻的317国道鹧鸪山隧道实测地应力资料,采用Surfer软件为过渡平台,生成更为快速精细的三维地质模型。通过ANSYS对地层划分和浅表层生成处理后导入FLAC3D,同时考虑了河谷下切时空演变过程对山体地应力的影响,对汶马高速公路鹧鸪山隧道地应力反演与研究获得了初始应力场资料。通过分析区域构造特征、实测数据和以往研究成果,经多次试算后得出,在重力场模型上,在两个水平方向的竖向边界上同时施加对称梯度应力,所取得的拟合效果最好。数值模拟也验证该隧道最大主应力方向主要在N50°W^N70°W,隧道埋深0.8~1.35 km范围内存在高地应力场。