大型洞室分层开挖围岩位移释放率与支护效用探讨

针对大型洞室从上往下分层开挖和每一层从一端到另一端沿水平方向分步开挖的空间开挖特点,基于应力反转法研究了大型洞室分层分步开挖过程中不同部位围岩位移释放规律,基于摩尔应力圆法提出了围岩支护效用的定量评价方法。工程实例研究表明,大型洞室顶拱和边墙不同部位围岩在当前层开挖前、开挖过程中和开挖后的位移释放率都不一样;开挖过程中围岩屈服区体积演化是一个与应力释放系数相关的非线性变化过程;不同位移释放率条件下,支护系统对提高围岩强度的作用效用可通过支护前后围岩摩尔应力圆到强度特征曲线的距离来定量表述。

基于围岩径向位移释放率的超大断面隧道下穿施工围岩稳定性研究

依托黄黄铁路新建刘元隧道工程,采用数值模拟结合现场实测的方法,以围岩径向位移释放率指标分析采用全断面和微台阶两种工法下穿施工的围岩稳定性规律。结果表明,新建隧道下穿防空洞段采用微台阶法施工,在控制围岩径向位移释放率、塑性区分布及稳定安全系数等方面较全断面法优势突出;微台阶法下围岩径向位移释放率及围岩稳定安全系数分别为46.13%、2.13,全断面法下围岩径向位移释放率及稳定安全系数分别为78.08%、1.99;当台阶长度为3 m时,隧道下穿施工围岩稳定性相对较好。监测数据表明,采用微台阶法下穿施工,洞内变形满足规定要求,且变形值与模拟结果数值吻合较好,进一步验证模拟结果的可靠性。

一种改进的位移释放率计算方法及其在Ⅴ级围岩中的应用

为了探究高地应力作用下Ⅴ级围岩的开挖卸载效应,针对隧道开挖过程中实时位移释放率难以计算这一问题,提出一种改进的位移释放率计算方法,对不同工法作用下Ⅴ级围岩的变形规律进行数值分析和模型试验研究。首先基于正交试验原理,以黄土、砂、石膏、水泥、水为原材料配置得到Ⅴ级围岩相似材料;然后以自行设计的模型试验箱为载体,对配制出的相似材料进行平行试验,以保证每组材料在改变一种原材料基础上其余材料均不变,从而得到各组材料的应变-时间变化曲线;最后利用改进的位移释放率计算方法,结合模型试验过程实时监测数据,得到Ⅴ级围岩不同开挖工法下的位移释放率变化曲线,并与数值分析结果进行对比验证。研究结果表明:配制出的围岩相似材料在物理力学性能上均能很好地满足试验需要且具有经济环保等优点;平行试验下,各组材料均对开挖卸载产生影响且石膏产生的影响最大;模型试验结果表明,开挖前期台阶法位移释放率最大,随着开挖的进行双侧壁导坑法位移释放率逐渐增大直至最大,模型试验所得位移释放率在数值上虽与数值模拟结果略有区别但整体趋势保持一致,两者均显示隧道开挖过程中CRD法的位移释放率最小且开挖后期位移释放率逐渐趋于平稳,故建议在该高地应力Ⅴ级围岩段隧道施工时全程采用CRD法。

山岭隧道开挖应力释放率研究

在隧道开挖与支护过程的数值分析中,确定隧道开挖应力释放率是比较困难的一个问题。本文通过数值模拟方法,分析了围岩等级、开挖形状、开挖尺寸、隧道埋深以及侧压力系数等5个因素对隧道开挖应力释放率的影响程度。结果表明:影响开挖应力释放率的主要因素为围岩等级,并得到不同等级围岩隧道开挖应力释放率取值范围;其余4个因素对开挖应力释放率影响相对较小,为次要因素。因此,在数值模拟隧道开挖时,可以主要依据围岩等级来确定隧道开挖应力释放率。

隧道开挖数值模拟过程中荷载释放率的确定

依据围岩开挖和岩土力学原理,通过ANSYS软件对围岩级别较低的Ⅳ、Ⅴ级围岩开挖全过程进行三维有限元数值模拟,取开挖荷载释放率与其位移释放率相同,分别得出了这两种围岩中某一断面在开挖过程中各施工步的荷载释放率。并验证了Ⅳ、Ⅴ级围岩中开挖荷载释放率的正确性。

深埋软弱破碎围岩初期支护荷载承担比重研究

为了研究软弱破碎围岩隧道联合支护各构件的作用效果,以四川省宝兴水电站引水隧洞工程为背景,采用有限差分数值计算软件对隧道围岩注浆加固圈、喷射混凝土和型钢支撑3种支护措施的围岩荷载承担比重进行了研究。通过采用固定支座等效代替某种支护的方式,设计了3种支护方案,每个方案仅采用2种支护方式,计算至平衡,提取支护反力并转化成应力,从而得到该支护结构的荷载分担比。研究表明:型钢支撑起到及时强支护作用,可有效控制围岩变形;随着时间推移,当喷射混凝土达到一定的强度后,发展为主要承载结构,喷射混凝土面层承担更大比率释放荷载,喷射混凝土承载荷载比重最大,注浆加固圈次之。计算得出宝兴水电站引水隧道型钢支撑、注浆加固圈和喷射混凝土3种支护荷载承担比重为1∶1.25∶1.6。

特大断面板岩隧道施工期围岩变形时空效应分析

目前,关于特大断面板岩隧道施工期围岩时空变形规律缺乏系统性的总结。以沪昆客运专线长昆湖南段姚家隧道为例,结合变形监测资料,分析在不同开挖方法下特大断面板岩隧道施工期围岩时空变形规律,划分围岩变形-时间特征曲线及围岩变形-距掌子面距离关系曲线的类型;分析围岩位移释放率与时间和距掌子面距离的关系,研究围岩级别和空间位置对特大断面板岩隧道施工期围岩变形时空效应的影响规律。结果表明：围岩变形-时间特征曲线的类型可分为＂弯弓＂型和＂台阶＂型。＂弯弓＂型划分三个变形阶段,适用于Ⅲ、Ⅳ级围岩;＂台阶＂型划分四个变形阶段,适用于Ⅴ级围岩。围岩变形与距掌子面距离的关系曲线的类型可分为＂单厂＂型和＂双厂＂型。＂单厂＂型曲线出现在Ⅲ、Ⅳ级围岩地段,当监测断面距掌子面超过5倍洞径时,围岩变形趋于稳定,空间效应趋于消失;＂双厂＂型曲线出现在Ⅴ级围岩地段,当监测断面距掌子面超过3倍洞径时,围岩变形基本趋于稳定。最后,提出了不同围岩级别下隧道围岩径向位移释放率随时间和距掌子面距离的变化规律,研究结论对于特大断面板岩隧道围岩长期稳定性的研究具有借鉴价值。

隧洞开挖过程中锚固支护施加时与掌子面距离的确定

基于三维弹塑性损伤有限元分析软件,建立了某引水隧洞工程的三维有限元模型,首先确定了施加锚固支护时的开挖荷载释放率;然后分别研究了随开挖荷载释放率增大和掌子面推进时围岩的变形规律,并基于开挖荷载释放率与位移释放率之间的关系及位移释放率与监测断面至掌子面距离之间的关系,建立了开挖荷载释放率与监测断面至掌子面距离的关系,确定了以施加支护时与掌子面的距离为参数的锚固支护时机。

基于GA-BP神经网络在围岩参数反分析中的应用

针对围岩参数优化反分析较低的计算效率和神经网络初值依赖性问题,研究了基于遗传算法优化BP神经网络的围岩参数反分析,引入位移释放率的概念,根据监测围岩变形量计算围岩真实变形量,对西北地区某隧道进行了围岩参数反分析,结果表明本文方法在围岩参数反演分析方面效率和精度较高,可应用于工程实际.

隧道开挖模拟的支撑荷载法研究

采用有限元法对隧道施工过程的支撑荷载法中的几个问题进行了详细的研究。讨论了释放荷载和支撑荷载的关系,分析了支撑荷载的大小、方向以及选取的部位对计算结果的影响;根据三维模型的计算结果确定了位移释放率,并据此得到了按平面应变模型模拟隧道施工过程时各施工阶段支撑荷载的大小。计算结果表明:在采用平面应变方法进行隧道施工过程的计算时,为了模拟开挖面的空间效应,在洞周施加的是支撑荷载而非释放荷载;在只有体积力和面力的情况下,支撑荷载可以采用被挖掉的岩土体的周边(内圈)节点的等效节点力,也可以取留下围岩周边(外圈)节点的等效节点力并反号,若洞周节点上有集中荷载,则支撑荷载必须采用前者;在台阶法施工中,采用变化后的洞周节点力作为下半断面支撑荷载的初始应力的方法,能够得到较满意的结果。

挤压地层双护盾TBM与围岩相互作用影响因素分析

为了研究LDP位移释放率、扩挖量、护盾锥度、护盾长度和侧压力系数等因素对双护盾TBM与围岩相互作用的影响,采用FLAC3D建立了三维TBM模型,在考虑护盾与围岩不均匀间隙的条件下研究了TBM作用下上述因素对围岩变形、接触挤压力大小及分布和护盾所受摩阻力的影响。同时定义了LDP曲线的位移释放率,得出应力释放率超过特定值时对LDP曲线释放率和TBM护盾阻力的影响显著,而且针对特定工程地质条件应做其敏感度的预分析;不均匀间隙自下而上逐渐闭合导致围岩与护盾逐渐发生接触,前后盾尾受力最为显著;前后护盾摩阻力及总摩阻力均与扩挖量呈线性递增关系,适当增加扩挖量可以有效减小护盾阻力;护盾摩擦力与护盾长度呈线性递增关系;当增加护盾锥度时,刀盘及前盾摩阻力缓慢增加,后盾摩擦力减小较为明显,护盾总摩擦力也减小;侧压力系数超过1.2时对刀盘、前盾及后盾上的摩擦阻力影响显著。以上研究成果对于进一步认识和研究TBM与围岩相互作用及后续预测卡机有着重要参考意义。

大型地下洞室预应力锚索分层支护措施研究

大跨度、高边墙地下洞室开挖过程常出现顶拱及洞室中上部围岩超限变形导致支护锚索超载拉伸失效问题,针对洞室不同部位、不同岩性和不同构造特征研究锚索分层支护具有重要现实意义。该文以白鹤滩水电站左岸主厂房3#机组典型断面为例,以现场监测数据为基础,根据实际情况建立模型,采用位移反分析法与岩石力学试验综合确定的岩石参数进行数值模拟分析。结果表明,顶拱稳定型围岩后续开挖变形量小,分层锚索支护应提高预应力锚索锁定值;顶拱非稳定型围岩后续开挖变形量大,分层锚索支护与边墙分层锚索支护类似,同样应以增大预应力锚索锚固深度和增加预应力锚索截面积、减小预应力锚索锁定值为主。锚索分层支护参数优化后数值模拟计算结果表明,洞室顶拱、边墙中上部的围岩后续开挖变形量小,预应力锚索不至于超载拉伸失效破坏;边墙中下部围岩后续开挖变形量有所提高,有利于预应力锚索充分拉伸,发挥其应有的支护效果。