基于D-P準(zhǔn)則盾構(gòu)隧道圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)相互作用分析

巖體開(kāi)挖后受擾動(dòng)而產(chǎn)生應(yīng)力重分布過(guò)程極其復(fù)雜,尤其是在不良地質(zhì)環(huán)境下更甚。對(duì)于地質(zhì)條件差、地應(yīng)力為高~極高的軟弱圍巖,其結(jié)構(gòu)受力大小與受力特征對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全尤為重要。針對(duì)目前研究中存在的問(wèn)題,結(jié)合工程中出現(xiàn)的問(wèn)題和實(shí)際需求,以高地應(yīng)力軟弱圍巖條件下的關(guān)角隧道、木寨嶺隧道等工程為背景,通過(guò)地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論研究與數(shù)值分析,對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖壓力和圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)制進(jìn)行研究。主要進(jìn)行以下幾方面的研究工作:(1)在中國(guó)地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上,統(tǒng)計(jì)得到我國(guó)青藏地區(qū)平均水平地應(yīng)力與垂直地應(yīng)力的比值隨深度變化的分布曲線。(2)采用水壓致裂法進(jìn)行蘭渝線天池坪隧道和兩水隧道地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。在此基礎(chǔ)上,分析隧道所處的原始高地應(yīng)力水平及隧道開(kāi)挖后的地應(yīng)力分布規(guī)律;采用改進(jìn)的bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了木寨嶺、天池坪等隧道的宏觀地應(yīng)力場(chǎng)拓展分析,獲得地應(yīng)力的宏觀分布形態(tài)與特點(diǎn)。(3)針對(duì)現(xiàn)有本構(gòu)關(guān)系,對(duì)高地應(yīng)力軟巖尚不具有廣泛代表性和卡斯特耐爾公式無(wú)法直接計(jì)算出在塑性區(qū)范圍不同發(fā)展過(guò)程對(duì)應(yīng)的塑性形變壓力的問(wèn)題,以原巖應(yīng)力和隧道容許位移(或支護(hù)后實(shí)際量測(cè)位移)為出發(fā)點(diǎn),采用巖體軟化\"直–曲–直\"模型,推導(dǎo)了隧道形變壓力計(jì)算公式。(4)利用臺(tái)階法開(kāi)挖中存在的空間效應(yīng)和改進(jìn)的bp人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)位移以及多項(xiàng)式擬合預(yù)測(cè)方法,提出兩類(lèi)在高地應(yīng)力軟弱圍巖條件下使用開(kāi)挖應(yīng)力釋放率模型的方法。通過(guò)在關(guān)角隧道和木寨嶺隧道大戰(zhàn)溝斜井高地應(yīng)力軟巖地段的應(yīng)用,探討其結(jié)構(gòu)荷載與應(yīng)力釋放規(guī)律,其結(jié)果得到三維數(shù)值分析的驗(yàn)證。(5)為驗(yàn)證卡斯特耐爾擴(kuò)展公式合理性,基于參數(shù)全過(guò)程變化的應(yīng)變軟化flac3d三維數(shù)值模型,模擬木寨嶺隧道正洞高地應(yīng)力軟巖地段隧道開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程。三維數(shù)值結(jié)果與卡斯特耐爾擴(kuò)展公式計(jì)算結(jié)果吻合,進(jìn)一步證明該公式在高地應(yīng)力軟弱圍巖條件下應(yīng)用的可靠性、適用性。在統(tǒng)計(jì)青藏地區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和拓展分析,準(zhǔn)確獲得高地應(yīng)力軟巖隧道位置原始地應(yīng)力,為研究圍巖壓力和圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)制提供依據(jù)。在原始地應(yīng)力基礎(chǔ)上,結(jié)合理論分析和數(shù)值仿真,獲得高地應(yīng)力軟巖隧道的圍巖壓力計(jì)算方法和圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)制。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)以下4個(gè)方面:(1)統(tǒng)計(jì)分析得到我國(guó)青藏地區(qū)平均水平地應(yīng)力與垂直地應(yīng)力的比值隨深度變化的分布曲線。總結(jié)出青藏地區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律與特點(diǎn),為判別該區(qū)域地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果的合理性提供依據(jù)。(2)針對(duì)高地應(yīng)力條件下軟巖隧道大變形問(wèn)題,引入巖體軟化\"直–曲–直\"模型,推導(dǎo)出適用于高地應(yīng)力軟巖隧道基于原巖應(yīng)力和隧道位移的隧道形變壓力計(jì)算公式。(3)提出2種在高地應(yīng)力軟弱圍巖條件下使用開(kāi)挖應(yīng)力釋放率模型的方法。(4)為在三維數(shù)值分析中反映軟弱圍巖參數(shù)隨坑道變形而不斷變化的特性,引入?yún)?shù)全過(guò)程變化的應(yīng)變軟化模型,利用flac3d軟件驗(yàn)證卡斯特耐爾擴(kuò)展公式應(yīng)用于高地應(yīng)力軟巖隧道的可靠性和適用性。

基于變形準(zhǔn)則的隧道圍巖穩(wěn)定概率分析——研究了在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用變形控制時(shí)，其正常使用可靠度分析極限狀態(tài)方程的建立方法，特別探討了廣義抗力和荷載問(wèn)題。對(duì)于抗力，研究了各類(lèi)隧道圍巖最大允許變形值的確定規(guī)則；對(duì)于荷載，根據(jù)圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作...

高水位隧道堵水限排圍巖與支護(hù)相互作用分析——為了保護(hù)環(huán)境并盡可能降低襯砌結(jié)構(gòu)所受的水壓力，提出高水位山嶺隧道應(yīng)采取“以堵為主，限量排放”，即“堵水限排”的防排水設(shè)計(jì)原則。但對(duì)于堵水限排情況下襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，目前尚沒(méi)有規(guī)范可依，這是目前隧道設(shè)...

以特長(zhǎng)隧道為研究對(duì)象,采用二維平面有限元方法研究了隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力情況,建模中考慮了隧道坡度的影響。通過(guò)分析表明,襯砌中的初期支護(hù)和二次襯砌一般要共同承擔(dān)荷載,二次襯砌的受力往往大于初期支護(hù)的受力,而且在初期支護(hù)與二次襯砌間存在不均勻壓力,由此可對(duì)襯砌的合理設(shè)計(jì)與施工提供一定的參考價(jià)值。

通過(guò)對(duì)公路隧道深埋段圍巖壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè),繪制圍巖壓力變化曲線,分析圍巖壓力變化規(guī)律。通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析襯砌結(jié)構(gòu)受力情況,為日后類(lèi)似隧道工程的合理設(shè)計(jì)與施工提供了借鑒與參考。

為了增強(qiáng)隧道工程支護(hù)效果、提高各支護(hù)構(gòu)件利用率、保證隧道的安全,需要尋找減小工程支護(hù)力的途徑,即最大限度地釋放圍巖形變勢(shì)能、充分利用圍巖自身承載能力,實(shí)現(xiàn)圍巖與襯砌間的支護(hù)耦合,建立了由隧道表征變形量、支護(hù)體系組合構(gòu)件的整體性能利用率、支護(hù)系統(tǒng)組合構(gòu)件耦合效率3個(gè)指標(biāo)組成的耦合評(píng)價(jià)體系,并用于西安嶺隧道施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行耦合分析.結(jié)果表明:該隧道最終耦合效率較高,設(shè)計(jì)方案合理.

城市地鐵隧道在穿越建筑物前一般要進(jìn)行施工方案安全性評(píng)價(jià),對(duì)施工引起的地表建筑物安全性進(jìn)行評(píng)估并提出相應(yīng)的加固和控制措施,從而確保隧道上方建筑物與隧道自身的安全。以杭州地鐵1號(hào)線某區(qū)間隧道為工程背景,采用flac3d對(duì)盾構(gòu)下穿房屋施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。研究表明,盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表沉降主要發(fā)生在盾構(gòu)機(jī)前方1d和后方2d(d為洞徑)的范圍內(nèi),由于建筑物的存在,改變了地表沉降等值線原有的擴(kuò)散形態(tài),使得建筑物所在區(qū)域等值線較為密集,且施工完后隧道的\"雙凹槽\"并非完全與隧道軸線重合。最后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中可能遇到的一些風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析,并提出了相應(yīng)的控制措施以確保建筑物和隧道本身的安全。研究結(jié)果可以為盾構(gòu)成功穿越建筑物提供科學(xué)有效的技術(shù)支持,并且為類(lèi)似工程的施工提供一些技術(shù)參考。

隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)估是地下工程建設(shè)與維護(hù)所面臨的重要課題之一.基于此,文章從材料特性角度分別建立均值和非均值數(shù)值模型,針對(duì)沈陽(yáng)地鐵2號(hào)線1標(biāo)盾構(gòu)隧道下穿立交結(jié)構(gòu)的圍巖安全穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià).其中,均值模型側(cè)重于分析圍巖變形、應(yīng)力變化和塑性區(qū)分布特征,并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其計(jì)算合理性進(jìn)行驗(yàn)證;非均值模型側(cè)重于圍巖體細(xì)觀破壞過(guò)程,采用具有殘余強(qiáng)度的彈塑性損傷本構(gòu)模型及其破壞單元材料性質(zhì)退化方法,模擬隧道圍巖強(qiáng)度折減下的漸進(jìn)破壞過(guò)程及聲發(fā)射規(guī)律,并計(jì)算出整體結(jié)構(gòu)安全系數(shù).同時(shí),借助聲發(fā)射(ae)規(guī)律,探討了類(lèi)似工況下隧道圍巖破壞模式,可為類(lèi)似工程實(shí)踐提供參考依據(jù).

該文借鑒fisher判別理論,建立公路隧道圍巖評(píng)價(jià)模型,以期取得較好的效果。該項(xiàng)研究借助fisher判別明顯的統(tǒng)計(jì)優(yōu)勢(shì),綜合國(guó)內(nèi)外大量巖體圍巖分級(jí)指標(biāo)資料及工程實(shí)際,建立了公路隧道圍巖識(shí)別的fisher判別分析模型,選用隧道洞室圍巖巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度σc、節(jié)理平均間距d、巖石質(zhì)量指標(biāo)rqd、地下水情況w等方面的綜合指標(biāo)作為圍巖類(lèi)別判定的評(píng)價(jià)因子,以21組公路隧道圍巖實(shí)測(cè)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練和檢驗(yàn),并建立了相應(yīng)的線性判別函數(shù)對(duì)13組待判隧道圍巖類(lèi)別情況進(jìn)行了預(yù)測(cè),判別結(jié)果與實(shí)際一致。研究結(jié)果表明,fda模型回判估計(jì)誤判率為0,交叉確認(rèn)估計(jì)誤判率為4.8%,判別性能穩(wěn)健可靠,對(duì)現(xiàn)有評(píng)價(jià)公路隧道圍巖分級(jí)方法進(jìn)行了有效的驗(yàn)證和補(bǔ)充。

公路隧道圍巖結(jié)構(gòu)面調(diào)查分析——結(jié)構(gòu)面是巖體的重要組成部分，是巖體區(qū)別于其他工程介質(zhì)的本質(zhì)差別。結(jié)構(gòu)面的存在使巖體具有不均一性及各向異性，巖體的破壞機(jī)理在很大程度上受結(jié)構(gòu)面的控制。而公路隧道圍巖結(jié)構(gòu)面的幾何學(xué)及力學(xué)特征的調(diào)查研究是進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性...

在分析和修正已有結(jié)構(gòu)性參數(shù)的基礎(chǔ)上,首次提出了將結(jié)構(gòu)性參數(shù)直接應(yīng)用于工程實(shí)踐的思路。研究了黃土隧道開(kāi)挖后圍巖結(jié)構(gòu)性的變化規(guī)律。研究得出:圍巖的結(jié)構(gòu)性參數(shù)與徑深和洞徑密切相關(guān);隨著徑深的增大,拱頂方向上圍巖的結(jié)構(gòu)性參數(shù)均呈現(xiàn)出先減小后增大的規(guī)律,存在一個(gè)最小值。與開(kāi)挖前原狀土的結(jié)構(gòu)性參數(shù)相比,圍巖的結(jié)構(gòu)性損失在距拱頂約1.7～2.5m時(shí)達(dá)到最大。隨著洞徑的增大,開(kāi)挖對(duì)圍巖黃土的擾動(dòng)增強(qiáng),拱頂方向上圍巖的結(jié)構(gòu)性減弱,結(jié)構(gòu)性參數(shù)的最小值變化不大,但最小值發(fā)生的位置逐漸遠(yuǎn)離拱頂。最后,提出了以圍巖結(jié)構(gòu)性損失最大為依據(jù)判斷圍巖松動(dòng)圈的新方法。分析表明,黃土隧道圍巖的松動(dòng)圈在1.7～2.5m變化。

結(jié)合具體工程實(shí)際,研究了復(fù)雜地質(zhì)背景下圍巖變形與初期支護(hù)受力特征,并基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),從隧道水平收斂監(jiān)測(cè)、拱頂沉降監(jiān)測(cè)兩個(gè)角度,分析了施工期隧道圍巖的受力狀態(tài)及圍巖與支護(hù)的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明,隧道圍巖位移-時(shí)間曲線圖呈\"臺(tái)階型\

提出了用有限元—無(wú)界元的方法計(jì)算地下結(jié)構(gòu)———土耦合體系的應(yīng)力和變形。為了模擬實(shí)際受力狀態(tài),在地下結(jié)構(gòu)與土相接觸的界面上設(shè)置了一種有厚度的接觸面單元,它可以與土體的彈塑性模型相銜接,能合理地反映接觸面及其鄰近區(qū)域剪切破壞帶中的變形性狀。

結(jié)合具體工程實(shí)際，研究了復(fù)雜地質(zhì)背景下圍巖變形與初期支護(hù)受力特征，并基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從隧道水平收斂監(jiān)測(cè)、拱頂沉降監(jiān)測(cè)兩個(gè)角度，分析了施工期隧道圍巖的受力狀態(tài)及圍巖與支護(hù)的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明，隧道圍巖位移一時(shí)間曲線圖呈“臺(tái)階型”，曲線類(lèi)型可分為三個(gè)階段：增長(zhǎng)和急速增長(zhǎng)階段，該階段一般出現(xiàn)在開(kāi)挖的1～10d左右；緩慢增長(zhǎng)階段，該階段一般出現(xiàn)在開(kāi)挖的11—30d左右；趨于穩(wěn)定階段，該階段一般出現(xiàn)在開(kāi)挖的31—42d左右?！芭_(tái)階型”曲線與實(shí)際相符，當(dāng)開(kāi)始開(kāi)挖隧道時(shí)圍巖變形速率急速增大，隨著圍巖變形速率逐漸減慢，然后受下一步開(kāi)挖的影響，圍巖變形仍然處于緩慢增長(zhǎng)，最后隨著開(kāi)挖步驟的減少，圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定。

該文結(jié)合某公路隧道深埋段圍巖壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析了圍巖徑向壓力的分布特征;考慮開(kāi)挖面空間效應(yīng)影響對(duì)垂直圍巖壓力實(shí)測(cè)值進(jìn)行修正,得到修正實(shí)測(cè)值與埋深的關(guān)系,并與基于普氏理論和公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范所得計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)普氏法計(jì)算值偏不安全,規(guī)范法計(jì)算值較為保守.同時(shí),分析了不同圍巖級(jí)別實(shí)測(cè)側(cè)壓力系數(shù)與規(guī)范推薦值之間的關(guān)系:圍巖級(jí)別越高側(cè)壓力系數(shù)越大,并普遍大于規(guī)范推薦值;側(cè)壓力系數(shù)與埋深基本無(wú)關(guān).

結(jié)合工程實(shí)例,通過(guò)對(duì)財(cái)神梁隧道全斷面法和臺(tái)階法兩種不同開(kāi)挖方法下典型斷面的圍巖變形監(jiān)測(cè),研究了其穩(wěn)定性狀況,并對(duì)圍巖變形曲線進(jìn)行了回歸分析,從而優(yōu)化開(kāi)挖方法和指導(dǎo)施工。

火災(zāi)下盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)反應(yīng)數(shù)值分析——文章利用大型通用有限元程序ansys12．0，初步建立起了三維盾構(gòu)隧道火災(zāi)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的數(shù)值模擬方法。進(jìn)行了火災(zāi)　　下盾構(gòu)隧道襯砌的結(jié)構(gòu)反應(yīng)計(jì)算，分析了襯砌結(jié)構(gòu)的火災(zāi)變形性能與受力性能。最后對(duì)火災(zāi)下的隧道襯砌圓環(huán)承...

淺埋軟弱黃土公路隧道圍巖變形與襯砌受力特征——隧道圍巖變形和應(yīng)力場(chǎng)測(cè)試信息是工程圍巖狀態(tài)的動(dòng)態(tài)反映，其為工程設(shè)計(jì)、施工、理論研究提供了可靠的資料，也為巖土工程從強(qiáng)度破壞極限狀態(tài)控制向著變形極限狀態(tài)控制發(fā)展提供了可靠的技術(shù)保障。分析量測(cè)結(jié)果并...

通過(guò)曼歇2號(hào)隧道中導(dǎo)洞開(kāi)挖中的地質(zhì)素描和資料收集,依據(jù)掌子面和兩壁出露的地質(zhì)體的巖性、節(jié)理、巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型、地質(zhì)構(gòu)造特征等綜合特征,沿其走向、傾向和傾角的延伸推斷工作面短距離前方的地質(zhì)情況,應(yīng)用赤平投影分析法對(duì)正洞的圍巖穩(wěn)定性和邊坡的變形破壞做出定性和定量分析,從而預(yù)測(cè)兩側(cè)正洞的地質(zhì)情況,對(duì)連拱隧道上、下行線正洞的施工予以指導(dǎo)和控制,進(jìn)而達(dá)到短期預(yù)報(bào)的目的。

隨著國(guó)家公路交通建設(shè)的飛速發(fā)展,公路隧道建設(shè)需求隨之加大,尤其西部開(kāi)發(fā)進(jìn)一步有力拉動(dòng)公路建設(shè)項(xiàng)目的加速實(shí)施,大批公路隧道建設(shè)項(xiàng)目被列入了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃。公路隧道建設(shè)工程需要面對(duì)眾多山嶺重丘區(qū)地帶,所處地理地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜,無(wú)疑將增加公路隧道勘察、設(shè)計(jì)及施工難度。作為指導(dǎo)隧道設(shè)計(jì)、施工的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)——隧道圍巖分級(jí)在隧道建設(shè)中決定其設(shè)計(jì)質(zhì)量的高低及隧道施工的成敗。文章結(jié)合工程實(shí)際,淺顯分析了隧道圍巖分級(jí)在公路隧道建設(shè)中的工程作用與意義,供同行參考。

為了解決目前在設(shè)計(jì)中尚無(wú)滿足連拱隧道特點(diǎn)的圍巖壓力理論,特別是在淺埋偏壓條件下圍巖載荷估計(jì)偏差較大問(wèn)題,應(yīng)用巖柱理論求得塌落拱曲線方程,用作圖法確定地形偏壓臨界覆土厚度,對(duì)偏壓連拱隧道與非偏壓連拱隧道進(jìn)行界定。在此基礎(chǔ)上,提出淺埋偏壓連拱隧道地層主動(dòng)偏壓載荷和被動(dòng)不均勻載荷確定方法及地形偏壓情況下隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理計(jì)算方法,并求得不同坡率、不同圍巖級(jí)別條件下淺埋側(cè)土體的彈性抗力系數(shù)的合理取值,為設(shè)計(jì)中偏壓連拱隧道采用載荷結(jié)構(gòu)模式計(jì)算時(shí)淺埋側(cè)土體的彈性抗力系數(shù)取值提供參考。

并行隧道圍巖應(yīng)力的線彈性分析——間距較小的并行隧道，兩洞室開(kāi)挖的相互影響不能忽略。引入雙圓洞室圍巖應(yīng)力函數(shù)的線彈性方程，并通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)工程計(jì)算，探討了間距較小的并行雙圓隧道圍巖的應(yīng)力特點(diǎn)以及應(yīng)力隨凈距改變的變化規(guī)律，為間距較小的并行隧道圍巖...