二郎山隧道洞壁位移应力测试与信息化施工

通过对川藏公路二郎山隧道洞壁收敛位移及围岩岩体二次应力的测试分析，提取信息，并及时反馈信息，从而完善设计、正确指导施工。

马蹄形截面隧道施工模拟与洞壁位移影响因素

以江西省赣州市社官坝隧道工程为例,采用FLAC^(3D)软件进行隧道施工过程的数值模拟,并将模拟结果与现场监测数据进行对比分析,研究非绕轴对称岩石隧道工程环境因素对隧道洞壁位移产生的影响,为此类隧道的设计和施工提供参考依据。研究结果表明:隧道地表坡度、埋深及围岩等级对洞壁位移均有显著影响;当地表坡角较大、埋深较小以及围岩等级较高时,隧道拱顶、拱肩、拱脚洞壁位移量差异较为明显。因而隧道施工时应注意根据实际环境状况采取相应的支护加固措施,保证围岩的变形稳定。

埋深对压气储能内衬洞室稳定性影响的定量分析

采用热力耦合数值模型定量分析埋深对压气储能内衬洞室稳定性的影响.通过建立洞室内空气能量和质量守恒方程、洞室传热控制方程以及热弹性受力变形控制方程,从而建立压气储能内衬洞室热力耦合计算模型.对不同埋深时的压气储能洞室其受力变形特征进行模拟,对一个周期内的应力及变形进行分析,获得了不同埋深对压气储能内衬洞室稳定性的影响.数值模拟结果表明:埋深对密封层第一主应力和第三主应力影响不大.埋深越大,衬砌拉应力越小,而压应力越大;埋深只影响衬砌一个周期内前几个小时以及后几个小时的第三主应力值,对其余阶段应力影响不大.埋深越大,围岩压应力越大,第一主应力波动幅度越小;埋深增加,第三主应力增加.埋深越大,水平位移越小.每个时间节点洞顶竖向位移均随埋深的增加而减小.

深埋隧洞分步支护合理支护时机的力学研究

针对深埋隧洞分步支护时机缺乏可靠的理论研究,借助支护形式为“初衬+锚杆+钢拱架+二衬”的复合式衬砌结构,建立隧洞力学模型,基于Mohr-Coulomb准则,考虑开挖“空间效应”、衬砌时效特性以及支护结构分步施加的时机,推导了隧洞开挖与支护过程中塑性区应力、洞壁位移以及支护压力解析解。通过算例将该文理论成果与数值方法对比分析,验证了该方法的可行性,另外,分析了隧洞支护过程中塑性区应力、洞壁位移、支护压力的变化情况并提出隧洞分步支护的合理支护时机。研究表明:支护结构施加过程中,围岩塑性区的径向应力逐渐加强,切向应力峰区向洞壁转移,塑性区厚度大幅降低,其中,锚杆和钢拱架作用明显;优化初支施加时机后,洞壁最大位移、二衬荷载分担比较算例分别减少27.4%、13.2%,并根据优化结果给出支护结构施加时刻的建议值。研究成果对长期困扰隧道工程界支护结构如何分步支护提供了理论借鉴。

围岩空间变异性对隧道稳定性影响及注浆加固优化

根据岩土体弹性模量呈现空间随机分布的特征,结合随机理论与Monte-Carlo方法,建立围岩单元环向统计分析法,把力学性质相近的单元归为一类,建立了能考虑四心圆公路隧道围岩空间变异性的隧道变形稳定性随机有限元法,揭示了围岩和注浆效果空间变异性特征对隧道变形稳定性的影响规律。结合皮家岭隧道研究显示:考虑0~3 m围岩深度范围内围岩弹性模量(平均值为0.5 GPa,标准差为15.0 GPa)的空间随机性时,可靠度0.90对应的洞壁最大位移的最大值为11.33 cm,比平均值10.63 cm大6.59%,相同空间变异性围岩位于3~6 m深度范围时,可靠度0.90对应的洞壁最大位移的最大值为10.85 cm,距离洞壁越近的围岩空间变异性对围岩位移安全的风险越大;考虑围岩空间变异性条件下注浆加固后围岩拱顶可靠度0.90最大位移值减小了约3.5%,极值的区间范围减少约25%。研究方法和结论为围岩空间变异性四心圆隧道的优化设计和施工安全控制提供了理论依据,更为探究围岩空间变异性的隧道可靠度设计提供思路。

杆岩耦合作用下深埋隧洞围岩稳定性主控因素及支护优化研究

由于深埋隧洞围岩显著的流变特点,其变形范围及洞壁位移通常在施作初期支护一段时间后才趋于稳定,因此研究锚杆支护后隧洞围岩变形范围及其洞壁位移量将为支护参数优化及预留开挖量提供重要的理论依据。文章通过建立预应力锚杆与隧洞围岩的相互作用力学模型,分析了杆体与围岩相对位移为零的中性点位置及其最大轴力值。基于锚杆中性点理论,推导了工程扰动、锚杆预应力和孔隙水压耦合作用下隧洞围岩变形范围以及洞壁位移的计算公式。结果表明:多因素耦合作用下隧洞围岩变形范围及洞壁位移随工程扰动和孔隙水压的增大而逐步增加,随锚杆预应力的增大而减小。最后,以秦岭某引水隧洞为工程背景,利用所提出的理论公式计算了该隧洞极不稳定区段围岩变形范围及洞壁位移量,进而对原开挖及支护方案进行了优化。

深埋隧道软弱围岩稳定性分析及其锚固控制研究

近年来,随着我国地下基础设施的蓬勃发展,进入大规模地修建地铁项目阶段,城市之间的高铁项目如火如荼地建设中,同时采矿工程不断深入和大型水利工程的修建等。在这些建设过程中,常出现开挖后围岩的失稳破坏而发生塌方,特别是深埋条件下具有强度低、大变形特点的围岩失稳问题尤为突出。因此,开挖后软弱围岩稳定性分析及其加固控制对隧道工程设计和安全施工具有重要的意义。目前,对围岩的力学理论及应用研究取得了一定的成果,但是仍然跟不上现有的隧道工程建设,出现了理论研究明显落后于施工经验的局面,导致频频发生工程事故,究其原因是对开挖隧道后围岩变形特性的认识不足,缺乏及时加固控制的意识。本研究针对这些问题,以开挖隧道后围岩的塑性区力学状态和位移变形为基础,采用理论分析、室内试验和数值模拟等相结合的方式系统研究了开挖隧洞后围岩变形破坏的力学本质,揭示了围岩破坏后塑性区内的力学参数和位移的演化过程,探讨了深埋隧道围岩破坏的渐进性过程及锚杆锚固机制。完成的主要研究工作和成果总结如下:(1)从隧洞开挖后周边围岩的应力状态发生内力重分布为出发点,提出了应变软化模型下围岩的弹塑性有限差分解法,比较不同方法计算结果验证该方法的正确性,参数分析结果表明:剪胀特性对隧道洞壁处围岩的位移和塑性区半径影响较大,需要重点考虑岩体的剪胀性;临界软化系数对围岩的塑性区半径和残余区半径的影响较大;H-B屈服准则中"a"强度参数对判断围岩的稳定性具有重要影响,在计算过程中谨慎取值,建议采用广义H-B屈服准则;基于圆筒理论的弹性应变公式,同样适用于开挖隧道后应变软化围岩的稳定性分析中。(2)针对围岩的剪胀性和应变软化随围压变化的特性,根据剪胀性和应变软化是否考虑围压变化,建立不同的剪胀模型组合,探究了不同质量岩体的力学参数对塑性区围压变化的依赖性。研究结果表明,根据不同质量岩体塑性区内的力学参数对围压的依赖性不同,由于质量较好岩体的围压依赖性较低,建议采用剪胀角和临界软化系数均为固定的剪胀模型,但是质量较差岩体的围压依赖性较强,建议采用剪胀角和临界软化系数均随围压变化的剪胀模型。(3)基于统一强度理论,考虑中间主应力对应变软化围岩稳定性的影响,揭示了中间主应力对围岩特征曲线、纵向位移曲线和塑性区内非线性剪胀性的影响规律。结果表明,围岩稳定性研究的力学模型对分析结果影响较大,弹塑性模型未考虑围岩材料强度的弱化,计算结果偏小,不建议采用;中间主应力可以有效抑制塑性区半径和隧道洞壁处位移的发展,充分发挥围岩承载潜力,不考虑中间主应力效应的莫尔库伦强度准则,计算结果保守,可适当考虑围岩的承载潜力,而双剪强度准则计算结果偏小,不建议采用;纵向塑性发展上,考虑中间主应力的围岩在隧道掘进方向上的位移收敛速度增加,可以适当推迟支护结构施加的时间;对于塑性区内剪胀角变化的影响,中间主应力系数和临界软化系数分别体现在剪胀峰值和剪胀角的变化率上。(4)通过室内模型试验和FLAC3D数值模拟,再现了开挖隧洞后毛洞,施加短锚杆和长锚杆工况下IV级围岩的渐进性破坏过程和研究了锚杆对围岩的锚固效应。开挖隧洞后围岩的渐进性破坏顺序是边墙处的围岩首先发生剪切破坏,随后拱腰处剪切破坏,最后拱顶塌陷破坏;施加锚杆后的围岩,特别是拱顶部分围岩由于锚杆的加固作用形成了"加强梁"的作用,使得拱顶所能承受的最大沉降及其破坏荷载显著增加;锚杆的长度需要穿过拱顶塑性松动区(塑性残余区),否则,被锚固的围岩与上部未被锚固的围岩之间存在"分层"现象;锚杆可以显著改变围岩内部径向应力,表现在锚杆末端处围岩的径向应力增加。(5)锚杆通过与围岩之间的相互作用,其末端的锚固段将洞壁附近拉拔段的围岩"紧箍"起来使得洞壁处周边围岩变形减小;锚杆两端剪应力较大,特别是锚杆末端,应防止锚杆末端的剪应力较大超过砂浆与锚杆之间剪切强度而发生脱落;锚杆施作时机对锚杆应力分布和围岩变形控制影响较大,需要及时施作锚杆以达到较好的锚固效果,以免无效锚固;锚杆对具有大变形和弹性模量小的软弱围岩锚固效果较好,而对质量较好、弹性模量较大的硬岩锚固效果并不显著。