隧道围岩-衬砌接触面剪切特性模拟研究

探究隧道围岩-衬砌接触面在不同法向应力及不同粗糙度条件下的剪切特性规律,对进一步研究隧道围岩与衬砌间的相互作用及岩体稳定性具有重要的理论和工程意义。为考虑粗糙度条件,利用分形理论,通过改变分形公式中的分形维数D及分形粗糙度G生成5种不同接触面,基于二维颗粒流程序(PFC^(2D)),建立接触面数值剪切模型,尺寸为150 mm×150 mm。开展同一接触面在不同法向应力下,数值模拟剪切试验及不同接触面在同一法向应力下的数值模拟试验;将数值剪切试验与室内剪切试验获得的剪切应力-剪切位移曲线进行对比,验证数值剪切模拟的可靠性。研究结果表明:(1)数值模型剪切破坏产生的裂隙主要集中于中间接触面处,破坏后的应力主要集中于接触面粗糙度最大处,破坏裂纹可分为剪切裂纹和张拉裂纹,其中张拉裂纹占主要优势;(2)剪切应力-剪切位移过程曲线存在爬坡、啃断、滑移三大阶段,具有明显的峰值强度和残余强度,法向位移随着剪切位移的增加而增大,产生剪胀效应;(3)随着法向应力增加,剪切和张拉裂纹数量增加,破坏现象越明显,峰值强度和残余强度增大,剪胀效应减小;(4)随着粗糙起伏度增大,即分形维数D的增大或者分形粗糙度G的减小,破坏裂纹数量增加,其中张拉裂纹增加较明显,峰值强度和残余强度增大,剪胀效应增大。

穿越活动断裂带深埋隧道围岩地震响应分析

西南艰险山区道路和铁路隧道工程占比大,存在着埋深大、地质条件复杂、地震活动频发的特点,还存在隧道工程与活动断裂小角度穿越的工程问题,且近场地震对不同埋深的围岩影响不同,因而活动断裂近场地震对隧道工程顺利施工和安全运营存在显著不利影响。基于此,本文首先基于国内外发生的多次灾难性地震对隧道工程的影响,分析归纳了历史地震震级对穿越发震断裂隧道围岩(围岩埋深、岩性和级别)破坏的影响规律。其次,结合活动断层等特性,获取了能够反映区域断层特征和脉冲特性的地震动记录。最后,采用有限差分软件FLAC3D研究了活动断裂近场地震对深埋隧道工程围岩的影响规律。研究结果表明:隧道埋深的增加使得隧道围岩更加稳定,对于隧道围岩的塑性变形有抑制作用。不同地震动作用下的最大剪应力和最大主应力走势基本相同,断层段隧道围岩应力均大于普通围岩段。IV级及以下围岩在200 m埋深、PGA在0.3g以上时发生了较大的位移和应力响应。响应水平随着PGA的增大而增加,PGA从0.2g到0.39g的过程中有一个较大的增加,增幅接近50%,此过程是隧道产生塑性变形的主要过程,塑性区面积也随着PGA的增大而逐渐增大,因而在穿越活动断裂深埋隧道需认真考虑其近场地震的影响。研究成果可为隧道抗震优化设计提供技术支撑。

浅埋偏压隧道围岩稳定性分析方法的研究与展望

近年来,我国公路和铁路迅速发展,其在穿越山岭地段时易形成浅埋偏压隧道,浅埋偏压隧道的围岩受力特性复杂,导致洞口处易发生围岩坍塌现象。针对浅埋偏压隧道的围岩稳定性问题,文中总结了常用的理论分析和规范计算方法,探讨了围岩压力计算及破坏模式分析的重要性,并进一步展望了未来的研究方向。

川西藏东地区隧道围岩有害气体孕育机制及逸出风险评价研究

青藏高原复杂的地质构造使区域内断裂分布密集、岩性变化巨大,现有的研究成果无法有效预测岩层内有害气体赋存种类与状态。基于川西藏东地质演化相关研究成果,对区域内岩石、断裂构造以及水热循环影响下有害气体的成因及组分特征进行研究。通过对区域内地层构造及岩石分布进行分析,明确区域内主要气藏类型及分布范围;建立复杂地层有害气体逸出风险评价体系,并通过现场监测对评价效果进行验证。结果表明:1)川西藏东地区岩层主要有害气体孕育类型包括岩浆岩脱气孕育气体、变质岩化学反应释放气体、沉积岩油气矿藏富集气体、金属矿伴生气体等;其中,岩浆岩孕育有害气体主要赋存于入侵通道形成的气囊内,变质岩孕育有害气体主要赋存于酸性岩浆岩与碳酸岩接触面以及金属矿附近,沉积岩孕育有害气体主要赋存于油气盖层内。2)岩石圈断裂对深部有害气体的赋存最有利,水热循环通过物质扩散和水力运移2种方式加速深部有害气体的运移,其中深大主断裂控制型水热循环模式影响最显著。3)基于川西藏东地区地层岩性及断裂构造特征,对CO_(2)、CH_(4)、SO_(2)及H_(2)S等主要有害气体的赋存区域进行划分。4)根据研究区域地层岩性、断裂构造、水热分布特点,建立复杂地层有害气体逸出风险评价体系;根据隧道开挖高浓度有害气体逸出可能性划分为5个风险等级,并针对不同逸出风险提出相应防治建议。

三维隐伏溶洞对临近隧道围岩破坏特征的影响

针对贵州紫金部分矿井巷道围岩存在溶洞经常导致地下工程围岩呈现不稳定状态或剧烈破坏现象这一典型工况,利用简化的类岩石试样开展真三轴压缩试验,结合声发射和内窥摄像头监测围岩的变形和次生破坏行为.研究表明:1)溶洞将导致试样z轴峰值荷载降低约25%,次生破坏的出现时间更早,且主导性破坏更加集中地出现在峰值应力时段. 2)位于隧道右上侧的溶洞导致隧道右侧围岩呈现一种新的板状破坏,即破坏由隧道-溶洞的中间岩柱起始、沿隧道右侧壁表层围岩纵向发展、并最终形成岩块向内移动,该类型破坏的起始位置和岩块厚度与典型板裂破坏明显不同. 3)压缩型应力和剪切破坏在隧道围岩的板裂破坏过程中占据主导地位,且由于三维溶洞位于隧道右上方,其对隧道下方和左侧围岩的影响相对较小. 4)球形溶洞导致其与隧道之间的岩体内出现更为密集的次生拉伸和剪切裂纹,即该区域内岩体破坏程度明显高于其他位置.

基于CiteSpace软件的隧道围岩分级研究进展

围岩分级一直以来都是隧道工程界的一大研究热点。为研究现阶段隧道围岩分级,借助CiteSpace可视化软件,对2001—2022年发表在中国知网核心期刊上的有关隧道围岩分级研究的189条文献进行发文量、研究热点和研究前沿分析,得出隧道围岩分级的研究现状,并提出一些与隧道围岩分级方法相关的建议,为未来隧道围岩分级的研究提供参考。

基于大型隧道围岩相似材料的配制方法研究

【目的】通过分析国内研究成果调研公路隧道大型模型试验的相似材料配比,针对大型隧道围岩相似材料的配制方法展开研究。研究出一种由重晶石粉、石英砂、白水泥、铁粉、硅油和水组成的液固耦合相似材料。【方法】通过室内实验探究不同配比对材料各种物理性质和水理性的影响,并且确定了液固耦合相似材料的具体配比结果。【结果】实验结果表明,在材料成分含量不变的情况下,白水泥的含量增加会大幅度降低材料的渗透系数,胶结剂会明显地影响材料的弹性模量和抗压强度。此外,随着材料中重晶石粉与白水泥的比例逐渐增加,试验材料的抗压强度会逐渐提高,但是当材料中重晶石粉与白水泥的含量达到一定含量时,材料的抗压强度可能略微降低。在一定范围内增加重晶石粉与白水泥的比例可以提高材料的弹性模量。抗剪强度受硅油影响明显。【结论】液固耦合相似材料能够模拟不同强度具有不同渗透性的岩体材料,是一种理想的相似模拟材料。

基于安全系数的挤压性围岩隧道围岩稳定性研究

从挤压性围岩概念出发,采用抗剪强度表达的围岩安全系数法评价围岩稳定性,推导了用应力偏张量表示的围岩安全系数表达式,通过FLAC3D二次开发,实现围岩安全系数的数值表达.探讨了变形等级和断面形状对围岩稳定性的影响规律,并研究了注浆加固对围岩稳定性的影响规律.研究结果显示,与塑性区评价方法相比,围岩安全系数法可以实现任何位置的围岩破坏程度定量评价;围岩破坏边界呈蝴蝶形分布;隧道断面面积越大,围岩破坏范围越大;隧道越接近圆形,围岩相对破坏范围越小,圆形为最优断面形状;超前注浆加固对围岩稳定性的改善效果优于径向注浆加固.研究结果为挤压性围岩隧道结构设计和施工变形控制提供参考。

卸荷路径下隧道围岩力学特性及变形机制研究

隧道等地下工程围岩开挖属于典型卸荷过程,文章结合辽宁某在建隧道的工程实际,对该隧道围岩(砂岩)进行了复杂应力路径下的卸荷试验,分析了试样在不同损伤(LD-弱损伤,HD-强损伤)状态下的变形破坏机制。对于三轴卸荷条件:在LD状态下,轴向应变ε_(1)呈先减后增变化趋势;在HD状态下,当卸荷速率较小时(v=0.01MPa/s),ε_(1)呈逐渐增大变化趋势,当卸荷速率较大时(v>0.01MPa/s),ε_(1)呈先减后增变化趋势。对于三轴循环加卸荷条件:卸荷过程中径向应变ε_(3)呈负增大,滞回曲线的面积随循环次数的增加而增大,当应力低于前一周期的最小应力时,ε_(3)的负增长速率迅速增大;在LD状态下,应变响应△ε_(1)随卸荷速率的增加而减小;在HD状态下,当卸荷速率较低时,△ε_(1)较大,之后呈波动变化趋势;在LD状态下,△ε_(1)和△ε_(3)的变化趋势有所不同,△ε_(3)随循环周期的增加而逐渐增大,而△ε_(1)在前5次循环周期内无明显变化趋势;在HD状态下,△ε_(1)和△ε_(3)呈逐渐增大趋势。研究结果可为揭示隧道等地下工程围岩的开挖卸荷破坏机制提供理论依据。

砂页岩缓倾地层隧道围岩破坏特征及影响因素

砂页岩缓倾地层常为近水平软硬互层岩体,强度和变形各向异性显著,隧道围岩稳定机理复杂。以西延高铁宜君隧道某深埋段为研究对象,在现场地质调查的基础上,采用RFPA建立砂页岩水平互层数值模型,研究无支护条件下的围岩破坏特征,分析软硬岩层厚比、强度比和侧压力系数对隧道围岩破坏的影响规律,并通过现场变形监测进行验证。结果表明:(1)砂页岩缓倾岩体各向异性特征显著,隧道开挖后在拱顶产生沿层面的张拉破坏,随层厚比减小,围岩破坏范围逐渐减小。(2)强度比越小,岩体各向异性越显著,拱顶软硬层交界处易产生剪切破坏,且破坏范围越大。(3)侧压力系数为0.25时,围岩呈现X形破坏,拱顶产生张拉破坏,随侧压力系数增加,围岩破坏范围减小,呈现月牙形分布;侧压力系数为1时,围岩呈现圆环形破坏。(4)围压、层厚比和强度比的增大均可弱化砂页岩缓倾岩体的各向异性特征,声发射数减少,岩体破坏程度降低。

隧道围岩冻融循环特性分析

隧道在运营过程中因围岩裂隙水冻融循环的作用容易导致隧道产生不同程度的破坏,为此为对隧道围岩冻融损伤的特性进行研究,基于实际的工程案例采用试验与数值模拟软件进行分析。研究结果表明:在冻融循环作用下,围岩的质量呈现先增大后减小的变化,抗压强度和抗拉强度均逐渐减小;从有限元模拟结果发现,在冻融循环作用下围岩的位移和应力均增大,对隧道围岩的稳定性产生不利的影响。

基于改进布谷鸟算法优化SVM的隧道围岩变形预测

随着我国经济的飞速发展,人们对于高速铁路、公路的需求越来越多,因此我国的交通建设不断加快,隧道的开挖也趋向于“长、深、险、大”的特点。在隧道掘进过程中,要打破岩体的原始应力平衡状态,会对周边岩体产生较大的扰动,导致围岩卸荷产生变形,影响隧道施工决策。所以,对隧道围岩变形进行科学有效的监测并做出及时准确地预测具有十分重要的工程意义。

基于位移时空效应分析的隧道围岩大变形主动协同控制支护技术研究

针对川藏高原隧道围岩大变形问题,分析当前支护技术的局限性,通过引入位移时空效应分析方法,对隧道围岩大变形主动协同控制支护进行研究。结果表明,围岩变形在时空效应上呈现特定的分布特征,支护措施应充分考虑围岩变形的阶段性和差异性,分阶段施作相应支护手段,提高支护结构的协同工作能力,打造主动协同支护体系。采用本技术的隧道安全系数处于1.7安全界限内,围岩纵向收敛曲线在可控范围内,对于改善围岩周边收敛变形具有积极作用。

国内隧道围岩领域研究进展知识图谱分析

随着交通强国战略的部署,我国隧道工程建设的投入逐年增加。隧道围岩相关研究掀起学术研究热潮。为量化分析我国隧道围岩领域的研究热点、学科发展脉络发展、领域领先团队及未来发展态势,以1992~2024年中国知网CNKI收录的2697篇文献为研究对象,借助文献计量分析软件CiteSpace,构建生成作者及机构合作网络、关键词共现、关键词突现图谱。研究表明:我国隧道围岩领域的研究成果丰富,研究历史久远,方向各异,学科呈现交叉融合等特性;国内领军人物及机构发文量多且平均水平较高,作者及机构间的合作积极,极具行业参考性;研究热点分布广泛,数值模拟、围岩变形、铁路隧道等关键词热度持续,理论研究和实践应用相呼应统一;未来,隧道围岩领域学科的发展将集中在盾构隧道、深度学习等方面。

基于微震监测的钻爆法施工隧道围岩稳定性综合判断方法研究

伴随着我国现代化交通运输事业的持续发展,各种类型的工程项目技术工艺愈发完善,在隧道工程项目施工过程期间,相关技术人员要对围岩结构的稳定性作出深入考量,而在此过程当中便可采用微震监测技术,借此来有效获取地下结构当中的微小振动信号,并持续开展实时监测,进而掌握当前地下构造信息和状况。因此,隧道工程项目围岩结构稳定性的评估工作当中,微震监测技术具备极高的应用价值和作用。与此同时,隧道开挖施工过程期间往往会采用钻爆法进行开挖,而这一方法的应用会对围岩结构产生一定的不良影响,采用微震监测技术能够实时明确当前隧道工程围岩结构的稳定性,避免围岩结构出现安全风险问题,逐步构建起一套综合性的围岩结构评估方法和策略。

断层破碎带形态对隧道围岩变形影响研究

断层破碎带具有围岩破碎、强度低等特点,极易引起隧道围岩发生大变形,进而诱发工程灾害。因此,依托重庆市郊铁路璧铜线云雾山隧道工程,采用PLAXIS3D数值分析软件,建立了隧道穿越不同形态断层破碎带计算模型。计算结果表明:断层破碎带倾角和厚度对隧道围岩变形影响显著,断层走向线与隧道轴线夹角对隧道围岩变形影响较小。随着断层破碎带倾角的增大,受断层破碎带影响的范围明显缩小,隧道围岩竖向和水平位移值均逐渐减小,且当断层破碎带倾角为90°时,受断层破碎带影响的范围最小;随着断层破碎带厚度的增大,受断层破碎带影响的范围随之增大,围岩的竖向和水平位移值均逐渐增大,且当断层破碎带厚度为22 m时达到最大值。隧道正交穿越断层破碎带薄弱处时,围岩变形控制效果会更好。该研究成果可为山岭隧道穿越断层破碎带设计与施工提供一定的参考。

基于遗传算法和FLAC 3D的隧道围岩参数反演研究

隧道围岩参数对于隧道工程的稳定性而言至关重要。传统参数确定方法耗时长、成本高,且难以反映围岩实际状况。研究提出一种基于遗传算法和FLAC 3D的隧道围岩参数反演方法,以提高参数反演的效率和准确性。遗传算法通过模拟自然选择和遗传机制,优化全局搜索过程,而FLAC 3D则利用其三维连续介质数值模拟功能,精确模拟岩土材料行为。通过西南某山区隧道工程案例分析,反演得到最优围岩力学参数,模拟结果与实测值的最大误差仅为1.98%,验证了方法的准确性。

隧道围岩结构变形自动监测系统开发与应用

当前,西气东输等大型地下隧道项目逐渐增多,对隧道围岩结构的安全监测需求愈加迫切。文章详细介绍了一种隧道围岩结构变形自动监测系统的开发与应用。该系统采用多传感器集成技术,能实时、全面地监测围岩的各种变化,并通过高速数据处理平台快速处理和分析收集的数据。该系统还具备实时预测和警报功能,能及时发现并处理潜在的风险。此外,该系统采用了模块化和扩展性设计,为不同的隧道施工项目提供了定制化的监测方案。经过实际应用验证,该系统在提高监测效率、保障施工安全、节省成本等方面均取得了显著的效果。

隧道围岩冻融循环特性研究

隧道在运营过程中因围岩裂隙水循环冻融循环的作用容易导致隧道产生不同程度的破坏,为此为对隧道围岩冻融损伤的特性进行研究,本文基于实际的工程案例采用试验与数值模拟软件进行分析。研究结果表明:在冻融循环作用下,围岩的质量呈现先增大后减小的变化,围岩的波速、抗压强度和抗拉强度均逐渐减小;从有限元模拟结果发现,在冻融循环作用下围岩的位移和应力均增大,对隧道围岩的稳定性产生不利的影响。

基于地质观察及地质雷达探测的公路隧道围岩级别判断实践

整理了公路隧道围岩级别判断方法及主要考虑的要素,结合现场施工时快速判别围岩级别的要求,分析了隧道围岩级别判别要素现场识别的手段及措施。分析了应用地质雷达进行隧道超前地质预报时不同常见不良地质条件的解译结果,尝试提出了施工过程中以现场地质观察为基础,结合地质雷达探测的隧道围岩级别快速判断方法,并在隧道施工进行了实践,较合理的指导了隧道施工,可作为将岩土工程信息化施工理念付诸于工程实践的案例。