考虑中间主应力与约束损失的深埋圆形隧道围岩特征曲线分析

提出基于统一强度理论和非相关联流动法则,推导同时考虑中间主应力和约束损失两种因素作用下的围岩弹塑性应力-位移解析解.结合算例,分析中间主应力和约束损失对围岩特征曲线的影响规律.结果表明:考虑中间主应力的影响,能够充分发挥围岩的强度;考虑约束损失的影响,计算得到的围岩塑性区径向位移值减小,说明在利用围岩特征曲线进行支护设计时,同时考虑以上两种因素,能够取得较好的经济效益.

基于统一强度理论的扰损围岩巷道脆塑性解答

钻爆法施工常造成岩质巷道扰损区围岩性能劣化。针对扰损围岩、扰损外围岩的弹塑性状态下不同的扰损围岩巷道力学模型,采用统一强度理论、弹-脆-塑性模型和非关联流动法则,建立扰损围岩巷道有关应力、位移和塑性区半径的脆塑性解答,探讨巷道力学模型的转换路径及判定方法,并将结果进行对比、验证,获得各因素的影响规律。研究表明:提出的巷道脆塑性解答合理反映了中间主应力、围岩扰损范围和峰后强度、剪胀特性的综合影响,通过参数组合变换可退化为多种解答并得到正确性验证,具有重要的理论意义和应用前景;巷道力学模型判定与中间主应力、围岩扰损范围密切相关,显著影响巷道应力-位移分布和围岩特征曲线;支护压力和巷道稳定变形随着围岩峰后强度下降、剪胀特性参数增加而明显增大。

收敛约束法在挤压性围岩隧道中的应用

由于挤压性围岩隧道围岩性质与应力环境的特殊性,其围岩特征曲线与常规隧道有明显差异。为研究挤压性围岩隧道围岩-支护相互作用关系,考虑支护效应修正围岩特征曲线,研究不同变形等级对修正围岩特征曲线的影响规律,优化挤压性围岩双线铁路隧道初期支护。研究结果表明,毛洞状态下,受双线隧道断面应力集中影响,拱脚和墙脚为安全控制位置;随着变形等级和侧压力系数增加,支护特征曲线与修正围岩特征曲线不再相交;Ⅰ、Ⅱ级变形采用单层支护可满足安全要求,锚杆只需布置在拱部和边墙位置,Ⅱ级及以上变形锚杆需要全环布置;Ⅳ级变形在采用双层支护的同时,需考虑改善洞室形状、超前加固等措施。

深埋圆形巷道围岩塑性区位移及特征曲线新解和参数分析

考虑中间主应力、脆性软化、剪胀特性、塑性区弹性模量及弹性应变定义等综合影响,提出深埋圆形巷道弹塑性计算的基本假定,进而建立围岩塑性区位移及特征曲线新解,对其进行可比性分析与比较验证,并详细探讨各因素影响特性。所得围岩塑性区位移及特征曲线新解是不需要借助任何数值算法的理论解析解,具有广泛的适用性和很好的可比性。研究结果表明:巷道结构的强度理论效应即中间主应力影响显著,相应的支护可以减弱或改用轻型支护;不考虑脆性软化或剪胀特性都将低估围岩实际位移,工程设计偏危险;半径相关的塑性区弹性模量得到的围岩变形及特征曲线处于上、下限之间,能体现巷道开挖卸载受扰程度的距离渐进性变化;塑性区弹性应变应优先选用更合理和准确的第三定义,且各因素之间存在相互影响。

锚杆加固作用下圆形隧道复合岩体围岩特征曲线解析方法研究

传统收敛约束法中通常将锚杆作为支护结构求解独立的支护特征曲线,但是锚杆无法构成单独的支护体系,需和围岩共同作用形成承载体系。基于隧道开挖弹塑性力学解析解,考虑锚杆对围岩的加固效应,通过均匀化方法,推导了锚杆加固作用下的圆形隧道复合岩体围岩特征曲线解析解。将所推导的解析解与数值计算结果进行对比,结果表明:推导的锚杆加固作用下复合岩体围岩特征曲线解析解与FLAC^(3D)计算结果吻合较好,说明将锚杆与围岩作为复合承载体系是合理的,同时说明该方法的准确性。通过对比有无锚杆支护状态下的围岩特征曲线,说明了锚杆对围岩变形具有较好的控制作用。该解析解考虑锚杆的预应力和支护时机,为锚杆加固作用下的隧道稳定性分析提供了相对简单快速的计算方法。

基于特征曲线法的围岩-支护系统安全性分析

为探明围岩-支护系统的稳定性,文章基于围岩特征曲线(GRC)原理,分析了围岩级别、埋深和洞径对GRC的影响。并依据GRC、支护特征曲线和纵向变形曲线间关系,以围岩稳定安全系数(Q_(1))、支护结构安全系数(Q_(2))和围岩变形控制率(Ψ)为评价指标,结合实际工程给出了最优支护起点。结果表明:①围岩支护力与围岩级别呈正比,埋深对GRC的影响明显,洞径愈大,塑性变形愈大;②Q_(1)、Q_(2)和Ψ对于最优支护起点和支护刚度的选择具有实用性。

富水软岩隧道破碎带围岩稳定性及预留变形量优化研究

为了掌握穿越富水断层破碎带隧道围岩大变形规律及改善支护参数。首先推导渗流力作用下圆形洞室弹塑性解析表达式,并且引入Caquot公式和Kastner公式,得到考虑渗流力条件下的围岩形变压力和松动压力与围岩变形之间的关系,确定围岩特征曲线。根据隧道支护方式,得到隧道支护特征曲线。并通过现场监测,验证理论分析正确性,优化破碎带围岩预留变形量值。研究结果表明:考虑渗流力、围岩塑性形变压力和松动压力共同作用下围岩变形规律与现场监测结果比较接近。考虑渗流力、围岩形变和松动压力求出的围岩压力大于不考虑渗流时得到的结果,考虑渗流力、围岩形变和松动压力时地层与支护结构达到平衡时的变形量比不考虑渗流时大0.15 m。根据围岩-支护相互作用全过程规律曲线,通过曲线交点,得到预留变形量理论值,对比隧道大变形段的监测结果,确定破碎带围岩最优预留变形量为300 mm。研究结果能准确表征渗流效应、围岩形变和松动压力对富水软弱破碎带围岩大变形影响规律,对类似工程的支护设计优化有明确的指导意义。

巷道节理化软岩特征曲线数值模拟与锚注加固

采用离散元方法对节理化软岩巷道在未加固、拱墙锚注加固、全断面锚注加固时的围岩特征曲线进行了数值模拟分析,得到了3种情况下的围岩特征曲线。对特征曲线分析表明:施加拱墙加固时,巷道拱部和墙体部位围岩稳定性得到明显改善,但底板稳定性差。全断面加固后巷道各部位围岩稳定性都得到了改善,支护效果优于拱墙加固,因此全断面锚注加固是一种值得推广的技术手段。对巷道围岩应力场分析揭示了锚注加固的机理,通过锚注加固使围岩结构面得到强化,围岩结构面黏聚力和内摩擦角增大,拟制了结构面的张开与滑移,有利于围岩块体通过挤压作用形成压力拱结构,增强和发挥了围岩自承能力。

基于收敛约束原理的大断面黄土隧道围岩与初支稳定性分析

黄土特殊的工程性质决定了黄土隧道结构的受力复杂性.大断面黄土隧道由于开挖断面大,开挖方法一般采用台阶法或交叉中隔壁法(CRD).因此,沿用传统的观测点布置方法进行测点布置和位移观测,存在一定的困难.收敛约束法应用方便,思路明确.用收敛约束法对隧道初期支护进行稳定性分析,不仅能正确地反映隧道施工中的各种力学现象和过程,还能弄清楚围岩与支护"相互作用"和"动态作用"的特点.本文基于收敛约束原理,结合现场实测数据,对兰渝高铁某大断面黄土隧道的围岩稳定性和初支的安全性进行评价,为隧道的后续施工,提供参考.

非圆形隧洞收敛-约束特征曲线的数值求解方法

利用应力释放法原理,在收敛-约束解析法基础上,提出了适合任意断面隧洞的收敛-约束特征曲线数值求解方法,通过与收敛-约束解析法对比验证该方法的有效性,并与常用的数值方法进行对比,最后对收敛-约束特征曲线数值求解方法的计算误差进行分析.研究结果表明:收敛-约束特征曲线数值求解方法适合非圆形隧洞,由于通过施加节点支撑反力实现应力释放,该方法同样适合应力状态复杂的隧洞;以滇中引水工程为例,将收敛-约束特征曲线数值求解方法与收敛-约束解析法的计算结果进行对比,验证了收敛-约束特征曲线数值求解方法的有效性;收敛-约束特征曲线数值求解方法计算结果存在一定的误差,其整体相对误差小于10%.收敛-约束特征曲线数值求解方法的适用性更加广泛,可为隧洞工程的初期支护优化设计及安全性评价提供参考,具有一定的工程应用价值.

基于特征曲线法的预筑拱支护特性研究

机械预切槽技术施作形成的预筑拱支护能够控制掌子面前方围岩的预收敛变形,可以有效解决软弱围岩隧道施工所面临的变形控制问题.作为一种超前预支护措施,预筑拱与围岩作用机理较为复杂,为了阐明其支护特性,基于围岩特征曲线法,对预筑拱的支护特性进行了解析研究.预筑拱预置于围岩中,忽略掌子面处围岩的应力释放等过程,给出了预筑拱作用下围岩特征曲线的计算公式并得出预筑拱作用下的围岩特征曲线.通过对比有无预筑拱作用时的围岩特征曲线,可以发现,预筑拱能够有效地改变围岩的特征曲线,具有增强围岩稳定性的能力.

深埋软岩大变形隧道支护变形特征及承载机理研究

为解决某深埋软岩单线铁路隧道大变形问题,在隧道内设置试验段;现场测试分析隧道支护受力及变形特征,发现边墙处支护变形与其承受的围岩压力、支护刚度及围岩内部变形均不匹配,拱顶支护变形与其承受的围岩压力也不匹配;通过数值模拟及理论分析,分别计算该隧道拱顶及边墙处的围岩特征曲线,并根据隧道变形及破坏特征建立隧道支护变形失稳模型,研究支护承载及失稳机理。结果表明:软弱围岩可承担的围岩荷载比例有极限,无法通过释放围岩变形让围岩承担大部分荷载,现场测试得到工程中拱顶及边墙处围岩承担荷载比例分别为63.5%和34.7%;马蹄形断面隧道出现的大变形现象,是由于边墙支护结构刚度失效与稳定失效共同作用引起的。针对工程中出现的问题,提出将隧道断面由马蹄形改为圆形断面、预留合理变形量以及增设长锚索等大变形控制措施。采用该措施后,初支变形基本得到控制,且隧道施工进度由1~3 m·月^(-1)增至20 m·月^(-1)。

高地应力软岩隧道预留变形量设计方法

在弹塑性岩体中开挖隧道,若围岩无明显的流变性,支护施作太早将承受非常大的荷载,但支护结构并非越晚施作越好。如果支护结构刚度和强度设计不足,即使预留了变形空间,隧道仍可能因支护反力不足而发生大变形破坏。为确定合理的支护刚度和支护时机,基于GZZ强度准则采用大应变分析理论,考虑隧道扩挖影响,修正高地应力软岩隧道的围岩特征曲线。修正后的特征曲线与原始曲线有共同的起点,但随着变形增大逐渐偏离原始曲线;增大开挖半径会使特征曲线更高,这意味着支护结构需要提供更大的反力。因此,在工程设计时需要根据修正后的围岩特征曲线进行支护结构设计,避免因为支护刚度不足而发生大变形破坏。其次,基于初始地应力、围岩强度等参数对修正围岩特征曲线形态的影响,提出高地应力软岩隧道围岩最佳预留变形量的设计方法。当地应力较低时,特征曲线有明显的“最低点”,该点对应的支护反力最小,为最佳支护时机;在高地应力条件下,即使变形很大,围岩特征曲线也仍然未达到最低点,这是因为形变压力占主导,松散压力远小于形变压力。因此,在高地应力条件下,采用应力释放措施是有必要的,可通过特征曲线的曲率寻找最佳预留变形量。

特征曲线法在大瑶山隧道设计中的应用

利用大型有限元分析软件ANSYS对大瑶山隧道Ⅴ级围岩深埋段进行数值模拟计算,分别提取围岩径向位移和对应的围岩压力,并将两者之间的关系进行拟合,得到围岩特征曲线。在此基础上,分别以围岩洞周位移释放率达到65%、70%和75%时的围岩压力作为设计支护压力,结合支护材料的刚度计算公式及支护组合方式确定初期支护结构的组合刚度,进而确定出相应的支护特征曲线。最后采用荷载结构法对支护设计进行安全性验算,验算结果满足安全性要求。论文中采用特征曲线方法确定围岩压力的方法,对特征曲线法在非圆形断面隧道设计中的应用具有参考价值。

基于均匀化方法的破碎千枚岩隧道稳定性分析

隧道穿越高地应力破碎千枚岩段时,容易造成围岩压力和能量的释放,导致隧道支护结构产生大变形破坏。当前的隧道围岩稳定性分析多将围岩与支护结构分开研究,分别求解特征曲线,但是锚杆注浆支护的原理是增强围岩的强度,与围岩成为一个整体共同承载地应力,不能单独作为支护结构考虑。以兰州-张掖三四线铁路XQ2标段新乌鞘岭隧道为研究背景,通过均匀化方法对锚杆注浆加固下的隧道围岩进行等效化处理,并基于约束-收敛理论计算出等效围岩特征曲线及支护特征曲线。结果表明,原支护结构强度不能有效地控制围岩变形,将隧道稳定性分析结果与现场监测数据进行对比,发现新方法能够很好地反映工程实际情况,为锚注加固作用下的破碎千枚岩隧道稳定性分析提供一种相对简便的定量计算方法。

超大埋深高地应力软岩隧道衬砌设计研究

围岩初始地应力场是隧道工程稳定与支护结构设计所需要的基本因素之一,在超大埋深高地应力软岩隧道衬砌设计过程中,如何合理确定围岩压力并进行衬砌针对性设计参数是工程师关注的重要问题。以某铁路超大埋深高地应力软岩隧道为研究对象,从理论推导和数值模拟两个方面出发对围岩压力进行研究,即基于卡斯特耐尔拓展公式理论推导确定围岩压力和基于ANSYS有限元分析软件进行三维地应力场模拟,研究了不同地应力水平和预留变形量组合下的围岩压力,并对三维地应力场模拟结果进行分析探讨;通过上述方法确定围岩压力后,建立有限元分析模型对高地应力软岩隧道衬砌参数(以Ⅳ级围岩为例)进行设计,检算衬砌参数可靠性并形成成果,可以为类似工程提供参考。

基于统一强度理论的深埋圆形岩石隧道收敛限制分析

基于统一强度理论和非关联流动法则,考虑中间主应力、围岩软化、剪胀和塑性区较小弹性模量等综合影响,推导了深埋圆形岩石隧道围岩特征曲线解析新解。采用较合理的Vlachopoulos公式确定隧道纵向位移释放系数,利用收敛限制法对比两种支护起始位置方法下支护压力的差异。研究结果表明:统一强度理论参数对围岩特征曲线和隧道纵向变形曲线的影响显著,考虑中间主应力效应可以更加充分发挥围岩的强度潜能,塑性区弹性模量和剪胀参数对围岩特征曲线的影响显著,不同支护起始位置方法确定的支护压力差异明显。

基于黏聚力弱化边界面模型的深部洞室响应分析

在原位地应力和开挖卸载作用下,深部洞室围岩呈现硬化-软化响应,这一特性对洞室力学响应评估和支护结构设计有着重要影响。为研究开挖后深部围岩的硬化-软化响应,基于边界面理论框架,引入黏聚力弱化机制,结合改进的Rowe应力-剪胀规律,构建了深部围岩黏聚力弱化边界面模型,将常见的屈服面-峰值强度面-残余强度面简化为初始(峰值)边界面-残余边界面,避免了屈服面参数测量误差对计算结果的影响。在该本构模型增量化应力-应变关系的基础上,引入Hencky应变以评估洞室大变形工况,并引入辅助变量完成坐标转换,推导了描述深部圆形洞室周围应力场分布的常微分方程组。进一步地,结合深部圆形洞室的地应力环境等边界条件,对常微分方程组进行求解,获得所研究工况下的深部洞室应力分布,并将所得结果与现有解答进行对比校验。随后,分别讨论了相同支护力与不同地应力组合,以及相同地应力与不同支护应力组合等工况下的洞室应力分布。此外,基于所得深部洞室应力分布解答,计算围岩特征曲线并与相关文献进行对比,并讨论残余黏聚力取值对围岩特征曲线的影响。相关结果表明:黏聚力弱化边界面模型可以较好地描述岩石试样的硬化-软化力学行为。采用黏聚力弱化边界面模型可以有效描述深部洞室周围的应力分布,并能为支护设计提供参考。所得的围岩特征曲线能有效反映围岩的响应特征,在中段同支护力下预测的变形值比经典解答略大,残余黏聚力取值对围岩特征曲线影响较大。本文相关结论可为深部洞室支护理论构建、施工方法研发和保障深部洞室安全提供参考。

深部高应力软岩巷道注浆时机优化分析

基于支护-围岩共同作用原理分析,揭示朱集西煤矿深部高应力软岩巷道围岩收敛变形与支护强度及围岩自承力的变化关系,获得巷道围岩位移与支护强度的关系曲线。采用FLAC3D内嵌的Fish语言编程,提取巷道围岩塑性区、拉伸破坏区及剪切破坏区体积数,揭示不同岩性与埋深条件下巷道围岩变形和塑性区扩展随应力释放率的演化规律,再现巷道围岩从局部破坏直至整体失稳破坏的演化过程,提出以应力释放率阈值作为判定注浆时机的指标。研究结果表明:确定当围岩变形量为150 mm时,实现存储于围岩内变形能的充分释放及围岩自承力的最大利用。采用应力释放率阈值60%和围岩变形量150 mm作为判定注浆时机的指标是合理的,两者可相互验证。提出"锚网索喷+注浆+底板锚注"联合支护技术方案,解决了深部高应力软岩巷道支护难题,验证了所确定的注浆时机是合理、可行的。

圆形隧道弹塑性解析研究

综合考虑围岩软化、剪胀性、中主应力的影响,建立了平面应变力学模型,获得了围岩应力场、位移场、塑性区半径、临塑支护压力及围岩特征曲线解析解。隧道开挖面发生弹性变形时,围岩特征曲线斜率大,当支护压力小于临塑支护压力时,围岩发生弹塑性变形,围岩特征曲线逐渐平缓。围岩应力和位移的释放是一个逐步发展的过程,而不是瞬时完成的。利用算例分析,给出残余黏聚力、残余内摩擦角对隧道变形的影响规律。