基于收敛——约束法的剪胀——软化型隧道围岩——支护结构相互作用

目前的隧道围岩支护结构计算方法未能很好地同时考虑围岩剪胀及软化特性和中间主应力的共同影响。首先介绍了考虑岩石剪胀及软化效应的隧道围岩力学模型及考虑中间主应力的广义SMP强度准则。而后,根据收敛—约束法中隧道纵向变形曲线、围岩特征曲线、支护特征曲线的相互关系,建立了能够同时考虑隧道围岩剪胀及软化特性和中间主应力影响的隧道围岩—支护结构相互作用力学模型,并验证了其合理性。最后,采用敏感性分析分别探讨了地应力参数、支护结构参数和岩石参数对围岩最终位移、支护结构最终支护力及变形量的影响。结果表明:地应力的增加将导致围岩变形及塑性区增大,所需支护力增加。中间主应力系数对计算结果有较大影响,应予以考虑;支护结构弹性模量的增加可以提高支护力,并大幅度减少围岩和支护结构变形;岩石弹性模量及临界软化系数的增加可以降低围岩变形及支护结构受力。

基于Mohr-Coulomb准则隧道围岩-支护体系协同作用下支护强度分析

确定围岩-支护结构体系动态协同变形关系是地下工程支护需要解决的关键问题之一。运用Mohr-Coulomb准则推导隧道开挖支护后围岩径向变形与支护结构径向变形的协同方程,探讨Ⅳ级围岩塑性半径、围岩位移及支护刚度随支护强度的变化关系;并运用FLAC3D数值模拟验证协同变形方程的合理性和有效性。结果表明,围岩-支护结构体系协同变形方程能很好地反映围岩位移和塑性区半径随支护强度变化的关系,且相互关系是非线性的。支护强度为0.75 MPa时,理论计算拱顶沉降为18.9 mm,数值模拟拱顶沉降为21.6 mm;支护强度为1.5 MPa时,理论计算拱顶沉降为11.2 mm,数值模拟拱顶沉降为11.1 mm,表明围岩-支护结构动态协同变形方程的有效性。针对Ⅳ级围岩在采用超前支护和交叉中隔壁法(cross diaphragm,CRD)施工时,建议支护强度设计为0.75~1.5 MPa,支护刚度设计为59.8~375.0 kN/mm。

深埋隧道围岩-支护结构稳定性研究

依据隧址区工程地质特征,建立通—渝深埋公路隧道1:1实体模型。通过有限元数值模拟,结合量测资料,分析了隧道按全断面法和台阶法动态施工过程围岩-支护结构屈服接近度、位移和应力特征,以及支护结构钢支撑受力、二次衬砌轴力和弯矩特征。结果表明,在相同的地质条件和支护条件下,台阶法较全断面法没有明显的优势,为深埋公路隧道优化设计和施工提供了科学依据。

深埋隧道围岩与支护结构相互作用的非线性动力学特性研究

为了充分了解围岩与支护结构动力系统的变化特征,根据现场实测数据分析深埋隧道的围岩稳定性,对提取的时间序列进行相空间重构,计算了关联维数,定性分析了系统的混沌动力学特性。进一步应用反演理论,建立了深埋隧道围岩系统的非线性动力学模型,通过模型逼近,获得待定参数和正演模型的各变量,定量的分析了系统的混沌动力学特性,结果表明,各变量计算与实测的分布曲线非常接近。利用该模型可较好地预测在高地应力条件下围岩与支护结构系统各特征变量的变化规律。

郑万高铁隧道大型机械化配套全断面法施工围岩-支护结构相互作用力学特性研究

为研究郑万高铁大型机械化配套全断面法施工围岩-支护结构相互作用力学特性,依托郑万高铁隧道现场实测数据,确定台阶法和大型机械化配套全断面法2种工法施工的围岩压力分布特征,并采用数值模拟的方法建立围岩-支护结构有限元模型,分析2种工法对围岩压力和结构内力的影响规律。研究结果表明:1)台阶法多次施工扰动易导致支护结构和围岩之间产生空隙而发生脱空,大型机械化配套全断面法施工对围岩扰动次数少,初期支护快速封闭成环,可保证初期支护及围岩之间良好的密贴性;2)在软弱围岩中,采用大型机械化配套全断面法施工比台阶法更有利于改善结构受力,减缓结构内部偏心受压的程度,能有效发挥拱形隧道结构承载力;3)大型机械化配套全断面法在软弱围岩快速施工、控制支护结构变形、保证支护结构受力安全等方面具有综合优势。

基于监测数据的巷道围岩-支护结构稳定性预测分析

以新桥煤矿2107轨道巷作为研究对象,采用巷道变形监测和岩石力学理论,建立考虑时间因素在内的围岩变形和锚杆(索)支护载荷方程,通过研究估算围岩在服务年限内的变形量、持续变形速率和锚杆(索)支护载荷变化,判断支护结构发生过载的时间,为支护工程的隐患排查、制定合理的治理措施赢得主动应对的时间。

考虑σ_(2)及围岩—支护结构相互作用的隧道力学模型

目前的隧道力学模型未能同时考虑中间主应力σ_(2)及围岩—支护结构相互作用对围岩塑性区等隧道力学特性的影响。为此,首先采用岩石统一强度理论替代目前常用的Mohr-Coulomb(M-C)强度准则以考虑σ_(2)对隧道围岩塑性区的影响。其次,针对Kastner方法未能很好地考虑支护前隧道围岩初始弹性位移及围岩—支护结构相互作用的不足,在其基础上,结合圆形隧道实际施工特点,提出了能够同时考虑σ_(2)、隧道围岩初始弹性位移及围岩—支护结构相互作用的圆形隧道力学模型。最后,通过算例研究了σ_(2)、隧道围岩初始弹性位移、原始地应力、支护结构刚度和岩石内摩擦角等对围岩塑性区、隧道洞壁位移和支护力的影响规律。研究结果表明:σ_(2)的影响不可忽略;一定的隧道围岩初始弹性位移可以减少支护应力,但会导致围岩塑性区和隧道洞壁位移的增加;支护结构刚度的增加可以有效减小围岩塑性区及隧道洞壁位移,但会增加支护结构应力;初始地应力的增加将增大围岩塑性区、隧道洞壁位移及支护结构应力;随着岩石内摩擦角的增加,围岩塑性区、隧道洞壁位移及支护结构应力均减小。最后,通过工程实例对模型的合理性进行了验证。

热-力作用下水工隧洞围岩-支护结构耦合力学特性及相互作用机制

在高海拔寒区,围岩与支护结构的相互作用过程是影响水工隧洞结构稳定的重要因素。为了研究热-力作用下水工隧洞围岩-支护结构相互作用的时空演化规律,以新疆某寒区水工隧洞为依托,基于现场监测资料,采用有限元仿真模拟,计算温度效应下围岩-衬砌相互作用的弹塑性解析解,分析热力作用下隧洞耦合结构温度场和应力场的时空分布特征。结果表明:洞内低温对耦合结构的温度场和应力场影响较大,应实施防寒保温措施,保证在极端天气下,结构沿径向2.7 m内温度不低于0℃;通风前期,温度应力对耦合结构的应力变化起主导作用,21 d后还要考虑衬砌支反力、围岩被动支反力以及围岩外边界约束的共同耦合作用;对流前48 d结构内侧受拉,结构洞腰内侧出现最大拉应力155 kPa, 48 d后结构压应力激增,并且48~60 d内耦合应力增长速率最快。随着温度的降低,-1.95℃为洞顶和洞底的拉应力激增点,洞腰前期拉应力急剧增大,于-3.5℃开始缓慢减小。本次研究揭示了热-力作用下围岩支护结构相互作用的动态全过程,可为寒区隧洞安全施工提供依据。

提高U型钢巷道支护—围岩结构承载特性的补偿原理及工程应用

分析了均匀载荷、空顶、偏载三种情况下U型钢支护内力分布和承载能力,提出了提高支护性能的补偿原理,提高支护—围岩结构的承载能力,达到有效控制巷道围岩变形的目的。

深部软岩巷道支护围岩结构的变化规律研究

采用FLAC3D应变软化模型,结合顾桥矿11-2轨道下山工业性实验,对深部软岩巷道的围岩分区变化特征和承载机理进行分析,研究表明:在深部软岩巷道中3 m以内的围岩位移变形和应变较大,围岩破坏严重,是支护的主要对象;在3 m以外、12 m以内的围岩应力相对集中,是支护围岩结构的主体,控制位移变形向巷道深部发展,并保护巷道表面的围岩与支护结构共同发挥支护效应,有效提高了巷道的整体稳定性。

深埋隧道穿煤段围岩-支护结构变形特征研究

利用围岩位移、锚杆轴力和钢拱架压力等现场监测和有限元数值模拟分析了通渝隧道穿煤段隧道穿过煤段围岩-支护结构变形特征及稳定性分析。研究结果表明:穿煤段受高地应力与岩体结构影响,围岩初期变形剧烈,位移释放量大,整个变形持续时间长,拱顶下沉尤为显著,下沉量约为水平收敛的3倍;围岩浅部较深部变形快、大,且松动圈为2.5～3.0m;隧道环向受力不均等特征。这为深埋隧道穿越煤段设计和施工提供了重要科学依据。

大断面隧道施工过程围岩-支护结构大变形分析

结合某大断面隧道可行性研究,采用ADINA大变性非线性有限元分析软件,分析隧道动态施工过程的围岩大变形行为及支护结构力学特性,为大断面隧道设计、施工方案优化提供科学依据。

隧道围岩与支护结构稳定性与可靠度研究

本文以高速公路隧道围岩一支护结构稳定性评价为主线,以提高公路隧道的整体设计与施工水平为目的,采用定性评价和定量评价、整体评价和局部评价相结合的方法,对隧道围岩一支护结构的整体稳定性开展了系统的研究。首先对围岩一支护结构的稳定判据进行了分析,接着讨论了支护体系稳定的计算方法和特点,对隧道施工过程中的围岩一支护结构的稳定性和安全性评价有一定指导意义。

地质勘探坑道围岩量测与位移反分析

围岩量测与位移反分析,其目的是了解坑道开挖在围岩和支护结构共同体中产生的位移,应力变化并确认设计、施工的安全性和经济性。提高施工的科学管理水平. 围岩量测及数据处理研究成果已在坑道施工中运用并取得了良好的经济效益。位移反分析研究成果,在地矿部的支持下,正着手准备推广使用。本文介绍近几年来该方面的研究成果,并举部份应用实例。

深埋隧道穿煤段围岩变形特征研究

根据某隧道穿煤段(C2煤层)的工程实例,结合围岩位移、围岩内位形、锚杆轴力和钢拱架压力等现场监测,而进行的有关隧道穿过煤段围岩-支护结构的变形特征的分析结果表明:围岩位移变形分为急剧增长、缓慢增长和趋于稳定三个阶段;受高应力与岩体结构的影响,拱顶下沉为水平收敛的3倍,且初期下沉快,下沉时间长;围岩浅部较深部变形快且大,松动圈半径为2.5m～3.0m。该研究结果为深埋隧道穿越煤段设计和施工提供了重要的科学依据。

Ⅲ_1级围岩三车道公路隧道仰拱设置问题研究

《JTG D70-2004公路隧道设计规范》中规定Ⅲ级围岩三车道隧道需设置厚45 cm仰拱混凝土,而《JTG-T D70-2010公路隧道设计细则》中则规定可以取消仰拱。鉴于此,文章依托省界隧道工程实例,采用有限差分软件,对Ⅲ_1级围岩情况下平底和仰拱两种支护结构形式进行了模拟对比分析,结合现场监控量测结果表明:Ⅲ_1级围岩三车道平底隧道和仰拱隧道整体的竖向位移、竖向应力及塑性区体积均相差在5%以内,Ⅲ_1级围岩三车道隧道可以采用平底结构形式代替仰拱,平底结构支护形式可以满足工程结构稳定性要求。

高速铁路软弱围岩隧道机械化大断面施工工法经济性与适应性研究分析

为研究高速铁路软弱围岩隧道机械化大断面施工工法的经济性与适应性,本文依托郑万高铁楚烽隧道、保康隧道、新华隧道不同围岩级别现场机械化大断面施工的定额测定成果,并结合新工艺工法下设计理念及工程措施优化所造成的工程量差,与现行常规机械化施工工法进行经济性对比分析,得出高速铁路软弱围岩隧道机械化大断面施工工法的适应性范围。

非均匀应力场下圆形隧道围岩塑性区研究

为研究支护结构对非均匀应力场下圆形隧道的力学特性尤其是围岩塑性区的影响,采用理论分析的方法对已有模型仅能单独考虑原位非均匀应力场或支护结构对隧道围岩塑性区影响的不足展开研究,提出了一种考虑实际施工过程的非均匀应力场下圆形隧道围岩塑性区计算新方法,该方法能够很好地考虑围岩与支护结构的相互作用机理。利用该方法重点研究了隧道围岩初始位移及支护结构刚度对隧道围岩塑性区的影响,结果表明:(1)随着围岩初始位移的增加,围岩塑性区将呈现非线性增加,而当其增加到一定程度时,围岩塑性区增加幅度将十分显著;(2)随着支护结构刚度的增加,围岩塑性区将逐渐减小,但其减小幅度不是很大。因此在实际工程中,应选用合适的支护结构刚度以达到安全和经济的目的。

泥岩峰后应变软化行为及围岩-支护结构相互作用研究

采用室内三轴试验方法,基于塑性力学理论,获得泥岩峰后软化模量与围压的关系,构建了考虑围压影响的泥岩峰后应变软化模型,基于FLAC^(3D)平台进行开发,结合工程实例对模型进行验证.研究表明:构建的泥岩峰后应变软化模型可以考虑剪胀角的影响,符合围岩峰后变形的实际情况;数学模型能够较真实的反应岩石峰后非线性力学行为,为实现数值计算由定性向定量的转变奠定基础;通过现场实际应用表明,数值计算结果与现场实际情况吻合.

爆破动荷载作用下的地下结构内力计算方法探讨

地下结构内力计算是地下结构工程设计与施工验算的重要内容,而地下结构内力计算方法是地下结构内力计算的理论基础,所以必须加强地下结构内力计算方法的研究。这里采用结构动力学原理和弹性力学厚板理论对爆破动荷载作用下的地下结构内力计算方法进行了研究,推导了爆破荷载作用下的地下结构围岩和支护的内力M和Q计算公式,可用于分析地下结构相互作用原理、围岩压力分布和支护应力状态以及地下结构设计与施工强度验算。