大型分岔隧道围岩稳定与支护三维地质力学模型试验研究

分岔式隧道是一种新型隧道结构型式,目前尚无相应的设计、施工技术规范和标准可循,为了解这种新型隧道结构的应力和变形状况,采用三维地质力学模型试验方法对目前在建的沪蓉西高速公路大型分岔隧道进行研究。试验成果有效地揭示分岔隧道洞周的应力、位移变化规律和分岔隧道围岩的破坏机制,获得分岔隧道的设计和极限承载安全度,为分岔隧道的优化设计和施工提供了有工程指导意义的建议和结论。

大盾构管片最不利上浮状态下三维形变特征模型试验方案设计

隧道施工期管片所受浆液浮力并非恒定,壁后浆液压力的不均匀分布会导致管片变形和隧道环的位错损伤。为减弱或避免因管片上浮造成的结构病害,通过自主设计研发一种考虑千斤顶水平推力、围岩压力以及同步注浆上浮力作用的管片三维加载模型试验系统,对大直径管片最不利上浮状态下的瞬时变形进行分析。试验装置由围压加载装置和非均布上浮力加载装置组成,可实现单点或多点同步加卸载;模型试验采用不同刚度弹簧模拟上浮期隧道与地层之间的相互作用;根据相似理论对管片模型和连接螺栓进行精细化设计和加工;根据实际工程中试验段的围压对模型围压初始值进行换算,并将动、静态上浮力相结合,提出更符合工程实际的盾构隧道横、纵向上浮力分析模型。结果表明:在拱底非均布上浮力的作用下,拱底竖向位移和收敛变形沿纵向均近似呈对数正态分布,其最大值均出现在脱出盾尾后第3环;各环管片的收敛变形与拱底竖向位移近似呈线性关系,斜率介于0.63~1.49之间;模型试验结果与实测数据相吻合。研究成果可为盾构隧道管片抗浮设计和施工提供一定的技术支持。

黄草坪2^#隧道洞口段减震措施的大型振动台模型试验研究

以国道318线黄草坪2#隧道进洞口段为原型,开展减震措施的大型振动台物理模型试验研究。首先系统介绍整个试验方案,包括试验装置、模型相似设计、模型箱体设计、相似材料设计、测试方案和地震输入及加载制度。然后,结合试验结果对洞口段减震设防区域进行研究,对横向减震层、纵向减震层以及加固围岩等措施的减震效果进行分析。试验结果表明,一般从模型洞口进入洞内120～150 cm(对应原型48～60 m)后,地震反应逐步趋于平稳,该范围是隧道减震设防的重点区域。设置横向减震层和系统锚杆加固围岩均能有效减少衬砌的动土压力和加速度反应,而且加固围岩的效果相对弱于设置横向减震层。通过合理设置纵向减震层间距,可将衬砌动应变量级降低至工程安全可接受水平。最后提出,对山岭隧道洞口段进行地震安全设计时,应该在上述认识基础上采取综合减震措施。

大型地下结构下修建盾构隧道模型试验

采用三维相似模型试验,研究了在南京玄武湖公路隧道下新建地铁盾构隧道时,两重叠隧道间的相互影响.试验结果表明:盾构隧道施工对玄武湖隧道周围土体的扰动十分有限,不会产生因下方土体变形过大导致玄武湖隧道出现“漂移”现象;对玄武湖隧道下方土体进行加固和加设抗拔桩后,结构附加内力和变形值明显减小;地表下沉很小,不会造成路面结构破坏.最后,用有限元计算进行了对比分析,表明盾构隧道施工中,玄武湖隧道和盾构隧道是安全的,不需进行特殊处理.

连拱隧道动态施工模型试验与三维数值仿真模拟研究

连拱隧道作为公路隧道新的结构型式,理论上还不成熟。以云南省元磨高速公路的一座连拱隧道作为工程背景,按弹性阶段相似原则进行连拱隧道室内模型试验,模拟连拱隧道的施工工况,采用压力盒、数码摄像、沉降板等仪器量测施工过程中隧道围岩应力和位移分布,采用三维连续介质快速拉格朗日元模拟连拱隧道的施工工况,得出施工过程中隧道围岩位移、应力和塑性区分布规律,其结果与模型试验所得结果基本一致。

大型地下水电站厂房洞群三维地质力学模型试验

本文对拟建的超大型水电站地下厂房洞室群三维地质力学模型试验作了综合介绍 ,包括采用离散化多主应力面加载和控制系统 ,解决了复杂三维初始应力场的模拟难题 ;采用机械臂和步进微型掘进机技术、微型高精度位移量测技术、声波测试技术、光纤测量及内窥摄影技术等 ,解决了三维试验中的隐蔽开挖模拟及内部量测等关键技术问题 .试验结果表明拟建水电站地下厂房洞室群的总体布置、洞型设计、洞室间距是合理的 ,推荐的支护方案对洞室整体性的加强有明显的作用 ,对设计方案起到有力的支持和验证作用 .

分岔隧道模型试验与数值模拟超载安全度研究

超载试验能得到隧道的超载安全度,通过大型地质力学模型对分岔隧道进行了超载试验,模拟了分岔隧道在不同侧压系数下围岩的变形、应力分布和破坏情况。同时,应用三维数值分析软件对模拟区域进行了模拟。模型试验和数值模拟结果分析表明,随着侧压系数K的增加,分岔隧道的侧向位移增加,拱顶位移由向下变为向上;当侧压系数为K=3.5时,应力达到极限;当侧压系数K≥4.0时,位移突变,最终最大位移达到100 mm;塑性区骤增,隧道拱顶围岩开始开裂,且有块体掉落。分岔隧道的拱顶和两帮是最易破坏的区域,隧道超载安全度为3.5。

组合式地质力学模型试验系统及其在分岔隧道工程中的应用

地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定工程地质问题进行缩尺研究的一种方法。地质模型是客观物理实体的再现,在满足相似原理的条件下,能够真实反映岩土介质的基本力学变形特性。要进行模型试验,就必须有相应的模型试验装置。根据地质力学模型试验的特点,本文研制出一种能实施同步非均匀加载的组合式地质力学模型试验系统。该系统主要由盒式台架装置、变荷加载板和液压加载控制试验台组成,其具有尺寸可调、加载规模大、持荷稳定的显著优点。应用该系统对一大型分岔隧道工程进行了三维地质力学模型试验研究,有效揭示了分岔隧道围岩位移场、应力场的变化规律和岩锚支护效应。

双隧道对群桩影响的三维离心模型试验研究

在膨胀土地基中进行了双隧道对群桩影响的三维离心模型试验,目标地层损失比为2%,着重研究引起的地基沉降槽、附加弯矩、轴力的变化规律。试验得出:膨胀土地基中每个隧道开挖形成的地表沉降槽仍符合Peck高斯曲线,双隧道共同作用形成的沉降槽可以看作是每个隧道单独作用形成的沉降槽的叠加;两个隧道开挖引起的前后桩弯矩规律类似,最大附加弯矩均出现在拱冠附近,但存在明显的前桩遮拦效应;随着第一个隧道开挖的临近及远离,前后桩轴力会发生明显不同变化,而第二个隧道影响明显不同,附加轴力最大值约为工作荷载的10%。

三维模型试验新技术及其在大型地下洞群研究中的应用

介绍了三维地质力学模型试验中的几项新技术,包括高容重模型材料NIOS的采用、三维复杂地应力场的生成和监控技术、洞室群施工过程模拟中的隐蔽开挖技术和内窥监测等等。根据国内外文献查对,这几项技术在岩石力学及地下工程试验研究中尚未见报道。目前,这些新技术已成功用于某超大型水电站地下厂房洞室群的施工仿真三维地质力学模型试验研究,取得了满意的成果,并对设计方案起到有力的支持和验证作用。本项试验的成功,开辟了地下洞室工程三维试验研究的一条新途径,其成果可以应用于我国其他超大型地下洞室群工程的布置、设计和研究。

山岭偏压隧道洞口段大型振动台模型试验方案设计

以国道318线黄草坪2#隧道进洞口段为原型开展大型振动台物理模型试验方案设计。首先对模型箱体设计以及模拟相似材料的物理力学特性和制作方法进行分析和介绍。在此基础上结合既有研究成果和精简原则,对量测仪器进行了合理布置,最后介绍模型的浇筑过程和地震输入及加载制度。试验结果表明,该模型试验方案设计是合理的。

纵向风作用下隧道火灾烟气分岔流动试验研究

采用小尺寸模型地铁隧道火灾试验,研究不同纵向风速和不同火源功率下隧道内的烟气层形态特征、烟气温度分布,验证隧道火灾烟气分岔流动机理,分析分岔流动临界风速和临界Richardson数的变化规律;采用数值模拟方法验证分岔流动临界风速和临界Richardson数的变化规律。结果表明:随着纵向风速的增大,羽流撞击区上游的烟气回流逐渐减少,烟气层产生向上的凹陷,当烟气回流完全消失时将发生烟气分岔流动现象;在较大纵向风速下,烟气分岔流动的发生将导致隧道中部烟气量减少,造成火源下游段隧道中心形成低温区;分岔流动无量纲临界风速随无量纲火源热释放速率1/3次方呈线性增长规律;烟气分岔流动临界Richardson数基本不受无量纲火源热释放速率变化的影响,可视为常数0.095。试验得到的烟气分岔流动临界风速和临界Richardson数变化规律与数值模拟结果吻合良好。

陆路交通隧道-滑坡平行体系模型建立与试验验证

基于武罐(武都—罐子沟)高速公路圆台子隧道、宝兰客专洪亮营隧道典型工点,从中抽象出试验模型,定性分析隧道-滑坡平行体系单滑面情况下隧道纵向平行穿越滑坡体时,在隧道与滑移面相交区段坡体蠕滑对隧道的作用机制及隧道变形破坏模式。通过模型试验建立了隧道-滑坡平行体系的力学简化三维图示。研究结果表明:滑坡推力的影响随着隧道距离滑带的远近而变化,在滑带处滑坡推力影响最为严重,隧道变形明显。所建立的力学简化模型对隧道-滑坡平行体系的进一步研究具有借鉴意义。

大型隧道工程三维数值分析的并行计算方法

建立了黄浦江某大型越江隧道的三维精细非线性有限元模型,采用接触均衡的并行计算技术,解决了大型隧道工程数值模拟时规模庞大的问题。数值模拟了越江隧道的静应力场,比较了两种不同分区方案对并行加速比的影响。数值模拟结果能够为大型隧道工程设计提供参考依据。

大型飞机风洞试验的三维视频动态变形测量方法和实验研究

项目负责人：梁晋（E-mail：liangjin@mail.xjtu.edu.cn） 依托单位：西安交通大学 项目批准号：50975219 1.项目简介 大型飞机模型在风洞试验时变形很大,需要精确测量其三维变形数据。本项目采用三维视频动态变形测量方法,在风洞试验时采用多组相机（两个相机为一组）高速拍摄模型多个部位的视频图像,计算飞机模型关键点各个时刻的三维坐标,从而计算出模型关键点的位移变化和变形数据。项目通过风洞现场试验和分析,获取风洞试验对测量精度的影响规律,建立测量误差模型。

分岔隧道稳定性分析及施工优化研究

建立中墙承载模型,通过理论分析分别给出连拱和小净距隧道的中墙稳定性判据,据此可得到中墙的合理厚度。以八字岭分岔隧道为例,分别采用地质力学模型试验和弹塑性损伤有限元模拟分岔隧道的施工全过程,给出围岩关键点位移和应力随施工过程的变化曲线以及围岩损伤区和塑性区的分布,提出分岔隧道的施工过程的优化措施。研究爆破施工对隧道稳定性的影响,提出不同中墙宽度、不同围岩情况下装药量的大小及施工措施。根据上述研究结果,针对原施工设计提出优化建议。对分岔隧道施工进行现场监测,监测数据与试验和计算数据的对比验证了试验和数值计算的正确性。监测结果表明隧道稳定,说明施工优化建议合理。

盾构隧道近接下穿地下大型结构施工影响研究

建立了盾构掘进三维有限元模型,针对不同的盾构推进力和同步注浆未及时起到支撑作用的施工工况,采用数值模拟和室内相似模型试验方法进行了盾构隧道近接下穿地下大型结构施工的影响研究。研究结果表明,盾构掘进对地下结构周围土体扰动有限,不会产生隧道整体漂移。抗拔桩对地下结构的支撑作用明显,使得地下结构底板的拉应力和压应力交替出现,从而减小了应力量值。新建隧道和既有隧道衬砌结构受力是安全的,不需进行特殊设计。建议在近接地下结构之前10m处,调整盾构机姿态,放慢掘进速度,并将推进力控制在10000kN以内,以确保施工的安全进行。

地铁盾构分岔式隧道数值模拟及应用

为研究地铁盾构分岔隧道问题,采用FLAC3D三维模拟技术以原始隧道经过简化得到计算分析三维模型,分析了不同分岔角度下的应力、变形问题.研究结果表明:分岔隧道的应力、变形随分岔隧道夹角的增大而减小,应力叠加越来越小,当分叉角度较大时,应力集中峰值开始分岔变为两个峰值;通过与现场监测结果对比,现场监测值与数值模拟结果吻合.

多同性源阵列电阻率法隧道超前探测方法与物理模拟试验研究

直流电阻率法以其对含水构造响应敏感且适应性强的特点,是隧道施工期超前地质预报的常用方法.针对目前定点源三极观测方式易受到测线附近旁侧异常干扰与聚焦观测方式探测距离过短无法三维成像的问题,提出了一种基于多同性源阵列电阻率的隧道超前探测新方法,利用环形布置的多同性源供电压制隧道掌子面后方的异常体的干扰,同时增强掌子面前方远处异常体的敏感度,阵列电极测量可为含水构造的三维反演成像提供三维数据.首先,开展了含水构造超前探测的数值正演模拟,发现多同性源方法的视电阻率纵向微分曲线极小值以及与横轴的交点位置可对异常体位置进行定性判断,探讨了多同性源方法对后方及侧向异常干扰的响应特征及识别方法.其次,将电阻率光滑约束与轨迹光滑策略引入蚁群反演算法,提出了一种最小二乘方法与改进蚁群算法相结合的混合反演算法,反演数值算例表明混合反演算法能够实现含水构造的三维成像,较好地反演出不同距离的含水构造位置,并使其边界较为清晰.为了验证多同性源探测方法的探测效果开展了物理模型试验,多同性源阵列电阻率法能较好的反映含水构造的存在,与实际含水构造的位置较为相符.

新型岩土地质力学模型试验系统的研制及应用

根据地质力学模型试验的特点,研制出一种新型岩土地质力学模型试验系统,该系统主要由盒式台架装置、带扁千斤顶的变荷加载板、液压加载控制试验台组成。其中盒式台架装置用于容纳试验模型并作为加载反力装置,带扁千斤顶的变荷加载板用于给试验模型施加非均布荷载,液压加载控制试验台用于试验模型的自动加压与稳压。该系统具有规模大、整体稳定性好、尺寸可调、能进行同步非均匀加载,并具有加荷高、升压快速、持荷稳定的优点。将该系统应用于某一高速公路大型分岔隧道的三维地质力学模型试验研究,试验结果有效指导和优化了工程的设计和施工。