基于D-P准则盾构隧道围岩与衬砌结构相互作用分析

岩体开挖后受扰动而产生应力重分布过程极其复杂,尤其是在不良地质环境下更甚。对于地质条件差、地应力为高~极高的软弱围岩,其结构受力大小与受力特征对隧道结构安全尤为重要。针对目前研究中存在的问题,结合工程中出现的问题和实际需求,以高地应力软弱围岩条件下的关角隧道、木寨岭隧道等工程为背景,通过地应力现场实测、理论研究与数值分析,对高地应力软岩隧道围岩压力和围岩与支护结构相互作用机制进行研究。主要进行以下几方面的研究工作:(1)在中国地应力场分布规律统计分析基础上,统计得到我国青藏地区平均水平地应力与垂直地应力的比值随深度变化的分布曲线。(2)采用水压致裂法进行兰渝线天池坪隧道和两水隧道地应力现场实测。在此基础上,分析隧道所处的原始高地应力水平及隧道开挖后的地应力分布规律;采用改进的bp神经网络进行了木寨岭、天池坪等隧道的宏观地应力场拓展分析,获得地应力的宏观分布形态与特点。(3)针对现有本构关系,对高地应力软岩尚不具有广泛代表性和卡斯特耐尔公式无法直接计算出在塑性区范围不同发展过程对应的塑性形变压力的问题,以原岩应力和隧道容许位移(或支护后实际量测位移)为出发点,采用岩体软化\"直–曲–直\"模型,推导了隧道形变压力计算公式。(4)利用台阶法开挖中存在的空间效应和改进的bp人工神经网络模型预测位移以及多项式拟合预测方法,提出两类在高地应力软弱围岩条件下使用开挖应力释放率模型的方法。通过在关角隧道和木寨岭隧道大战沟斜井高地应力软岩地段的应用,探讨其结构荷载与应力释放规律,其结果得到三维数值分析的验证。(5)为验证卡斯特耐尔扩展公式合理性,基于参数全过程变化的应变软化flac3d三维数值模型,模拟木寨岭隧道正洞高地应力软岩地段隧道开挖支护过程。三维数值结果与卡斯特耐尔扩展公式计算结果吻合,进一步证明该公式在高地应力软弱围岩条件下应用的可靠性、适用性。在统计青藏地区地应力分布规律基础上,结合现场实测和拓展分析,准确获得高地应力软岩隧道位置原始地应力,为研究围岩压力和围岩与支护结构相互作用机制提供依据。在原始地应力基础上,结合理论分析和数值仿真,获得高地应力软岩隧道的围岩压力计算方法和围岩与支护结构相互作用机制。主要创新点体现以下4个方面:(1)统计分析得到我国青藏地区平均水平地应力与垂直地应力的比值随深度变化的分布曲线。总结出青藏地区地应力分布规律与特点,为判别该区域地应力测试结果的合理性提供依据。(2)针对高地应力条件下软岩隧道大变形问题,引入岩体软化\"直–曲–直\"模型,推导出适用于高地应力软岩隧道基于原岩应力和隧道位移的隧道形变压力计算公式。(3)提出2种在高地应力软弱围岩条件下使用开挖应力释放率模型的方法。(4)为在三维数值分析中反映软弱围岩参数随坑道变形而不断变化的特性,引入参数全过程变化的应变软化模型,利用flac3d软件验证卡斯特耐尔扩展公式应用于高地应力软岩隧道的可靠性和适用性。

基于变形准则的隧道围岩稳定概率分析——研究了在隧道支护结构设计中采用变形控制时，其正常使用可靠度分析极限状态方程的建立方法，特别探讨了广义抗力和荷载问题。对于抗力，研究了各类隧道围岩最大允许变形值的确定规则；对于荷载，根据围岩与支护结构相互作...

高水位隧道堵水限排围岩与支护相互作用分析——为了保护环境并尽可能降低衬砌结构所受的水压力，提出高水位山岭隧道应采取“以堵为主，限量排放”，即“堵水限排”的防排水设计原则。但对于堵水限排情况下衬砌结构的设计，目前尚没有规范可依，这是目前隧道设...

以特长隧道为研究对象,采用二维平面有限元方法研究了隧道衬砌结构的受力情况,建模中考虑了隧道坡度的影响。通过分析表明,衬砌中的初期支护和二次衬砌一般要共同承担荷载,二次衬砌的受力往往大于初期支护的受力,而且在初期支护与二次衬砌间存在不均匀压力,由此可对衬砌的合理设计与施工提供一定的参考价值。

通过对公路隧道深埋段围岩压力进行监测,绘制围岩压力变化曲线,分析围岩压力变化规律。通过有限元数值模拟分析衬砌结构受力情况,为日后类似隧道工程的合理设计与施工提供了借鉴与参考。

为了增强隧道工程支护效果、提高各支护构件利用率、保证隧道的安全,需要寻找减小工程支护力的途径,即最大限度地释放围岩形变势能、充分利用围岩自身承载能力,实现围岩与衬砌间的支护耦合,建立了由隧道表征变形量、支护体系组合构件的整体性能利用率、支护系统组合构件耦合效率3个指标组成的耦合评价体系,并用于西安岭隧道施工现场监测并进行耦合分析.结果表明:该隧道最终耦合效率较高,设计方案合理.

城市地铁隧道在穿越建筑物前一般要进行施工方案安全性评价,对施工引起的地表建筑物安全性进行评估并提出相应的加固和控制措施,从而确保隧道上方建筑物与隧道自身的安全。以杭州地铁1号线某区间隧道为工程背景,采用flac3d对盾构下穿房屋施工过程进行数值模拟,并与现场监测数据进行对比分析。研究表明,盾构掘进引起的地表沉降主要发生在盾构机前方1d和后方2d(d为洞径)的范围内,由于建筑物的存在,改变了地表沉降等值线原有的扩散形态,使得建筑物所在区域等值线较为密集,且施工完后隧道的\"双凹槽\"并非完全与隧道轴线重合。最后对现场施工过程中可能遇到的一些风险因素进行分析,并提出了相应的控制措施以确保建筑物和隧道本身的安全。研究结果可以为盾构成功穿越建筑物提供科学有效的技术支持,并且为类似工程的施工提供一些技术参考。

隧道围岩稳定性评估是地下工程建设与维护所面临的重要课题之一.基于此,文章从材料特性角度分别建立均值和非均值数值模型,针对沈阳地铁2号线1标盾构隧道下穿立交结构的围岩安全稳定性进行评价.其中,均值模型侧重于分析围岩变形、应力变化和塑性区分布特征,并结合实测数据对其计算合理性进行验证;非均值模型侧重于围岩体细观破坏过程,采用具有残余强度的弹塑性损伤本构模型及其破坏单元材料性质退化方法,模拟隧道围岩强度折减下的渐进破坏过程及声发射规律,并计算出整体结构安全系数.同时,借助声发射(ae)规律,探讨了类似工况下隧道围岩破坏模式,可为类似工程实践提供参考依据.

该文借鉴fisher判别理论,建立公路隧道围岩评价模型,以期取得较好的效果。该项研究借助fisher判别明显的统计优势,综合国内外大量岩体围岩分级指标资料及工程实际,建立了公路隧道围岩识别的fisher判别分析模型,选用隧道洞室围岩岩石单轴饱和抗压强度σc、节理平均间距d、岩石质量指标rqd、地下水情况w等方面的综合指标作为围岩类别判定的评价因子,以21组公路隧道围岩实测样本数据进行学习训练和检验,并建立了相应的线性判别函数对13组待判隧道围岩类别情况进行了预测,判别结果与实际一致。研究结果表明,fda模型回判估计误判率为0,交叉确认估计误判率为4.8%,判别性能稳健可靠,对现有评价公路隧道围岩分级方法进行了有效的验证和补充。

公路隧道围岩结构面调查分析——结构面是岩体的重要组成部分，是岩体区别于其他工程介质的本质差别。结构面的存在使岩体具有不均一性及各向异性，岩体的破坏机理在很大程度上受结构面的控制。而公路隧道围岩结构面的几何学及力学特征的调查研究是进行围岩稳定性...

在分析和修正已有结构性参数的基础上,首次提出了将结构性参数直接应用于工程实践的思路。研究了黄土隧道开挖后围岩结构性的变化规律。研究得出:围岩的结构性参数与径深和洞径密切相关;随着径深的增大,拱顶方向上围岩的结构性参数均呈现出先减小后增大的规律,存在一个最小值。与开挖前原状土的结构性参数相比,围岩的结构性损失在距拱顶约1.7～2.5m时达到最大。随着洞径的增大,开挖对围岩黄土的扰动增强,拱顶方向上围岩的结构性减弱,结构性参数的最小值变化不大,但最小值发生的位置逐渐远离拱顶。最后,提出了以围岩结构性损失最大为依据判断围岩松动圈的新方法。分析表明,黄土隧道围岩的松动圈在1.7～2.5m变化。

结合具体工程实际,研究了复杂地质背景下围岩变形与初期支护受力特征,并基于现场监测数据,从隧道水平收敛监测、拱顶沉降监测两个角度,分析了施工期隧道围岩的受力状态及围岩与支护的力学响应规律。结果表明,隧道围岩位移-时间曲线图呈\"台阶型\

提出了用有限元—无界元的方法计算地下结构———土耦合体系的应力和变形。为了模拟实际受力状态,在地下结构与土相接触的界面上设置了一种有厚度的接触面单元,它可以与土体的弹塑性模型相衔接,能合理地反映接触面及其邻近区域剪切破坏带中的变形性状。

结合具体工程实际，研究了复杂地质背景下围岩变形与初期支护受力特征，并基于现场监测数据，从隧道水平收敛监测、拱顶沉降监测两个角度，分析了施工期隧道围岩的受力状态及围岩与支护的力学响应规律。结果表明，隧道围岩位移一时间曲线图呈“台阶型”，曲线类型可分为三个阶段：增长和急速增长阶段，该阶段一般出现在开挖的1～10d左右；缓慢增长阶段，该阶段一般出现在开挖的11—30d左右；趋于稳定阶段，该阶段一般出现在开挖的31—42d左右。“台阶型”曲线与实际相符，当开始开挖隧道时围岩变形速率急速增大，随着围岩变形速率逐渐减慢，然后受下一步开挖的影响，围岩变形仍然处于缓慢增长，最后随着开挖步骤的减少，围岩变形逐渐趋于稳定。

该文结合某公路隧道深埋段围岩压力监测数据,分析了围岩径向压力的分布特征;考虑开挖面空间效应影响对垂直围岩压力实测值进行修正,得到修正实测值与埋深的关系,并与基于普氏理论和公路隧道设计规范所得计算值进行对比分析,发现普氏法计算值偏不安全,规范法计算值较为保守.同时,分析了不同围岩级别实测侧压力系数与规范推荐值之间的关系:围岩级别越高侧压力系数越大,并普遍大于规范推荐值;侧压力系数与埋深基本无关.

结合工程实例,通过对财神梁隧道全断面法和台阶法两种不同开挖方法下典型断面的围岩变形监测,研究了其稳定性状况,并对围岩变形曲线进行了回归分析,从而优化开挖方法和指导施工。

火灾下盾构隧道衬砌结构反应数值分析——文章利用大型通用有限元程序ansys12．0，初步建立起了三维盾构隧道火灾结构反应的数值模拟方法。进行了火灾　　下盾构隧道衬砌的结构反应计算，分析了衬砌结构的火灾变形性能与受力性能。最后对火灾下的隧道衬砌圆环承...

隧道围岩大变形是目前公路、铁路隧道建设中遇到的重要科学问题。工程实践中,隧道围岩大变形主要是由于围岩遭受剪切破坏而产生了流变而导致的,部分隧道的围岩大变形是由于围岩成分中的亲水矿物遇水发生水化学反应而发生体积膨胀产生的,故隧道围岩大变形可以分为应力型、材料性和结构型3类。通过全面分析前人的研究成果,可以将隧道围岩相对变形3%作为划分隧道内是否发生大变形的定量评价指标。而对于应力型围岩大变形,hoek提出的隧道围岩径向变形和掌子面变形预测公式较好地预测了施工现场的围岩变形量,其现实意义较为明显,但需要针对不同的工程条件调整原地应力的估算公式或者考虑围岩二次应力场的赋存状态。对于材料型和结构型围岩大变形的变形量预测,目前仍然是一块研究的空白区,需要进一步开展相关工作。

立足于数值计算方法、人工智能法以及围岩分类法的基础,利用数值分析方法的耦合应用和块体理论发展研究了公路隧道围岩稳定性的发展趋势,同时以此作为前提,对衬砌技术在应用过程中呈现出的组装式拱架和衬砌台车进行了讨论,从而使得衬砌技术的作用能够充分发挥。

立足于数值计算方法、人工智能法以及围岩分类法的基础,利用数值分析方法的耦合应用和块体理论发展研究了公路隧道围岩稳定性的发展趋势,同时以此作为前提,对衬砌技术在应用过程中呈现出的组装式拱架和衬砌台车进行了讨论,从而使得衬砌技术的作用能够充分发挥。

隧道围岩变形和应力场测试信息是工程围岩状态的动态反映,其为工程设计、施工、理论研究提供了可靠的资料,也为岩土工程从强度破坏极限状态控制向着变形极限状态控制发展提供了可靠的技术保障。分析量测结果并得出浅埋软弱黄土公路隧道围岩变形与衬砌受力特征,可为该工程后续施工和类似地质条件下隧道设计、施工与养护提供借鉴和参考。

岩体质量q系统未考虑隧道上覆不同地质条件岩土体位置关系的相互影响。阐述了岩体质量q系统在进行围岩分级时存在的问题,基于摩尔-库伦强度准则,提出了计算隧道围岩松动区和承载区的公式,得出当隧道围岩等级越高,即围岩稳定性越差时,松动区外半径、承载区外半径以及塑性区外半径越大；通过将理论分析方法与数值模拟方法相结合,求出了隧道围岩重要性系数,提出了一种隧道围岩分级新计算公式。