岩质隧道施工过程变形时空问题的位移释放系数法

岩质隧道施工过程变形具有显著的成洞时间效应与开挖面空间效应。由于应力释放率与施工过程参数、围岩力学性态等的关系难以量化,应力释放系数法在解析岩质隧道施工过程变形问题时存在局限性。为描述岩质隧道与时间、空间相关的复杂的施工力学过程,假设围岩为Burgers体和Drucker–Prager组合模型。利用弹性–黏弹性对应原理与非关联流动法则建立无支护隧道变形解,采用位移释放系数法描述隧道施工过程变形的时空效应。获得的2维平面应变无支护隧道最大径向位移的数学函数形式与Manh解一致;当不考虑时间因素时,本文解可退化为Park解。通过与既有数值解和解析解对比,验证了本文解的正确有效性。进而分析隧道时空变形曲线,包括隧道蠕变特征曲线、围岩变形径向分布曲线和隧道纵剖面变形曲线,得到关于黏聚力、内摩擦角、扩容角与延迟时间等参数的敏感性规律。结果表明:随着时间推移或纵向距离的增大,隧道变形非线性递增;随着围岩深度的增加,隧道变形递减,隧道变形和塑性区半径均为黏聚力与内摩擦角的非线性递减函数;围岩扩容加剧了隧道变形;延迟时间控制了隧道变形的时程规律;隧道时空变形对介入参数的敏感性与其物理意义一致。位移释放系数法成功描述了岩质隧道施工过程变形的时空效应,可为施工过程提供理论指导。

基于位移释放系数的深埋圆形压力隧道力学行为的解析解

为解决含有孔隙水的可渗透岩层中隧道围岩的力学行为,采用复变函数法与Biot孔隙弹性理论相结合的方法,建立了一个基于位移释放系数的可渗透深埋圆形压力隧道的应力和位移的解析模型。根据应力应变本构方程及平面应变协调方程导出了应力函数的非齐次双调和方程。选取计算参数进行算例计算,并将计算结果与商业有限元软件的计算结果进行对比,两者基本一致。通过选取不同的隧道参数及远场应力比进行敏感性分析,发现隧道在软衬砌和硬衬砌条件下会产生较大差异的力学行为。位移释放系数和孔隙压力对围岩中的环向应力和径向应力有显著的影响。

等值地应力下岩质圆形隧道位移释放系数比较及应用

隧道前期变形是利用收敛约束法确定支护压力和围岩稳定变形的关键,在分析隧道开挖面空间效应机制的基础上,总结具有代表性的深埋岩质圆形隧道位移释放系数公式,对其进行分类、适用性及空间效应的比较,得到不同位移释放系数、不同支护施作距离和不同控制目标下的收敛约束差异。研究结果表明:以围岩塑性区最大半径为基础的位移释放系数对弹性围岩和各种弹塑性围岩均适用,具有广泛的工程应用前景;弹性位移释放系数仅适用于弹性围岩,常用塑性位移释放系数仅适用于相对半径为2的隧道围岩;不宜将依据距开挖面较远处得到的支护压力而设计的支护结构随意前移构筑,应依据实际工程的围岩特性,合理选择位移释放系数公式,适时施作不同刚度的支护。

软弱围岩隧洞位移和应力释放规律研究

软弱围岩强度低、自稳能力差,在隧洞施工中易引起不同程度的塌方,造成生命财产的损失。因此,研究及时支护情况下软岩隧洞围岩的位移和应力释放规律显得尤为重要。笔者采用三维数值方法系统研究了隧洞开挖过程中的位移变化规律,并结合二维数值分析方案研究了围岩应力释放系数随工作面推进的关系。研究表明:(1)埋深、洞径和洞型等对拱顶位移释放系数影响较小,而岩性对其影响显著;(2)拱顶位移释放随应力释放变化过程大致可分为3个阶段,且岩性越差达到相同位移释放率时所需的应力释放率也越大;(3)研究断面前后一倍洞径是围岩应力调整的主要阶段,且应力释放率随岩性的弱化而增强;(4)初期支护对岩性较差的隧洞效果更明显。

基于正交试验的隧道开挖面位移释放分析

针对目前关于位移释放系数的计算方法比较复杂的问题,基于二次回归正交组合试验设计方法,提出了位移释放系数公式构建方法,应用该方法对静水应力场中圆形隧道进行了一系列数值试验,建立了考虑多个因素的开挖面位移释放系数拟合公式,比较了各影响因素的敏感性大小.通过数值算例和工程实例分析,初步验证了该方法的有效性.研究结果表明:对于不同级别岩体,同一因素对开挖面位移释放系数的影响程度不一;地应力水平、岩体扰动、地质强度指标、H-B常数和泊松比对开挖面位移释放系数的影响较大,而岩石单轴抗压强度和变形模量影响较小.

考虑位移释放的横观各向同性冻胀寒区隧道冻胀力弹塑性解答

综合考虑中间主应力、横观各向同性冻胀和围岩位移释放的影响,基于冻融圈整体冻胀模型建立了寒区隧道冻胀力的弹性解、塑性统一解以及塑性区半径的隐式计算方程,给出冻结围岩弹-塑性状态的判定方法,对所得结果进行可比性分析和对比验证,并探究各因素对冻胀力和塑性区半径的影响特性,借助支护施作时机量化了围岩位移释放的距离描述。研究表明:解答具有很好的可比性且被文献模型试验所验证;统一强度理论作为屈服准则可充分发挥冻结围岩的承载潜能,所得冻胀力和塑性区半径明显减小;不均匀冻胀系数和体积冻胀率对冻胀力和塑性区半径的影响显著,应考虑围岩横观各向同性冻胀特性并采取有效的防排水和保温抗冻措施;位移释放系数较小时冻胀力偏大、位移释放系数为1时塑性区半径最大,恰当的支护施作时机有利于隧道施工及运营安全。所得结果可为寒区隧道设计提供一定的理论指导。

盾构隧道施工引起地层位移的复变函数修正解

为了获得盾构隧道施工引起的地层位移变化,利用复变函数求解了基于位移控制边界条件下盾构隧道开挖后的解析解。在计算分析过程中,引入位移释放系数,充分考虑了衬砌滞后于开挖面的位移过程,并通过设置位移约束点对理论计算解进行了修正,获得了更为准确的地表相对位移。选取4例实际盾构隧道工程实例,分别考虑4种典型洞室位移边界条件,将该理论计算得到的地表位移初始解和修正解与现场实测数据进行对比,结果表明:在各种洞室位移边界条件下,修正后得到的地表位移值与实测值的吻合度均比初始解显著提高,其中以采用第4种位移边界条件计算得到的地表位移修正解吻合度最高。最后以第4种洞室变形为位移边界条件,分析了不同位移释放系数、隧道埋深以及隧道半径对地表位移的影响。结果表明:地表沉降与影响范围随着位移释放系数的增大而减小;地表沉降随着埋深的增加而减小,沉降槽宽度却随之增加;隧道半径越大,则地表沉降越大且影响范围越宽。

基于收敛-约束法的软岩隧道初支时机估算——以义永公路枫坑隧道为例

合理确定支护施作时机,是确保围岩-支护结构体系共同响应的基础。通过对Unlu和Gercek推导的围岩纵向变形曲线方程(位移释放系数)研究,在综合考虑泊松比和弹性模量以及黏聚力、内摩擦角、爆破参数等提出优化改进;并运用FLAC3D分析改进围岩纵向变形曲线方程的合理性和有效性。结果表明:围岩纵向变形曲线方程与弹性模量以及黏聚力、内摩擦角呈非线性正比关系,与爆破参数呈非线性反比关系;通过对比现场监测数据与理论计算数据发现Unlu和Gercek推导围岩纵向变形曲线方程在x≥0段偏差较大,提出增加“扩大收敛函数”提高其精度,相关系数由原来的R^(2)=0.8,提高到R^(2)=0.97;而且改进后的围岩纵向变形曲线方程与数值模拟结果能更好地相吻合,进一步证实改进后的围岩纵向变形曲线方程更具有合理性和实用性;提出围岩位移增量出现陡增点时的位移释放系数值为施加支护的最佳时机,得出Ⅲ级围岩在长台阶法施工施作时,距掌子面x=2.45 m处开始施作支护为最佳,Ⅳ级围岩在采用CRD(Cross Diaphragm)工法施作时,距掌子面x=1.75 m处开始施作支护为最佳。

基于收敛-约束法的广西某隧道围岩支护时机研究

隧道开挖后支护时机的选择对隧道的安全建设具有重要影响。文章以广西天峨县境内岗岭隧道为研究案例,采用基于收敛-约束法的隧道支护时机确定方法,通过隧道开挖弹塑性变形解析计算、支护结构的力-变形响应分析及联合支撑结构作用下隧道的收敛-约束状态分析,将岗岭隧道开挖后拱顶沉降达到3.87 mm时确定为围岩最佳支护时机。研究结果可为我国西部和南部同类型山岭隧道支护时机的选择提供参考。

收敛约束法中隧道开挖面空间效应方法比较

合理的开挖面空间效应方法是充分调动与发挥围岩自承载能力的前提,对2种代表性的开挖面空间效应方法:T-N(09)支护力系数法和V-D(09)位移释放系数法,进行了来源、因素考虑、适用范围、空间效应实现及收敛约束差异等的定性与定量比较。研究结果表明:2种开挖面空间效应方法都易与围岩特征曲线相结合,便于实际工程应用,且在一定参数范围内二者具有很好的一致性;T-N(09)支护力系数法仅适用于理想弹-塑性围岩,得到的支护压力偏小、围岩稳定变形偏大,应对其材料模型及参数范围进行有效拓展;V-D(09)位移释放系数法适用于各种弹塑性围岩,能较直观地反映开挖面空间效应的变化及影响范围,具有广泛的工程应用前景。

考虑开挖面空间效应的隧道支护设计新方法

隧道开挖面的空间效应对选择合理的支护时机十分重要。本文利用位移释放系数来确定隧道前期变形,提出了考虑开挖面空间效应的隧道支护设计新方法,给出了其具体应用步骤,并得出因素影响特性。研究结果表明:中间主应力、围岩剪胀特性及不同施作距离对支护的起始作用位置及围岩稳定变形均有显著影响,但支护压力间的差异却相对较小,因而隧道支护设计既要依据支护压力,还要保证对围岩变形的有效限制作用。

基于三维快速拉格朗日数值模拟的地下峒室开挖空间及其效应

本文采用三维快速拉格朗日方法,在建立三维数值模型基础上,通过对不同开挖进尺、不同泊松比、埋深和峒室高宽比条件下的峒室开挖进行数值模拟,寻找上述多种因素对峒室位移释放系数的影响规律。该研究方法快速、高效,可以大幅度节省原位实验的费用,研究结论对于科学分析施工监测信息具有指导意义。

连拱隧道开挖面空间效应分析

以铜黄高速公路黄榜岭双连拱隧道为工程背景,应用Ansys有限元程序模拟了连拱隧道的三维施工过程,结合现场信息化监测数据,分析了由于连拱隧道双洞施工进度不同对掌子面空间效应和中隔墙偏移的影响。给出了特定围岩条件下,连拱隧道开挖面位移释放系数与另一洞室开挖进度的定性关系。

洋碰隧道开挖面空间效应的数值模拟研究

本文采用洞周围岩位移释放系数的概念，对京珠高速公路粤境北段洋碰隧道Ⅳ类围岩在 全断面和上下台阶开挖方式下的开挖面空间效应问题进行了三维有限元仿真数值模拟研究，所得结果 对类似公路隧道的施工和监控量测等工作均有借鉴和指导作用。

连拱隧道施工过程中的时空效应分析及预测

根据连拱隧道开挖复杂性特点,确定了连拱隧道的位移释放系数,并由实测位移数据得出了连拱隧道开挖时空效应规律。利用神经网络的特点建立了连拱隧道位移释放系数神经网络模型。最后,利用安徽芜湖某连拱隧道实测数据训练连拱隧道的位移释放系数模型,将由神经网络位移释放系数模型得出的位移释放系数与通过实测数据得出的位移释放系数相比,证明了利用神经网络预测位移释放系数的有效性,从而对工程的设计、施工起到了指导作用。

基于收敛-约束法的隧洞纵向变形演化规律研究与支护时机估算

依托某供水工程输水隧洞建立三维数值模型,采用有限差分法和Mohr-Coulomb屈服准则进行施工开挖过程的数值模拟,研究不同围岩条件下隧洞支护时机的估算。首先,基于收敛-约束法进行隧洞开挖推进过程中的变形规律研究,分析监测断面的围岩变形特征,研究发现围岩位移的收敛规律与围岩质量相关,提出隧洞纵向变形曲线的修正公式。然后,采用一步挖穿分期释放的模拟方法,研究监测断面位移随开挖荷载释放的变化规律,以相同的位移释放系数为出发点,构建,开挖面推进距离与荷载释放率之间的关系,并将对应的围岩位移陡增点作为施加支护的推荐时机,得出不同围岩条件下施加支护与开挖面之间的控制距离。研究结果表明,提出的纵向变形公式相关参数确定过程简单,拟合效果良好,推荐的支护与开挖面之间的控制距离符合工程实际规律。