两组耦合节理工况下隧道变形的数值研究_石益东
节理特征和围岩支护对隧道变形的影响分析
・内蒙古交通厅科研项目：软岩隧道建设关键技术研究 ［作者简介】李军，工程师，Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｈｕｌｉｊｕｎ＠１６３．ｃｏｒｎ
［收稿日期］２０１２－０８－３０
万方数据
２０１３ Ｎｏ．３
李军等：节理特征和围岩支护对隧道变形的影响分析
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本文采用离散元软件ＵＤＥＣ对隧道围岩节理特 征进行了数值分析，分析了围岩节理组数、倾角、间 距以及围岩支护对隧道围岩变形的影响。研究结 果对节理发育围岩施工和支护设计有一定的参考 价值。 １计算模型 １．１计算参数 假设某隧道开挖高度９．５ｍ，宽１２ｍ，隧道埋深 为３０ｍ处于Ⅳ级围岩。围岩力学参数取值如下：材 料为凝灰岩，体积模量２．８７ＧＰａ，剪切模量 １．１７ＧＰａ，密度为２ ５００ｋｇ／ｍ３，泊松比０。３２。节理力 学参数：法向刚度３ＧＰａ／ｍ，剪切刚度１ＧＰａ／ｍ，黏聚 力１ ０００Ｐａ，内摩擦角３０。。隧道采用喷射混凝土和 锚杆进行初次支护，喷射混凝土厚２２ｃｍ，锚杆单根 长３．５ｍ，布设间距为１ｍ。喷射混凝土参数为：密度 为２ ５００ｋｇ／ｍ３，泊松比为０．１５，弹性模量为２．１× １０７ｋＰａ，抗压强度１２．５ＭＰａ，抗拉强度１．１ＭＰａ，残余 强度为１ｋＰａ。锚杆参数为：截面面积为４．９×１０～， 密度为７ ５００ｋｇ／ｍ３，极限拉应变为０．０１，抗压极限 强度为１．５×１０ ７Ｎ，弹性模量为２．１×１０８ｋＰａ＂。。
ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ
ａｒｅ
ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ
ｊｏｉｎｔｓ；ｔｈｅ
ｔｕｎｎｅｌ ｉｓ ｍｏｒｅ ｌｉｋｅｌｙ
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ｃｏｌｌａｐｓｅ ｉｆ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｊｏｉｎｔｓ
ｎｏｔ
ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅｌｙ ｓｕｐｐｏｒｔｓ；
节理化炭质页岩地层隧道围岩大变形及控制技术研究
第 55 卷第 1 期2024 年 1 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.55 No.1Jan. 2024节理化炭质页岩地层隧道围岩大变形及控制技术研究阳军生1，夏裕栋1，方星桦1，刘伟龙1，王法岭2(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075；2. 中铁十二局集团有限公司，山西 太原，030024)摘要：某高速铁路XHS 隧道穿越节理化炭质页岩地层，在施工过程中围岩大变形、失稳坍塌现象显著，现场采用强支护和仰拱加深等措施后围岩变形控制效果不佳。
针对XHS 隧道节理化炭质页岩地层地质条件，结合现场监测手段、离散−连续耦合数值模拟分析围岩大变形及破坏特征，基于数值模拟提出以采取地层预加固为主的围岩变形控制措施，并通过现场试验探讨该控制措施的应用效果。
研究结果表明：隧道开挖后，围岩变形具有变形量大、变形速率快的特点，围岩拱部沉降量大于水平收敛量且变形具有非对称的分布特征；受三台阶法多次开挖扰动影响，围岩卸荷范围动态发育并不断向全环扩展，松动区逐渐由浅部围岩向深部转移，并呈现出非对称的破坏特征，最终引发围岩大变形；采取地层预加固后，模型中围岩变形和松动区范围明显减小，围岩非对称变形破坏也得到了有效控制；在采用地层预加固、管棚超前支护、三台阶临时仰拱法开挖的控制措施后，围岩变形得到控制，施工效果良好，隧道恢复正常施工，保证了隧道的顺利贯通；以地层预加固为主的控制措施是此类节理化炭质页岩地层围岩变形控制的有效手段。
关键词：节理化岩体；炭质页岩；大变形；离散−连续耦合分析；预加固中图分类号：U459.1 文献标志码：A 文章编号：1672-7207（2024）01-0188-13Research on large deformation and control technology of tunnelsurrounding rock in jointed carbonaceous shale strataYANG Junsheng 1, XIA Yudong 1, FANG Xinghua 1, LIU Weilong 1, WANG Faling 2(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. China Railway 12th Bureau Group Co. Ltd., Taiyuan 030024, China)Abstract: A high-speed railroad XHS tunnel which crosses through the jointed carbonaceous shale stratum shows significant large deformation and collapse of the surrounding rock. The control effect is not good after adopting measures such as strong support and deepening of the tunnel invert. For the geological conditions of jointed carbonaceous shale stratum in XHS tunnel, the large deformation and damage characteristics of the surrounding收稿日期： 2023 −03 −05； 修回日期： 2023 −04 −20基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(U1934211) (Project(U1934211) supported by the National Natural ScienceFoundation of China)DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2024.01.016引用格式： 阳军生, 夏裕栋, 方星桦, 等. 节理化炭质页岩地层隧道围岩大变形及控制技术研究[J].中南大学学报(自然科学版), 2024, 55(1): 188−200.Citation: YANG Junsheng, XIA Yudong, FANG Xinghua, et al. Research on large deformation and control technology of tunnel surrounding rock in jointed carbonaceous shale strata[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2024, 55(1): 188−200.第 1 期阳军生，等：节理化炭质页岩地层隧道围岩大变形及控制技术研究rock were analyzed by combining on-site monitoring means and discrete-continuum coupled numerical method.Based on the numerical simulation, the control measures of surrounding rock deformation which mainly focused on pre-reinforcement of stratum were proposed, and the application effect was explored through on-site test. The results show that the rock mass deformation after tunnel excavation is characterized by large volume and fast rate, the crown settlement value is larger than the horizontal convergence value, and the deformation has asymmetric distribution characteristics. Under the influence of multiple excavation disturbances, the unloading area dynamically develops and continuously expands to the whole ring, and the loosening area gradually transfers from the shallow rock mass to the deep and presents asymmetric damage characteristics, which eventually causes the large rock mass deformation. After taking pre-reinforcement measures, the sizes of deformation and loosening areas in the numerical model are obviously reduced, and the asymmetric deformation damage is effectively controlled. With the control measures of pre-reinforcement of the stratum, combined with over-supporting of the pipe shed and three-bench excavation method with temporary invert, the deformation is controlled and the construction effect is good. The tunnel resumes normal construction, and these measures also ensure the tunnel completion. The control measures which are mainly based on pre-reinforcement of the stratum are effective means to control the surrounding rock deformation in this type of jointed carbonaceous shale stratum.Key words: jointed rock mass; carbonaceous shale; large deformation; discrete-continuum coupled analysis; pre-reinforcement我国中西部地区地势起伏较大、地质构造强烈、地质环境复杂，区域内广泛分布炭质板岩、页岩、千枚岩等层状变质软岩，其具有构造层理及节理密集发育、岩体软弱破碎、强度低、自稳能力差、遇水易软化崩解、各向异性力学性质显著等特征。
FLAC数值模拟介绍
FLAC-3D(ThreeDimensionalFastLagrangianAnalysisofContinua)是美国ItascaConsultingGouplnc开发的三维快速拉格朗日分析程序,该程序能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时,发生的破坏或塑性流动的力学行为,特别适用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形.FLAC3D分析的使用领域根据手册总结如下:(1)承受荷载能力与变形分析:用于边坡稳定和基础设计(2)渐进破坏与坍塌反演:用于硬岩采矿和隧道设计(3)断层构造的影响研究:用于采矿设计(4)施加于地质体锚索支护所提供的支护力研究:岩锚和土钉的设计(5)排水和不排水加载条件下全饱和流体流动和孔隙压力扩散研究:挡土墙结构的地下水流动,和土体固结研究(6)粘性材料的蠕变特性:用于碳酸钾盐矿设计(7)陡滑面地质结构的动态加载:用于地震工程和矿山岩爆研究(8)爆炸荷载和振动的动态响应:用于隧道开挖和采矿活动(9)结构的地震感应:用于土坝设计(10)由于温度诱发荷载所导致的变形和结构的不稳定(11)大变形材料分析:用于研究粮仓谷物流动和放矿的矿石流动10种材料本构模型Flac3D中为岩土工程问题的求解开发了特有的本构模型,总共包含了10种材料模型:(1)开挖模型null(2)3个弹性模型(各向同性,横观各向同性和正交各向同性弹性模型)(3)6个塑性模型(Drucker-Prager模型、Morh-Coulomb模型、应变硬化/软化模型、遍布节理模型、双线性应变硬化/软化遍布节理模型和修正的cam粘土模型).Flac3D网格中的每个区域可以给以不同的材料模型,并且还允许指定材料参数的统计分布和变化梯度.还包含了节理单元,也称为界面单元,能够模拟两种或多种材料界面不同材料性质的间断特性.节理允许发生滑动或分离,因此可以用来模拟岩体中的断层、节理或摩擦边界.FLAC3D中的网格生成器gen,通过匹配、连接由网格生成器生成局部网格,能够方便地生成所需要的三维结构网格.还可以自动产生交岔结构网格(比如说相交的巷道),三维网格由整体坐标系x,y,z系统所确定,这就提供了比较灵活的产生和定义三维空间参数.五种计算模式(l)静力模式:这是FLAC-3D默认模式,通过动态松弛方法得静态解.(2)动力模式:用户可以直接输人加速度、速度或应力波作为系统的边界条件或初始条件,边界可以固定边界和自由边界.动力计算可以与渗流问题相藕合.(3)蠕变模式:有五种蠕变本构模型可供选择以模拟材料的应力-应变-时间关系:Maxwell模型、双指数模型、参考蠕变模型、粘塑性模型、脆盐模型.(4)渗流模式:可以模拟地下水流、孔隙压力耗散以及可变形孔隙介质与其间的粘性流体的耦合.渗流服从各向同性达西定律,流体和孔隙介质均被看作可变形体.考虑非稳定流,将稳定流看作是非稳定流的特例.边界条件可以是固定孔隙压力或恒定流,可以模拟水源或深井.渗流计算可以与静力、动力或温度计算耦合,也可以单独计算.(5)温度模式:可以模拟材料中的瞬态热传导以及温度应力.温度计算可以与静力、动力或渗流计算藕合,也可单独计算.模拟多种结构形式(l)对于通常的岩体、土体或其他材料实体,用八节点六面体单元模拟.(2)FIAC-3D包含有四种结构单元:梁单元、锚单元、桩单元、壳单元.可用来模拟岩土工程中的人工结构如支护、衬砌、锚索、岩栓、土工织物、摩擦桩、板桩等.(3)FLAC-3D的网格中可以有界面,这种界面将计算网格分割为若干部分,界面两边的网格可以分离,也可以发生滑动,因此,界面可以模拟节理、断层或虚拟的物理边界.有多种边界条件边界方位可以任意变化,边界条件可以是速度边界、应力边界,单元内部可以给定初始应力,节点可以给定初始位移、速度等,还可以给定地下水位以计算有效应力、所有给定量都可以具有空间梯度分布.FLAC-3D内嵌语言FISHFLAC-3D具有强大内嵌语言FISH,使得用户可以定义新的变量或函数,以适应用户的特殊需要,例如,利用HSH做以下事情:(l)用户可以自定义材料的空间分布规律,如非线性分布等.(2)用户可以定义变量,追踪其变化规律并绘图表示或打印输出.(3)用户可以自己设计FLAC-3D内部没有的单元形态.(4)在数值试验中可以进行伺服控制.(5)用户可以指定特殊的边界条件.(6)自动进行参数分析(7)利用FLAC-3D内部定义的Fish变量或函数,用户可以获得计算过程中节点、单元参数,如坐标、位移、速度、材料参数、应力、应变、不平衡力等.FLAC-3D前后处理功能FLAC-3D具有强大的自动三维网格生成器,内部定义了多种单元形态,用户还可以利用FISH自定义单元形态,通过组合基本单元,可以生成非常复杂的三维网格,比如交叉隧洞等.在计算过程中的任何时刻用户都可以用高分辨率的彩色或灰度图或数据文件输出结果,以对结果进行实时分析,图形可以表示网格、结构以及有关变量的等值线图、矢量图、曲线图等,可以给出计算域的任意截面上的变量图或等直线图,计算域可以旋转以从不同的角度观测计算结果.FLAC3D计算分析一般步骤与大多数程序采用数据输入方式不同,FLAC采用的是命令驱动方式.命令字控制着程序的运行.在必要时,尤其是绘图,还可以启动FLAc用户交互式图形界面.为了建立FLAC计算模型,必须进行以下三个方面的工作:(1)有限差分网格(2)本构特性与材料性质(3)边界条件与初始条件完成上述工作后,可以获得模型的初始平衡状态,也就是模拟开挖前的原岩应力状态.然后,进行工程开挖或改变边界条件来进行工程的响应分析,类似于FLAC的显式有限差分程序的问题求解.与传统的隐式求解程序不同,FLAC采用一种显式的时间步来求解代数方程.进行一系列计算步后达到问题的解.在FLAC中,达到问题所需的计算步能够通过程序或用户加以控制,但是,用户必须确定计算步是否已经达到问题的最终的解.后处理(一)用tecplot绘制曲线(1)第一主应力(2)xdisp、ydisp、zdisp、disp(二)用excel做曲线隧道(1)做地表沉降槽(zdisp)(2)地表横向位移(xdisp)(3)隧道中线竖向沉降曲线(zdisp)(4)提取位移矢量图,(5)显示初期支护结构内力(6)显示state(找塑性区)基坑(1)做地表沉降槽(zdisp)(2)提取位移矢量图,(3)显示初期支护结构内力(4)显示state(找塑性区)边坡(1)做安全系数和应变图模型最优化用FLAC3D解决问题时,为了得到最有效的分析使模型最优化是很重要的.(1)检查模型运行时间:一个FLAC3D例子的运行时间是区域数的4/3倍.这个规则适用于平衡条件下的弹性问题.对于塑性问题,运行时间会有点改变,但是不会很大,但是如果发生塑性流动,这个时间将会大的多.对一个具体模型检查自己机子的计算速度很重要.一个简单的方法就是运行基准测试.然后基于区域数的改变,用这个速度评估具体模型的计算速度.(2)影响运行时间的因素:FLAC3D有时会需要较长时间才可以收敛主要发生在下列情况下:(a)材料本身刚度变异或材料与结构及接触面之间的刚度差异很大.(b)划分的区域尺寸相差很大.这些尺寸差异越大编码就越无效.在做详细分析前应该研究刚度差异的影响.例如,一个荷载作用下的刚性板,可以用一系列顶点固定的网格代替,并施以等速度.(记住FIX命令确定速度,而不是位移.)地下水的出现将使体积模量发生明显的增加(流体-固体相互作用).(3)考虑网格划分的密度:FLAC3D使用常应变单元.如果应力/应变曲线倾斜度比较高,那么你将需要许多区域来代表多变的分区.通过运行划分密度不同的同一个问题来检查影响.FLAC3D应用常应变区域,因为当用多的少节点单元与用比较少的多节点单元模拟塑性流动时相比更准确.应尽可能保持网格,尤其是重要区域网格的统一.避免长细比大于5:1的细长单元,并避免单元尺寸跳跃式变化(即应使用平滑的网格).应用GENERATE命令中的比率关键词,使细划分区域平滑过渡到粗划分区域.(4)自动发现平衡状态:默认情况下,当执行SOLVE命令时,系统将自动发现力的平衡.当模型中所有网格顶点中所有力的平均量级与其中最大的不平衡力的量级的比率小于1*10时,认为达到了平衡状态.注意一个网格顶点的力由内力(例如,由于重力)和外力(例如,由于所加的应力边界条件)共同引起.因为比率是没有尺寸的,所以对于有不同的单元体系的模型,在大多数情况下,不平衡力和所加力比率的限制给静力平衡提供了一个精确的限制.同时还提供了其他的比率限制;可以用SETratio命令施加.如果默认的比率限制不能为静力平衡提供一个足够精确的限制,那么应考虑可供选择的比率限制.默认的比率限制同样可用于热分析和流体分析的稳定状态求解.对于热分析,是对不平衡热流量和所加的热流量量级进行评估,而不是力.对于流体分析,对不平衡流度和所加流度量级进行评估.(5)考虑选择阻尼:对于静力分析,默认的阻尼是局部阻尼,对于消除大多数网格顶点的速度分量周期性为零时的动能很有效.这是因为质量的调节过程依赖于速度的改变.局部阻尼对于求解静力平衡是一个非常有效的计算法则且不会引入错误的阻尼力(见Cundall1987).如果在求解最后状态,重要区域的网格海域的速度分量不为零,那么说明默认的阻尼对于达到平衡状态是不够的.有另外一种形式的阻尼,叫组合阻尼,相比局部阻尼可以使稳定状态达到更好的收敛,这时网格将发生明显的刚性移动.例如,求解轴向荷载作用下桩的承载力或模拟蠕变时都可能发生.使用SETmechanicaldampcombined命令来调用组合阻尼.组合阻尼对于减小动能方面不如局部阻尼有效,所以应注意使系统的动力激发最小化.可以用SETmechanicaldamplocal命令转换到默认阻尼.(6)检查模型反应:FLAC3D显示了一个相试的物理系统是怎样变化的.做一个简单的试验证明你在做你认为你在做的事情.例如,如果荷载和实体在几何尺寸上都是对称的,当然反应也是对称的.改变了模型以后,执行几个时步(假如,5或10步),证明初始反应是正确的,并且发生的位置是正确的.对应力或位移的期望值做一个估计,与FLAC3D的输出结果作比较.如果你对模型施加了一个猛烈的冲击,你将会得到猛烈的反应.如果你对模型作了一些看起来不合理的事情,你一定要等待奇怪的结果.如果在分析的一个给定阶段,得到了意外值,那么回顾到这个阶段所用的时步.在进行模拟前很关键的是检查输出结果.例如,除了一个角点速度很大外,一切都很合理,那么在你理解原因前不要继续下去.这种情况下,你可能没有给定适当的网格边界.(7)初始化变量:在模拟基坑开挖过程时,在达到目的前通常要初始化网格顶点位移.因为计算次序法则不要求位移,所以可以初始化位移,这只是由网格顶点的速度决定,并有益于用户初始化速度却是一件难事.如果设定网格顶点的速度为一常数,那么这些点在设置否则前保持不变.所以,不要为了清除这些网格的速度而简单的初始化它们为零...这将影响模拟结果.然而,有时设定速度为零是有用的(例如,消除所有的动能).(8)最小化静力分析的瞬时效应:对于连续性静力分析,经过许多阶段逐步接近结果是很重要的...即,当问题条件突然改变时,通过最小化瞬时波的影响,使结果更加“静力”.使FLAC3D解决办法更加静态的方法有两种.(a)当突然发生一个变化时(例如,通过使区域值为零模拟开挖),设定强度性能为很高的值以得到静力平衡.然后为了确保不平衡力很低,设定性能为真实值,再计算,这样,由瞬时现象引起的失败就不会发生了.(b)当移动材料时,用FISH函数或表格记录来逐步减少荷载.(9)改变模型材料:FLAC3D对一个模拟中所用的材料数没有限制.这个准则已经尺寸化,允许用户在自己所用版本的FLAC3D中最大尺寸网格的每个区域(假如设定的)使用不同的材料.(10)运行在现场原位应力和重力作用下的问题:有很多问题在建模时需要考虑现场原位应力和重力的作用.这种问题的一个例子是深层矿业开挖:回填.此时大多数岩石受很高的原位应力区的影响(即,自重应力由于网孔尺寸的限制可以忽略不计),但是回填桩的放置使自重应力发展导致岩石在荷载作用下可能坍塌.在这些模拟中要注意的重点(因为任何一种模拟都有重力的作用)是网格的至少三个点在空间上应固定...否则,整个网格在重力作用下将转动.如果你曾经注意到整个网格在重力加速度矢量方向发生转动,那么你可能忘记在空间上固定网格了.FLAC3D主要适明模拟计算地质材料和岩土上程的力学行为。
软岩大变形研究现状
隧道围岩大变形阶段报告1．概述深埋隧道通过软岩和断层带时,在高的地应力和富水条件下通常产生大变形.这种隧道围岩变形量大,而且位移速度也很大,一般可以达到数十厘米到数米,如果不支护或支护不当,收敛的最终趋势是隧道将被完全封死,如果发生在永久衬砌构筑以前,往往表现为初期支护严重破裂、扭曲,挤出面侵入限界.这种大变形危害巨大,严重影响施工工期或者线路正常运营,而且整治费用高昂.在国内外相继出现了大量的隧道围岩大变形工程实例,并且在治理这些问题中取得了很多经验.日本的岩手隧道,长25.8km,采用新奥法施工.地质条件为凝灰岩与泥岩互层,单轴抗压强度为2~6MPa.施工中净空位移和拱顶沉降都是很大的,上断面的净空位移100~400mm,最大到411mm；下断面的净空位移最大为200mm,拱顶下沉为10~100mm.日本惠那山隧道,长8.635km,围岩以花岗岩为主,其中断层破碎带较多,局部为粘土,岩体节理发育、破碎,岩石的抗压强度为 1.7~3.0MPa,隧道埋深为400~450m,原始地应力为10~11MPa.施工时产生了大变形,在地质最差的地段,拱顶下沉达到930mm,边墙收敛达到1120mm,有600cm2面积的喷射混凝土侵入模筑混凝土净空.最后采用9.0m和13.5m的长锚杆,并重新喷护20cm厚的钢纤维混凝土后,结构才得以基本稳定.陶恩隧道长6400m,开挖断面面积90-105m2,位于显著变质的岩带内,如片岩、千枚岩等,主要岩层为绢云母、千枚岩夹绿泥石,抗压强度,洞内无地下水活动,隧道埋深为600-1000m,原始地应力为16.0-27.0 MPa,侧压力系数近似为1.0,围岩强度比为.陶恩隧道采用台阶法施工,在设计时,由于对在挤压性围岩隧道施工缺乏经验,采用的初期支护参数较小,导致拱顶发生1.2m的位移.而后把锚杆改为6m,并初次采用纵向伸缩缝,缝宽20cm,间隔3m,支撑也是可缩的,并在隧道底部增加了隧底锚杆,喷射混凝土厚度保持25cm不变.上述补强措施对大变形起到了一定的控制作用,但已完成段,其洞壁已严重侵入二次衬砌净空,只能采取扩挖的办法处理,增加了施工的难度,同时又具有一定的危险性.此时的净空收敛大约是20-25cm.要再大时,要增打9m以上长度的锚杆.奥地利阿尔贝格隧道隧道长13980m,开挖断面面积90-103m2,岩石主要为千枚岩、片麻岩,局部为含糜棱岩的片岩、绿泥岩,岩石强度为1.2~1.9 MPa,隧道的埋深平均为350m,最大埋深为740m,原始地应力为13.0 MPa,围岩强度比为0.1~0.2.隧道采用自上而下的分布开挖法,先开挖弧形导坑,施作初期支护,然后再开挖台阶<分左、右两次分别进行>,最后检底.由于阿尔贝格隧道是在陶恩隧道之后施工的,该隧道设计时的初期支护就比较强,喷射混凝土厚20~25cm,锚杆长6.0m,同时安设了可缩刚架.但是由于岩层产状不利,锚杆的长度仍不够,施工中支护产生了很大变形,拱顶下沉量达到15~35cm,最大水平收敛达70cm,变形速度达11.5cm/d,后来采取将锚杆的长度增加到9.0~12.0m的办法,才是变形得到了控制,变形速度降为5.0cm/d,变形收敛时间为100~150d.家竹箐隧道隧道全长4990m.隧道位于盘关向斜东翼,属单斜构造,岩层产状N20°～35°E/18°～30°NW.由于距向斜轴部较远,故皱褶、断层不发育,只在隧道中部煤系地层中发育有一正断层F1,其破碎带宽15～20 m. 隧道横穿家竹箐煤田.隧道南段为玄武岩,北段为灰岩,北段为灰岩,中部3890 m为砂、泥岩与为钙质、泥质胶结的砂岩夹泥岩的煤系地层.隧道掘进进入分水岭之下的地层深部后,在接近最大埋深<404m>的煤系地层地段,由于高地应力的作用,锚喷支护相继发生严重变形.在一般地段,拱顶下沉为50-80cm,侧壁内移50-60cm,底部隆起50-80cm；在变形最严重地段,拱顶下沉达到240cm,底部隆起达到80-100cm,侧壁内移达到160cm.为整治病害具体措施如下:①设置特长锚杆加固地层；②改善隧道断面形状,加大边墙曲率；③采用先柔后刚、先放后抗的支护措施；④加大预留变形量；⑤提高二次衬砌的刚度；⑥加强仰拱.大变形得到迅速整治,衬砌施工后,结构完好,未出现任何开裂现象,经预埋的应力、应变计测试,有足够的安全储备.木寨岭隧道全长1710m,穿越地层围岩主要为二叠系炭质板岩夹砂岩与硅质砂板岩.存在的主要构造体系是山字型构造体系.属地应力集中区,隧道穿越区为沟谷侧,原始地应力难以释放.隧道主要地质为炭质板岩夹泥岩,局部泥化软弱,呈灰黑色,围岩层理呈褶皱状扭曲变形严重,大部分地段围岩较破碎,洞身渗涌水频繁,部分地段呈股流.隧道在高地应力大变形地段,严重处拱顶累计下沉达155cm.经研究主要采取的处理措施有：①开挖总体采用双侧壁法；②初期支护钢架与临时支撑采用I22型工字钢、自进式锚杆,超前支护小导管,拱脚两侧增设小导管锁脚.导坑开挖时预留变形；③修改原设计仰拱；④二次衬砌采用双层钢筋网,与仰拱预留钢筋焊接；⑤对需换拱段与开挖后变形较大的地段,除施作长的自进式锚杆外,再采用小导管进行双液注浆.2．发生围岩大变形的地质条件与隧道围岩大变形发生机理大变形目前还没有一个统一的定义,目前有的学者提出根据围岩变形是否超支护的预留变形量来定义大变形,即在隧道,如果初期支护发生了大于25 cm<单线隧道> 和50cm<双线隧道>的位移,则认为发生了大变形.姜云、李永林等将隧道围岩大变形定义为：隧道与地下工程围岩的一种具有累进性和明显时间效应的塑性变形破坏,它既区别于岩爆运动脆性破坏,又区别于围岩松动圈中受限于一定结构面控制的坍塌、滑动等破坏.同时将隧道围岩大变形分为受围岩岩性控制、受围岩结构构造控制和受人工采掘扰动影响三个大的类型.2.1大变形发生的地质条件发生大变形的隧道一般具有以下地质特征：〔1〕隧道围岩条件.发生大变形的围岩主要有：①显著变质的岩类,如片岩、千枚岩等；②膨胀性凝灰岩；③软质粘土层和强风化的凝灰岩；④凝灰岩和泥岩分互层；⑤泥岩破碎带和矿化变质粘土等.这类围岩的凝聚强度c值较低,内摩擦角 值很小,单轴抗压强度较低.〔2〕隧道处于高应力区,且大变形地段的隧道一般埋深在100m以上.〔3〕隧道围岩的天然含水量大.2.2隧道围岩大变形发生的机理人们通常把大变形机制分为两大类：〔1〕大变形的原因之一,是开挖形成的应力重分布超过围岩强度而发生塑性变化.如果发生缓慢就属于挤出〔如果是立刻发生就属于岩爆〕.〔2〕大变形的原因之二,是岩石中的某些矿物成分和水反应而发生膨胀.发生膨胀变形的围岩在开挖时一般有较高的强度,变形主要发生在隧道运营过程中,一般表现为底部鼓起,而隧道顶部和边墙保持较好的工作状态.在隧道通过炭质板岩和断层带时,引起大变形的原因主要为第一条.同时国内外学者也认为,软岩隧道的大变形可以描述为一种以挤出为主、膨胀为辅的水-力耦合过程.而对于第一条原因目前国内外学者认为围岩挤出是开挖引起的应力重分布超过岩体强度时屈服的结果,并且通过一些列的研究将围岩挤出的力学机制分为以下三大类：〔1〕完全剪切的破坏〔如图1a〕.在连续的塑性岩体与含有大开裂度裂隙的非连续岩体中会发生这种破坏.〔2〕弯曲破坏〔如图1b〕.一般发生在千枚岩与云母片岩等变质岩或泥岩、油页岩、泥质砂岩与蒸发岩等薄层状塑性沉积岩中.〔3〕剪切和滑动破坏〔如图1c〕.发生于相对厚层的沉积岩中,包括沿层面的滑动和完整岩石的剪切两种破坏形式.〔a 〕完全剪切的破坏 〔b 〕弯曲破坏 〔c 〕剪切和滑动破坏图1 挤出性围岩隧道失稳形式分类3．大变形的预测研究现状隧道的大变形给隧道施工和运营造成了很大的困难,国内外学者对隧道大变形的预测进行了大量的研究.目前在预测隧道变形的方法中具有代表性的有C&C 法,这种方法由Egger 〔1973〕、Kastner 〔1974〕和Hoek 、Brown 〔1980〕提出,并逐步完善.这种方法基于以下假设：〔1〕圆形隧道；〔2〕课题可以概化为二维平面应变问题；〔3〕均质各向同性介质；〔4〕弹-塑性材料；〔5〕现场地应力属于静水压力场；〔6〕均匀的径向支护压力.其计算公式如下：〔1〕弹性状态下的围岩位移〔i u 〕011()i i u P P r μκ+=-〔1〕 其中,μ、κ分别为岩石的泊松比和杨氏模量；0P 、1P 分别为地静压力和支护压力；i r 为隧道半径.〔2〕塑性状态下的位移〔j u 〕Hoek-Brown 方法：1j j u r ⎡=-⎢⎣ 〔2〕 式中当e j r r <,2ln e j r R D r ⎡⎤=⋅⎢⎥⎢⎥⎣⎦；e jr r >, 1.1R D = 式中,r m 、r s 为破碎岩石的常数；e r 、e u 、re σ分别为弹性和塑性边界处的半径、位移和径向应力.此外还有Egger 和Kastner 也提出了相应的塑性状态向的围岩位移预测方法.4．大变形的一般治理措施根据国内外的施工经验,对大变形的治理措施归纳如下：〔1〕加强稳定掌子面的辅助措施① 正面喷混凝土和打锚杆；② 打超前锚杆或钢筋.〔2〕加强基脚的措施,这是基本的,即首先要把底鼓和侧壁的挤入控制住,包括：① 向底部地层注浆加固；②向两侧打底部锚杆；③支撑加底部与加劲肋；④设底部横撑或临时仰拱.〔3〕防止断面挤入的措施①增打加长锚杆,主要在两侧,锚杆长度一定要深入到围岩塑性区一定X围才有效果；②设底部横撑,打底部锚杆,修筑仰拱,这是极为重要的工程措施；③缩短台阶长度,与早闭合；④下半断面、仰拱同时施工；⑤设纵向伸缩缝,采用可缩性支撑〔4〕防止衬砌开裂的措施①采用湿喷钢纤维混凝土；②设加强钢筋；③设纵向伸缩缝.〔5〕设立日常量测管理体制与管理基准①监测初期位移速度；②最终位移值的预测；③建立控制基准值；〔6〕加强施工地质预报①预测和预报掌子面前方的地质状态；②建立地质数据库,与时反馈；③各种岩类的特性试验数据的测试.这些措施是综合的,是相互补充的,应视具体情况采用.这些措施也是一般性的,当条件变化很大时,还要采用一些特殊的辅助施工措施,如注浆加固,改良岩体等措施.5．郎洞断层束破碎带地质概况5.1二郎洞断裂带〔F3〕该断层位于二郎洞附近,西起阿尔扎沟以西,向南经果可沟沟脑、二郎洞、肯德隆沟、茶卡北山以北,延伸长度约130km.该断裂是北侧南祁连海西期地槽和南侧南秦岭印支期地槽的分界断层,沿断裂带岩浆活动强烈,断层两侧岩层破碎,沿断裂有一系列与之近于平行的断裂,共同组成断层束,断层两侧岩层产状较乱,多拖拉现象和挠曲.地貌上主要表现为一系列断层谷地、垭口和洼陷地带,航、卫片上线性影像明显.断层形成于华力西期,在印支期以来仍有活动.断层产状：N40°～70°W/40°～80°N,属逆断层,主断层破碎带宽100～500m,断层西段发生过6级地震,东段可见第四系中更新统地层中的断坎,未见第四系全新统地层错动,该断层在隧道通过附近主要表现为断层负地形,未见新活动迹象,属晚更新世活断层.隧于DK303+611～DK304+071,通过长度460 m ,由断层泥砾与碎裂岩组成,Ⅴ级-Ⅵ级围岩.由于该断裂为区域性深大断裂,断层规模大,并且未来还有发生中强地震的可能性,因此对工程影响较大.5.2围岩情况隧道在二郎洞断裂带附近,岩性主要为石炭系片岩、##岩、志留系变质砂岩夹板岩,受地质构造影响较严重,岩体节理、裂隙较发育.其中软岩占主体.5.3涌水情况该区地下水类型主要为基岩裂隙水、构造裂隙水,岩层富水性较差,为弱富水区.根据地表测流,本区地下水径流模数M=563.72 m3/d·km2,水化学类型属HCO3-Ca·Na型水,矿化度小于1g/L,地下水无侵蚀性.双线同时施工时参数常涌水量为3825.12m3/d,最大涌水量为7650.24m3/d.5.4地应力根据场址与邻近地区的震源机制解和区域水平运动与构造应变场特征,可以看出本区域构造应力场主压应力优势方位为北东向.根据实测结果,隧道部位最大主应力方向为N33°E～ N43°E,平均为N38°E,和隧道轴线〔线路走向N54°E〕的夹角为21°～11°,平均为16°.根据3个孔地应力的实测结果分析,最大水平主应力的最大值为22.04 MPa,DSZ-8孔最大水平主应力测值明显高于DSZ-1孔、DSZ-7孔,而DSZ-8孔位于f17断层附近〔F3断裂带内〕,说明,随着钻孔所处构造部位的不同,所反映的构造应力强度差异也较大,在断裂带附近存在应力集中现象.根据《工程岩体分级标准》〔GB50218—94〕、岩体物理力学参数与弹性力学公式,在3个孔共19个测段中,Rc/σmax<4的极高地应力占全部测段的15.8%,4<Rc/σmax<7高地应力占全部测点的10.5%,极高和高地应力占全部测点的26.1%.经综合分析,岭脊埋深较大的石炭系变质砂岩与片岩段可能存在高地应力问题.5.5结论根据2.1大变形发生的地质条件,并结合实测的地应力结果和隧道区工程地质、水文地质特征,软弱围岩〔主要指断层破碎带与一定影响X围内〕存在发生较大变形的可能. 6．关角隧道F3断层影响带大变形治理建议与注意事项结合中国中铁隧道集团通过对乌鞘岭隧道千枚岩大变形的研究,引用其控制大变形的快速施工指导思想：〔1〕开挖支护、仰拱作业区,上下断面与仰拱的各工序在时间和空间上优化组合,实现稳步有序作业,平行交叉作业.〔2〕分秒必抢,将围岩暴露时间和结构不利受力状态压缩至最短,使初期支护结构与早、快速封闭成环,从而有效控制变形.〔3〕超前支护、钻爆、锚杆、锚索、注浆、立拱等关键工序实行标准化作业.〔4〕石变我变,主动支护,步步为营,稳中求快.6.1治理建议结合以往隧道围岩施工的成功经验建议如下措施：〔1〕措施一6．乌鞘岭隧道控制大变形经验与和关角隧道F3断层影响段比较6.1乌鞘岭隧道变形情况治理经验乌鞘岭隧道设计为两座单线隧道,隧道长20050m,隧道洞身最大埋深1100m左右.隧道所经过地层岩性复杂,分布主要受区域断裂构造控制.主要有第四系、第三系、白垩系、三叠系、志留系、奥陶系等,并伴有加里东晚期的侵入.隧道施工中,在辅助坑道和正洞均发生过较为严重的变形,在高地应力下隧道发生极其严重变形,出现支护裂损、钢架扭曲,净空侵限明显等现象.乌鞘岭隧道在穿越岭脊复杂地段时出现了软岩挤压大变形问题,尤其是F7断层带,变更设计前左线隧道最大拱顶下沉1053 mm<DK177+495>,平均下沉30~35 mm/d,一般在500~600 mm左右;左线隧道内轨上1. 5 m收敛值最大1034 mm<DK177+590>,一般为700mm左右,拱脚最大978mm,一般为300~700mm；右线隧道最大拱顶下沉227 mm<YDK177+610>,一般在100~200 mm左右；右线隧道内轨4m收敛值最大548 mm<YDK177+590>,一般为300~400 mm 左右.由于施工中发生严重变形,乌鞘岭隧道在大变形段均采用钻爆法施工、台阶法开挖,台阶长度4－5m,人工手持风钻上下台阶分部钻眼、装药、连线与同时进行光面微差控制爆破；立I20或H175钢拱架3榀/2m,拱部设φ42超前小导管,长度4m,环向间距25m,注水泥水玻璃双液浆,全断面喷射C20钢纤维砼,厚度25cm,径向采用φ42注浆锚管,间距0.8×0.8m,锚管长度拱部4m,边墙6m,梅花布置,拱墙设φ8钢筋网,网格间距25×25cm.循环进尺一般为1.4 m 或2.0m.通过以上措施控制了变形,顺利通过了大变形地段.乌鞘岭特长隧道位于兰新铁路##西至##南端增建第二线乌鞘岭越岭段,隧道长20050m,在施工过程中出现了软岩大变形,在工程人员的努力下,通过一系列的工程措施顺利的通过了大变形段,取得了较好的工程经验,现就对关角隧道F3断层附近和乌鞘岭隧道发生大变形段的工程概况进行比较〔见表1〕表1 关角隧道F3断层附近和乌鞘岭隧道发生大变形段工程概况比较表从乌鞘岭隧道成功控制带变形的经验值得借鉴.乌鞘岭隧道隧道产生大变形除了地质因素以外,还有以下几点原因：①初期支护强度不足.由于F7断层的影响,本段围岩内富存高地应力.在隧道开挖后,强大的地应力将作用到初期支护上,若初期支护强度和刚度不足将无法抵抗强大的地应力作用,就会产生大变形.②施工工序间距太长.由于施工工序间距太长,未能与时形成封闭的支护体系,致使初期支护在无约束下产生无限制性的变形,最终必然出现大变形.因此,施工工序间距太长,未能与时封闭也是本段发生大变形的直接原因之一.③掌子面刚度不足.在隧道开挖过程中,掌子面前方的变形特性是围岩变形响应的真正原因,又由于本段为四条区域性大断层组成的宽大"挤压构造带〞,岩体的的高地应力强挤压作用非常明显,这就更加剧了掌子面的挤出, 若不采取合适的强化措施保证掌子面的稳定,就会导致前方围岩的变形响应.因此,掌子面刚度不足是隧道洞壁产生大变形的关键原因.中国中铁隧道集团通过对乌鞘岭隧道千枚岩大变形的研究得出以下控制大变形的快速施工指导思想：〔1〕开挖支护、仰拱作业区,上下断面与仰拱的各工序在时间和空间上优化组合,实现稳步有序作业,平行交叉作业.〔2〕分秒必抢,将围岩暴露时间和结构不利受力状态压缩至最短,使初期支护结构与早、快速封闭成环,从而有效控制变形.〔3〕超前支护、钻爆、锚杆、锚索、注浆、立拱等关键工序实行标准化作业.〔4〕石变我变,主动支护,步步为营,稳中求快.。
《2024年隧道软弱围岩变形机制与控制技术研究》范文
《隧道软弱围岩变形机制与控制技术研究》篇一一、引言随着我国隧道建设技术的不断发展，面对复杂的岩体地质条件，尤其是软弱围岩地区，其围岩变形控制成为了一项极具挑战性的任务。
本论文以“隧道软弱围岩变形机制与控制技术”为研究对象，旨在深入探讨其变形机制，并研究有效的控制技术。
二、软弱围岩的变形机制1. 地质背景与软弱围岩特性软弱围岩通常指那些强度低、稳定性差的岩体，如泥岩、砂岩和破碎带等。
在隧道施工中，软弱围岩由于受到工程活动的影响，其内部应力场和边界条件发生变化，进而引发围岩的变形和破坏。
2. 变形机制分析软弱围岩的变形机制主要受两方面影响：一是围岩本身的物理力学性质，如强度、弹性模量等；二是工程活动引起的应力场变化。
在隧道开挖过程中，由于空间效应和应力重分布，软弱围岩容易发生剪切、挤压和隆起等变形。
三、控制技术研究1. 支护结构优化设计针对软弱围岩的变形特性，支护结构的设计至关重要。
通过优化支护结构的形式、材料和参数，如采用钢筋混凝土支护、钢拱架支护等，可有效提高支护结构的承载能力和稳定性。
同时，结合数值模拟和现场试验，对支护结构进行优化设计，确保其适应不同地质条件和施工需求。
2. 施工方法与技术改进针对软弱围岩的施工方法和技术进行改进，如采用分步开挖、预留变形量等施工方法，以减小对围岩的扰动和破坏。
同时，引入新型施工技术和设备，如盾构机、TBM等，提高施工效率和安全性。
3. 监测与反馈控制技术在隧道施工过程中，对围岩变形进行实时监测，通过监测数据反馈控制技术，及时调整支护结构和施工参数。
采用地质雷达、位移计等监测设备，对围岩的变形进行实时监测和预警，确保隧道施工安全。
四、案例分析以某隧道软弱围岩工程为例，通过应用上述控制技术，有效控制了围岩的变形和破坏。
在施工过程中，结合地质条件和施工需求，优化了支护结构设计、改进了施工方法和技术、并实施了严格的监测与反馈控制措施。
经过实践验证，该控制技术有效地提高了隧道施工的安全性和稳定性。
TBM多刀不同切削顺序破岩过程的数值研究
械 的使用 ［ ． １ 刀具 是 ＴＢ 隧道 掘进 机 ） ］ Ｍ（ 的关键 破岩
部件， 而作 为 主要 掘进刀具 的滚刀 ， 其破 岩效率 直接
１ 模 型 的建 立 及 参 数 的 选 取
ＴＢ 在施 工 中常遇 到各种 复杂 的地 质条件 ， Ｍ 建
立 全 因素模型 是不 现 实 的 ， 因此 须 对 实 际 问题 进 行 必 要 的简化． 文 对 破 岩 过 程进 行 适 当简 化 ， 定 本 假 ＴＢ 在 特定单 一 的地 层 下 掘进 ， 略 地 下 水 、 度 Ｍ 忽 温
第２ １卷 第 ３ 期
２ １ 年 ９月 ０１
湖 南 工 程 学 院 学 报
Ｖ １ ２ ． ． ｏ ． １ Ｎｏ ３
Ｓ ｐ． ０ １ ｅ ｔ ２ １
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＨｕ ａ ｎ ｔｔ ｔ ｆＥｎ ｉｅ ｒｎ ｏ ｒ ａ ｎ ｎＩ ｓｉｕ ｅｏ ｇｎ ｅ ｉｇ ｏ
ＴＢＭ 多 刀 不 同 切 削 顺 序 破 岩 过 程 的 数 值 研 究
软 件 建 立 了无 围压条 件 下三把 Ｔ Ｍ 刀具 按 不 同次序 截割 节理不发 育岩石 的仿 真模 型． 此基 础 上设 Ｂ 在 计 了一组 数值 试 验 ， 功 地模 拟 出 了 ＴＢ 刀具在 切割 岩石 时 ， 石裂 纹 生成 、 成 Ｍ 岩 扩展 和岩 石 破碎 块 形成
的全过 程． 真 结果表 明 ： 同时加栽 时所 需的 刀具 临界 应 力 更 大； 仿 不 同时加 栽和 顺 次加 栽 时存 在 两种 不 同的破碎 模 式 ， 虽然破碎 区都 由侧 向裂纹 交汇而成 ， 但破碎 块 的形状 有所 不 同； 三种加 载方 式下 ， 力 的 应
面时必 定存在 着某 一 先 后顺 序 ， 同的 滚压 次 序 对 不
隧道围岩动态变形规律及控制技术研究
隧道围岩动态变形规律及控制技术研究赵勇【摘要】基于前人既有研究成果和日本龟浦隧道围岩变形试验,结合郑西客运专线大断面黄土隧道围岩大变形的工程实践,阐述隧道施工影响下围岩变形动态规律,提出围岩变形控制的技术要点和技术措施,并提出相应的围岩变形控制建议.研究结果表明:隧道开挖后的围岩变形可分为掌子面前方的先行变形、掌子面变形及掌子面后方变形3种形式,且这3种变形是同时发生的.控制开挖工作面失稳、拱顶失稳、拱脚下沉和围岩大变形等是隧道围岩变形控制的要点.开挖过程控制和辅助工法控制是隧道围岩变形控制的重点,其中初期支护及时闭合和合理辅助工法的选取是关键.【期刊名称】《北京交通大学学报》【年(卷),期】2010(034)004【总页数】5页(P1-5)【关键词】隧道工程;围岩变形;控制要点;控制技术【作者】赵勇【作者单位】北京交通大学,隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京,100044;铁道部工程设计鉴定中心,北京,100844【正文语种】中文【中图分类】U451.2隧道的结构体系是由周围地质体和人工修筑的支护构件组成的,并且周围地质体起着主导作用,这是与地面结构体系完全不同的.从工程结构的角度看,这种结构体系的形成是通过一定的施工过程或者说一定的力学过程来实现的,这个过程状态的变化如图1所示[1].可以看出,隧道施工就是一个开挖与支护的过程,施工过程就是应力释放与应力控制、利用和控制围岩动态变形的过程.图1 施工过程与围岩力学状态变化过程示意图Fig.1 Construction and surrounding rock mechanical state change process chart对于隧道围岩变形规律及控制技术的研究,国内外学者做了大量工作,并取得了丰富的研究成果[2-5].本文作者基于前人的研究,结合日本龟浦隧道围岩变形试验和郑西客运专线大断面黄土隧道围岩大变形的工程实践,根据实测数据总结隧道围岩变形动态规律,并提出具体的控制措施.1 隧道围岩变形动态规律大量的数值计算和现场监测资料均表明,隧道围岩变形是在开挖工作面的前方开始,而在开挖工作面后方距离d=1.5～2.0D(洞径)处的变形才与最大径向变形基本相等,这是隧道开挖引起围岩变形的一般规律.日本龟浦隧道施工时,在隧道拱顶上方2 m 的位置设一个长50 m的水平铝管,实测的弯曲应变计算变形如图2所示.图2 龟浦隧道掌子面变形监测实例Fig.2 The heading face displacement monitoring example of GuiPu Tunnel我国郑西客运专线大断面黄土隧道开挖监测数据分析的规律也大致相同.图3为2006-11—2007-09的实测数据,其中1#～8#分别对应隧道左右导洞及主洞断面上的8个测点.各分步施工引起隧道拱顶沉降占总沉降的比例分别为:超前沉降,5%～14%;导洞开挖,35%～50%;导洞开挖至全断面封闭前,40%～50%;全断面封闭后,3%～9%.可以看出,反映在掌子面前方到后方一定范围内的拱顶下沉分布规律为:隧道开挖后在掌子面前方一定范围(2～5倍洞径)产生下沉,称之为“先行变形”;在掌子面处,产生一定量的“初始变形”,此值与地质条件关系密切,约为最终变形值的20%～30%,这个变形是开挖后瞬间发生的;在掌子面后方,随掌子面的推进,产生不断增大的变形,其特点是初期的变形速度很大,而后增长的速度逐渐减缓,并趋于稳定.其变形过程如图4所示[2].图3 大断面黄土隧道双侧壁导坑法施工拱顶沉降曲线Fig.3 Vault crown settlement curve of both-side head excavating method construction in large section loess tunnel因此,隧道开挖后隧道的变形可分为掌子面前方的先行变形、掌子面变形及掌子面后方变形3种,且这3种变形是同时发生的.图4 隧道开挖围岩变形三维示意图Fig.4 Surrounding rock deformation during tunnel excavation three-dimensional chart2 隧道围岩变形控制要点隧道围岩变形控制的要点在于控制开挖工作面的失稳、坍塌,拱顶的失稳、坍塌,台阶法中拱脚下沉、失稳和围岩大变形等.2.1 控制掌子面失稳、坍塌1)倾斜掌子面.采用倾斜形状的掌子面开挖,配合掌子面喷混凝土封闭措施,可以抑制掌子面的变形,减少作业人员的风险,控制地表的下沉,大幅度改善进度和封闭时间,提高喷混凝土的品质和耐久性.2)掌子面锚杆.设置掌子面锚杆的目的是控制围岩开挖后的先行变形和掌子面变形,也是为全断面和半断面开挖创造条件.掌子面锚杆的长度一般在12～24 m之间,为开挖方便,通常采用玻璃纤维锚杆.采用掌子面锚杆技术的关键是长锚杆的快速施工工艺和配套施工机具.3)留核心土.在台阶法施工中,为了掌子面的稳定,经常采用弧形开挖法,即留核心土法.日本进行的一项研究表明:不留核心土时,掌子面挤出量超过70 mm的部分可达到掌子面前方1.3 m;而留核心土时,掌子面挤出量超过70 mm的部分只达到掌子面前方0.6 m 处.可见核心土对掌子面起到控制挤出的效果.2.2 控制拱顶失稳、坍塌控制拱顶失稳坍塌的技术要点是采用超前支护和加强初期支护.1)超前支护.根据构筑方法,超前支护通常分为短超前支护、中超前支护和长超前支护3种情况.①短超前支护:一般支护长度为2～5 m,通常采用超前小导管、插板法和预衬砌技术;②中超前支护:一般支护长度为5～10 m,通常采用中管棚(直径89 mm,长度10 m)或水平喷射注浆方式;③长钢管超前支护:一般采用长度在15～20 m、直径大于108 mm的长钢管,即大管棚超前支护,以有效控制拱顶失稳、坍塌.2)加强初期支护.加强初期支护通常有两种做法,其一是加大喷混凝土的厚度,加密钢架间距或缩小锚杆间距;其二是改变喷混凝土的性能,提高钢架的规格和采用抗拔力大的锚杆.实践证明,第二种方法更有利于控制拱顶下沉.采用初期高强度喷混凝土技术能减薄喷层厚度,有效加快施工进度,符合技术发展的趋势.2.3 控制拱脚下沉、失稳在台阶法施工中,控制拱脚下沉的方法通常有扩大拱脚、设置锁脚锚杆、临时仰拱封闭和设置横撑等方法.日本近期开发出了利用弯曲钻机,设置弯曲形脚部钢管桩或采用高承载力的脚部支撑钢管来控制钢架的下沉,效果较好,如图5所示.另外,也可用喷射混凝土来加固拱脚,如图6所示.图5 控制隧道拱脚下沉失稳的曲线形钢管桩工法Fig.5 Shaped form pipe pile method for controlling tunnel arch springing subsidence instability图6 控制隧道拱脚下沉失稳的拱脚喷射混凝土工法Fig.6 Shotcrete method for controlling tunnel arch springing subsidence instability2.4 控制软岩大变形通常认为初期变形速率快、变形值大、长时间无收敛趋势,且超过预计变形值的变形,可以称为“大变形”.这种围岩一般为软弱围岩,这种变形也通常被称作“软岩大变形”.控制软岩大变形的方法有:①在喷混凝土中设置伸缩缝来吸收一部分变形;②采用长锚杆(8～15 m)来控制围岩的后期变形;③采用掌子面锚杆控制围岩的先行变形等.这些方法对解决大变形问题起到一定的作用,特别是长锚杆和掌子面锚杆.日本在东海道新干线的饭山隧道(长22.2 km)的大变形地段试验,采用多重支护方法取得了成功.多重支护方法的特点是:不需要进行反复扩挖和反复支护,即没有拆除顶替已经承载的支护构件和对围岩的多次扰动的问题,留出充分的变形富裕值,先释放一部分变形进行第一次支护,然后继续释放变形.第一次支护达到极限状态后,再继续第二次支护,必要时可继续第三次支护,将变形控制在容许范围之内.多重支护的基本观点是:容许一次支护变形,以减轻作用在二次支护的土压,并在最内侧形成健全的壳体,使整个支护稳定.因此,二次支护的设置最好在围岩内应力释放到某一程度后实施.3 隧道围岩变形控制技术3.1 开挖过程控制隧道开挖后,随着时间的推移,变形也在发展.一般说,开挖过后,变形发展很快,即初期变形速度很快,而且变形值也比较大,如果能够控制住初期的变形速度,就可以控制隧道围岩的松弛.因此通常强调开挖后要迅速喷射混凝土,迅速架设钢支撑,其目的就是要求初期支护及时闭合.另外需要关注的是从开挖到初期支护全断面闭合的时间.在复杂地形、地质条件下,从开挖到全断面初期支护的闭合时间,要求越短越好.闭合距离也是越短越好.因为,初期支护全断面闭合的过程,就意味着隧道围岩变形逐渐趋于稳定的过程.而闭合距离,基本上要求在距掌子面2～3倍隧道开挖跨度之内,甚至更短一些.因此,有效控制隧道围岩变形的开挖方法,应该是首选全断面法,其次是短台阶法.总之,开挖分部越少,封闭时间越短,变形就越小.3.2 辅助工法控制以改善围岩条件为目的而采用的辅助或特殊工法称为辅助工法,如图7所示.隧道开挖中最危险的应力释放面是掌子面和一次开挖长度的无支护区间.为了控制其危险度,了解地下水分布状况和掌子面前方围岩的动态是非常重要的.图7 辅助工法概念示意图Fig.7 Assistant construction method concept chart 在隧道围岩变形及控制技术措施中,辅助工法占据重要地位.常用稳定掌子面的辅助工法有:超前锚杆、超前长钢管、掌子面喷混凝土、掌子面锚杆、脚部补强锚杆、临时仰拱等.在地下水处理中常用排水钻孔等工法.在控制地表下沉对策中有:长超前钢管、管棚等.在地下水对策中有:排水钻孔、降低地下水位、排水坑道等工法.4 隧道围岩变形控制建议隧道施工主要分为开挖和支护两大工序,变形控制是开挖和支护中的技术关键点.开挖是应力释放的过程,不同的开挖方法,应力释放的过程及程度也是不同的.支护则是应力控制的过程,不同的支护方法应力控制的过程和程度也是不同的.除开挖、支护作业外,其他作业都是辅助性的,如运输、排水、通风、量测、地质超前预报等.但这些作业也是左右开挖、支护成败的关键,不能忽视.因此,控制隧道围岩变形的关键措施主要指开挖、支护过程中控制围岩变形的措施及必要的辅助作业工法.在隧道施工过程中,开挖和支护是密切相关的,根据围岩地质情况,其关系可大致分为只挖不支、先挖后支和先支后挖3种情况.1)只挖不支,适用于坚硬、自支护能力比较高,应力释放后能够自行控制稳定的围岩,围岩级别为Ⅰ级、Ⅱ级.关键技术:减少爆破振动和少扰动的开挖技术.基本措施建议:控制开挖进尺,控制一次起爆炸药量,采用电子雷管,采用机械开挖或机械与爆破并用的开挖方法.2)先挖后支,适用于一般地质条件,围岩级别为Ⅲ级、Ⅳ级.关键技术:加强初期支护控制围岩的松弛、坍塌,确保开挖工作面的稳定.基本措施建议:采用全断面法或超短台阶法,提高初期支护的支护效果,控制隧道围岩变形的发展和收敛;严格控制各开挖工作面的步距,尽快闭合;提高机械化程度,缩短各单项作业的时间.3)先支后挖,适用于特殊地质、地形条件,一般用于软岩大变形、掌子面或拱脚易失稳、底部鼓起等情况,围岩级别为Ⅴ级、Ⅵ级.关键技术:加强超前预支护,确保开挖工作面稳定,控制围岩松弛、坍塌,提高围岩的自支护能力.基本措施建议:采用掌子面超前锚杆、喷混凝土封闭掌子面、倾斜掌子面或留核心土的施工方法;超前管棚、管幕、插板等超前支护;加强初期支护,采用高强度、高刚度喷混凝土技术;采用锁脚锚杆等控制拱脚下沉.只挖不支的场合主要是控制爆破振动,采取减少围岩扰动的施工方法;先挖后支的场合主要是控制掌子面后方的变形,采取加强初期支护和快速封闭的施工方法;先支后挖的场合重点是控制掌子面前方的变形和掌子面变形,采取超前预支护、掌子面支护和掌子面后方支护,及时封闭的措施和工法.5 结语1)隧道围岩变形包括掌子面前方的先行变形、掌子面变形及掌子面后方的变形,其中掌子面变形是隧道开挖过程围岩变形发展的重要阶段,是隧道围岩变形控制的重点.2)隧道围岩变形控制是隧道围岩稳定性控制的核心,要采取系统的控制措施.既要控制掌子面前方的先行变形,又要控制掌子面和掌子面后方的变形.3)隧道围岩变形控制的要点在于控制开挖工作面失稳、拱顶失稳、拱脚下沉和失稳及围岩大变形等几种形式.4)隧道围岩变形控制重在开挖过程控制和辅助工法控制,其中初期支护及时闭合和合理辅助工法的选取是控制隧道围岩变形的关键.5)隧道开挖和支护相互作用关系可分为只挖不支、先挖后支和先支后挖3种情况,且每种情况有其关键技术和建议的基本措施,在隧道施工过程中,应根据围岩条件和工程特点选定合理的工序.参考文献:[1]关宝树.隧道力学概论[M].成都:西南交通大学出版社,1993.GUAN Baoshu.Generality of Tunnel Mechanics[M].Chengdu:Southwest Jiaotong University Press,1993.(in Chinese)[2]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥:安徽教育出版社,2004.WANG Mengshu.Technology of Shallow Tunnel Excavation[M].Hefei:Anhui Education Press,2004.(inChinese)[3]张顶立,王梦恕,高军,等.复杂围岩条件下大跨隧道修建技术研究[J].岩石力学与工程学报,2003,22(2):290-296.ZHANG Dingli,WANG Mengshu,GAO Jun,et al.Research on Construction Technology of Large Span Tunnel in Complex Rock[J].Chinese Journal of Rock Mechanics andEngineering,2003,22(2):290-296.(in Chinese)[4]吕勤,张顶立,黄俊.城市地铁暗挖施工地层变形机理及控制实践[J].中国安全科学学报,2003,13(7):29-34.LU Qin,ZHANG Dingli,HUANG Jun.Mechanism of Stratum Deformation and Its Control Practice in Tunneling Urban SubwayAt Shallow Depth[J].China Safety Science Journal,2003,13(7):29-34.(in Chinese)[5]岳广学,何平,蔡炜.隧道开挖过程中地层变形的统计分析[J].岩石力学与工程学报,2007,26(增2):3793-3803.YUE Guangxue,HE Ping,CAI Wei.Statistic Analysis of Stratum Deformation During Tunnel Excavation[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2007,26(S2):3793-3803.(in Chinese)。
水下柔性结构流固耦合动力效应研究
水下柔性结构流固耦合动力效应研究一、研究背景随着科技的不断发展，水下工程领域在船舶、海洋平台、海底隧道等诸多方面得到了广泛的应用。
然而由于水下环境的特殊性，如高压力、低温、盐度变化等，使得水下柔性结构在设计和施工过程中面临着诸多挑战。
为了提高水下柔性结构的可靠性和耐久性，研究其流固耦合动力效应显得尤为重要。
流固耦合是指物质在外力作用下发生的变形与流动现象，在水下柔性结构中，由于受到水流、波浪、潮汐等多种外部因素的影响，结构内部的应力分布和变形状态会发生动态变化。
因此研究水下柔性结构的流固耦合动力效应，有助于揭示其在不同工况下的响应特性，为优化设计提供理论依据。
近年来国内外学者对水下柔性结构的流固耦合动力效应进行了大量研究。
这些研究成果不仅为水下工程的设计提供了有力支持，还为实际工程应用提供了重要的参考价值。
然而现有研究成果主要集中在理论分析和数值模拟方面，对于实际工程中的具体问题解决能力有限。
因此进一步深入研究水下柔性结构的流固耦合动力效应具有重要的理论和实际意义。
1. 水下柔性结构的定义和分类梁式结构：梁式结构是最常见的一种水下柔性结构，主要包括横向梁和纵向梁。
横向梁主要用于承受横向水压力载荷，纵向梁则用于承受纵向拉力载荷。
这种结构形式简单、通用性强，适用于各种水下工程应用。
桁架结构：桁架结构是由许多相互支撑的杆件组成的空间框架结构。
在水下环境中，桁架结构可以通过调整杆件长度和间距来实现对受力状态的改变，从而适应不同的工况要求。
桁架结构具有较高的刚度和稳定性，但其制造工艺较为复杂。
索穹顶结构：索穹顶结构是一种以钢索为骨架，通过锚固在海底固定物上的穹顶状结构。
索穹顶结构具有良好的抗风蚀性能和抗冲击能力，同时能够承受较大的水压力载荷。
然而由于钢索的限制，索穹顶结构的刚度较低，且制造成本较高。
悬链网结构：悬链网结构是由一系列相互连接的链条组成的网状结构。
悬链网结构具有良好的柔韧性和抗拉强度，能够在受到外力作用时产生较大的形变，从而吸收部分能量，减小结构的应力集中。
大直径盾构隧道新型纵缝接头抗弯性能试验研究
大直径盾构隧道新型纵缝接头抗弯性能试验研究
柳献;师一鸣;胡秋斌;曹伟飚;李文勇
【期刊名称】《地下空间与工程学报》
【年(卷),期】2024(20)2
【摘要】纵缝接头是盾构隧道受力性能的薄弱部位,管片接头的形式直接影响盾构隧道的力学性能。
目前国内的盾构隧道纵缝接头使用的连接件多为螺栓,新型纵缝接头使用了一种新的连接件—滑入式连接件,此种接头在大直径盾构隧道中的受力性能有待研究。
本文以新型纵缝接头为研究对象,针对两种不同型号的滑入式连接件,采用模型试验的方法探究了大直径盾构隧道新型纵缝接头的受力性能,通过理论分析计算了新型纵缝接头的极限承载力,并比较分析了传统螺栓纵缝接头和新型纵缝接头的受力性能。
结果表明:新型接头衬砌管片的薄弱部位在连接件周围的混凝土区域;滑入式连接件的型号直接影响新型纵缝接头的受力性能,两种接头中连接件尺寸较大的接头转角刚度相较于连接件尺寸较小的接头转角刚度增加了
7.2~169.5%,极限承载能力增加了69.9%;新型纵缝接头比螺栓接头有更高的转角刚度,受力性能更好,适用于大直径盾构隧道。
【总页数】10页(P497-506)
【作者】柳献;师一鸣;胡秋斌;曹伟飚;李文勇
【作者单位】同济大学土木工程学院;上海申通地铁集团有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】U45
【相关文献】
1.大直径盾构隧道管片接头抗弯性能研究
2.盾构隧道新型纵缝接头抗弯性能试验对比研究
3.钢筋锈蚀对上海地铁盾构隧道纵缝接头抗弯力学性能影响研究
4.超大直径盾构隧道接头抗弯性能影响因素研究
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浙江大学建筑工程学院
浙江大学建筑工程学院2003年年鉴二OO四年一月目录1、本科生教育工作 (1)2、研究生教育及学科建设工作 (11)3、科学研究与实验室建设工作 (17)4、人事工作 (36)5、继续教育工作 (40)6、其他工作 (47)本科教学工作一、各类数据1、目前在校本科生人数为1340名（截止日期：2003年12月31日）2、2003年(2002)各系在浙江省招生情况3、2003届各系学生英语四级、六级通过率情况4、2003届各系学生获得学位情况5、2003届各系学生分配情况及一次性就业率情况6、2002级学生转入我院各专业情况7、土木工程专业六个专业方向学生人数二、2003年本科教学改革立项情况三、主要工作1、给本科生上课的教师人数为153名，占全院教师总人数的66.5％，其中教授31人，占全院总教授人数的81.6％。
本科教学业绩点为140.88，教师人均业绩点为0.92。
目前，本科的师生比为1：8.76。
2、有57名研究生分别担任2003级本科生的导师和联络员，其中有30名教授担任导师。
3、本学年为23门次本科课程设置了23个助教岗位。
4、组织有关教师向学校申报了《工程管理》本科新专业。
5、2项21世纪初校级本科教学改革项目通过了学校的结题验收。
同时，6、学院的6门精品课程和18门重点课程通过了学校的中期检查验收。
7、承办了浙江大学第四届大学生结构设计竞赛，全校共有161支队伍参赛，涉及十几个院系的480多位学生。
2003年11月9日，学院与校教务部承办了浙江省第二届“杭萧钢构杯”大学生结构设计竞赛，来自浙江省11所高校的36支队伍参加了决赛。
我院有5支参赛队代表浙江大学参加了决赛，分别获得特等奖1个、一等奖1个、二等奖2个、三等奖1个和创意奖1个。
8、我院城规2000级学生丁睐荣获2003年城市规划专业“居住区规划设计”作业优秀奖。
指导教师为王士兰研究员。
9、第六期大学生科研训练计划(SRTP)立项共有18项，其中学校立项12项(教师7项，学生5项)，学院立项6项（教师3项，学生3项）。
隧道工程中的流固耦合问题研究
隧道工程中的流固耦合问题研究一、引言地下隧道建设是人类工程史上的伟大壮举，既改善了城市交通环境，又方便了人们的出行。
然而，隧道围岩的流固耦合问题一直是影响隧道施工和使用的关键因素。
本文将探讨隧道工程中的流固耦合问题，并提出相应的解决方法。
二、隧道工程中的流固耦合问题隧道建设中的流固耦合问题指隧道中负责流动的液体与固体隧道围岩之间相互作用的问题。
1. 套筒压力在隧道施工的过程中，为加固隧道围岩结构，常常会使用套筒增加隧道的支撑能力。
但是，在套筒与岩体之间的空间中，常常会产生水压。
当水压达到一定程度时，套筒就会发生变形，使得隧道支撑能力下降。
2. 稳定性问题在一些地形较为崎岖的地区，隧道的稳定性会受到地形的影响。
在这种情况下，隧道施工过程中，液体的流动会对隧道的安全性产生影响，隧道围岩的稳定性也会受到相应的影响。
3. 水压问题在某些条件下，隧道中液体的流动会导致水压的问题。
水压会导致隧道中的固体结构发生移位，对隧道的结构稳定性产生影响。
三、解决方法隧道工程中的流固耦合问题在一定程度上会影响隧道建设的进度和质量。
下面列举一些解决方法：1. 施工中的控制在隧道施工的过程中，水压的控制是保证隧道施工进度和质量的关键因素之一。
当施工人员发现水压过高时，应及时采取措施以控制水压。
2. 模拟实验通过对隧道施工中不同情况下流体在固体结构中的流动状况进行模拟实验，可以找到更加准确的解决方法。
模拟实验过程中，可以对不同变量进行控制，从而找到最合适的施工方法。
3. 选择合适的隧道设计方案在进行隧道设计时，考虑流固耦合问题对隧道施工和使用的影响，选择合适的隧道设计方案。
通过优化隧道设计方案，可以减轻隧道中的水压问题，提高隧道结构稳定性。
四、相关技术和设备在解决隧道建设中的流固耦合问题过程中，相关技术和设备的运用是不可或缺的。
下面介绍一些主要的技术和设备：1. 隧道测量技术隧道测量技术是对隧道施工过程中液体和固体结构的流动状况进行监测和记录的技术。
弹塑性多孔介质流固耦合新理论:混合耦合理论
弹塑性多孔介质流固耦合新理论：混合耦合理论徐丽阳;王锴;丁智;徐日庆;陈晓辉【期刊名称】《计算力学学报》【年(卷),期】2024(41)1【摘要】在全球气候变化和双碳政策的大背景下,多孔介质中固体的变形和流体的输运问题变得尤为重要。
然而,在多孔介质中建立流固耦合模型仍面临的挑战之一是需要考虑跨越宏观尺度到纳米尺度的耦合作用。
本文利用基于非平衡热力学的混合耦合理论,提出了一个弹塑性多孔介质流固耦合新模型,在同一个理论框架内研究了弹性变形、塑性变形和液体渗流之间跨尺度的耦合,考虑了耗散过程中的熵产,并利用Helmholtz自由能连接宏观尺度上的力学变形和纳米尺度上的液体输运之间的相互作用。
在应力-应变关系中采用了弹塑性刚度系数以反映塑性的影响。
同时,经典的达西定律扩展为可考虑固体的塑性变形。
通过与文献中模型的比较,验证了该模型的有效性。
最后,数值分析表明在多孔介质的流固耦合中塑性变形具有比较显著的影响。
【总页数】10页(P129-138)【作者】徐丽阳;王锴;丁智;徐日庆;陈晓辉【作者单位】浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心;浙江省城市地下空间开发工程技术研究中心;浙大城市学院土木工程系;浙江省城市盾构隧道安全建造与智能养护重点实验室;北京师范大学水科学研究院;利兹大学土木工程系【正文语种】中文【中图分类】O344.3;O302【相关文献】1.非均质饱和多孔介质弹塑性动力分析的广义耦合扩展多尺度有限元法2.饱和土体一维固结理论的修正——饱和多孔介质流固耦合渗流模型之应用3.多孔介质伴有相变多相流的热-流-固耦合数学模型4.饱和土体单向固结理论与应用研究--饱和多孔介质流固耦合渗流数学模型之应用5.多孔介质的一种流-固耦合动态边界理论因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
复杂环境软土地层中盾构隧道的变形效应研究
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生态与环境工程
2024 NO.1（上） 中国新技术新产品
在实际工况中，会存在一定偏差。为充分描述盾构尾部与
衬砌之间间隙、盾构机注浆程度和隧道面土体的变形程度 和范围 [6]，将盾构尾部与衬砌之间间隙概化为均质的弹性等
代层，δ 表示该层厚度，其计算如公式（2）所示。
δ=ηQp
（2）
式中 ：η 为经验系数 ；Qp 为理论盾构尾部与衬砌之间间隙。
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生态与环境工程
复杂环境软土地层中盾构隧道的变形效应研究
么家琦 （广东粤东城际铁路有限公司，广东 汕头 515000）
摘 要 ：为保障盾构隧道施工安全，研究复杂环境软土地层中盾构隧道的变形效应。该方法以东乐站地铁项目为
研究对象，首先，利用 HSS 模型计算盾构隧道的变形效应，其次，利用 PLAXIS 3D 软件对盾构隧道－周边建筑
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中国新技术新产品 2024 NO.1（上）
生态与环境工程
数值为 0.124mm。盾构穿越后 50 d 时，盾构隧道测点最大变 形效应数值为 3.096mm，最小变形效应数值为 2.036mm。当 隧道盾构施工作业完成后，盾构隧道测点最大变形效应数值 为 3.824mm，最小变形效应数值为 2.978mm。综上所述，利 用本文方法可有效获得盾构隧道在不同时间段时，其最大和 最小变形效应，为隧道安全施工提供变形效应数值，应用效 果较佳。
能恢复到原始状态的变形，而塑性变形是当土体受到过大加
载时，无法完全恢复的永久性变形。使用 HSS 模型可以计算
盾构隧道在不同情况下的变形效应。盾构机工作是分段连续 进行的，盾构机每推进一段长度 [4]，其土仓内压力和尾部注
第三轮学科评估简况表(力学)-最后定稿pdf全
Ⅱ-2代表性科研项目（2009-2011年）Ⅱ-2-1国家级、省部级、境外合作科研项目序号项目来源项目下达部门（应与批文公章一致）项目级别项目编号项目名称负责人姓名项目开始年月项目结束年月项目合同总经费（万元）属本单位本学科的到帐经费（万元）1 国家973计划科技部二级子课题2010CB732104城市地下工程灾变演化规律及预测汪越胜201001201112198 1082 国家科技支撑计划科技部重大项目子课题GTYZ200902 高速列车横风效应研究 毛军200901201212100 853 国家自然科学基金国家自然科学基金委员会数理科学部重点项目 10632020声带隙材料和结构的波动力学特性分析及设计汪越胜200701201012200 804 国家自然科学基金国家自然科学基金委员会工程与材料科学学部重点项目50539030-1-2复杂条件下高拱坝的失效破坏机理和安全评估-坝基岩体和结构面的破坏特性和破坏机理研究兑关锁20050120091230 305 国家自然科学基金国家自然科学基金委员会数理科学部面上项目 10672016镍基单晶高温合金沉淀强化的宏微观力学机制研究郭雅芳20070120091235 146 国家自然科学基金国家自然科学基金委员会数理科学部面上项目 10672018各向异性含液多孔材料非线性动力响应的多尺度分析刘颖20070120091235 147 国家自然科学基金国家自然科学基金委员会工程与材料科学学部面上项目50678018钢筋混凝土梁-墙节点平面外抗震性能的分析模型研究石志飞20070120091235148 国家自然科学基金国家自然科学基金委员会数理科学部面上项目10772022考虑接触效应时微缝隙的弹性波传输特性研究于桂兰20080120101235149 国家自然科学基金国家自然科学基金委员会工程与材料科学学部面上项目90715006强震下超高建筑与周期性基础的相互作用与破坏机制研究石志飞200801201012502010 国家自然科学基金国家自然科学基金委员会工程与材料科学学部面上项目50772010关于内置式水泥基压电机敏器件几个基础问题的研究石志飞200801201012371511 国家自然科学基金国家自然科学基金委员会数理科学部面上项目 10772021多孔Ni-Ti形状记忆合金力学性能研究兑关锁20080120101235 1412 国家自然科学基金国家自然科学基金委员会数理科学部面上项目 10872025 EMC变形机理研究及模型结构设计王正道20080120101240 1613 国家自然科学基金国家自然科学基金委员会数理科学部面上项目10872026梯度材料涂层结构的热弹性接触及滑动失稳分析汪越胜20090120111238 3814 国家自然科学基金国家自然科学基金委员会数理科学部面上项目 10972028多孔材料动力学性能微/宏观多功能集成一体化设计刘颖20100120121238 3815 国家自然科学基金国家自然科学基金委员会数理科学部面上项目 11072027 金属磁记忆检测技术的定量化研究王正道20110120131250 5016 国家自然科学基金国家自然科学基金委员会数理科学部面上项目 11072026镁及镁合金塑性变形机制与微结构演化行为研究郭雅芳20110120131242 4217 国家自然科学基金国家自然科学基金委员会工面上项目 51078301列车在长大隧道内着火后继续运行的速度优化研究毛军20110120131241 41程与材料科学学部18 国家自然科学基金国家自然科学基金委员会工程与材料科学学部面上项目51072018周期性压电复合材料的动力特性研究石志飞201101201312383819 国家自然科学基金国家自然科学基金委员会数理学部面上项目 11172034高速列车车轴疲劳损伤和微组织演化的非线性超声评价税国双20120120151265 32.520 国家自然科学基金国家自然科学基金委员会面上项目 11172033功能梯度多孔形状记忆合金的相变机理与力学性能分析兑关锁20120120151265 32.521 国家自然科学基金国家自然科学基金委员会信息科学部青年项目 10902012准周期声子晶体中的弹性波传播和局部化陈阿丽20100120121220 2022 国家自然科学基金国家自然科学基金委员会信息科学部青年项目 11002019功能梯度电磁弹复合材料的接触力学及应用 柯燎亮20110120131223 2323 国家自然科学基金国家自然科学基金委员会国际(地区)合作与交流项目－中俄合作项目11111120066功能梯度材料摩擦滑动/转动接触的热弹性失稳汪越胜2010012011129 524 省级自然科学基金项目北京市自然科学基金委、北京市教育委员会(联合资助)重点项目KZ200810005001金属材料性能退化的非线性超声无损检测技术研究汪越胜20080120101250 2225 部委级科研项目教育部博士学科点专项科研基金20060004017功能梯度材料涂层的微动接触力学与微动疲劳分析汪越胜200701200912 6 026 部委级科研项目航空部面上项目 201109M5002 飞机大壁板后屈曲分析技术金 明20101020121010 1027 部委级科研项目教育部新教师基金20100009120018分子动力学模拟功能化氮化硼纳米管及其纳米复合材料的力学性能 柯燎亮201101201312 3.6 3.628 部委级科研项教育部高教司新世纪人―――形状记忆聚合物复合材料在空间可展王正道20080120101250 0目才基金开结构中的应用29 部委级科研项目铁道部科技司重点项目 2010G014-H 铁路防灾安全监控系统维护技术研究毛军20100820111215 1530 部委级科研项目铁道部科技司重点项目 2008G030-C高原特长隧道运营安全与防灾救援技术研究谭忠盛毛军20081120101135 2531 部委级科研项目北京市自然科学基金委员会重点项目 8101004地铁列车在隧道内着火后继续行驶的火灾安全控制研究毛军20100120121240 30说明：1.“项目来源”栏中，限填“国家重大科技专项、国家973计划、国家863计划、国家科技支撑计划，国家自然科学基金、国家社科基金、全国教育科学规划课题；境外合作科研项目；军队工程型号项目、国防973计划、军口863计划、武器装备探索研究项目、武器装备预研项目、武器装备预研基金项目、国防基础科研计划；部委级科研项目；省科技厅项目、省级自然科学基金项目”。
基于离散元法确定隧道岩体力学参数研究
基于离散元法确定隧道岩体力学参数研究周洋洋，高亮，李泰霖，赵玉棣，张福勇，许庆斌（山东高速基础设施建设有限公司，山东济南250001）摘要：确定岩体力学参数是工程安全中要解决的重要问题，并直接影响隧道开挖方式以及支护材料的选用，是工程中实现节能低碳的重要手段。
本文采用离散元软件3DEC进行数值模拟分析，利用该软件内嵌的离散裂隙网络生成模块，并结合现场采集的隧道节理几何参数，创建了近似现场实际裂隙分布情况的节理岩体模型，通过室内试验等手段，获取了较完整岩石及节理的力学参数，构建了多尺寸的随机节理岩体模型。
对模型进行单轴压缩模拟，统计整理各尺寸下模拟结果，分析节理岩体力学参数的尺寸效应，确定节理岩体的表征单元体尺寸，进而确定岩体力学参数。
由数值模拟分析得出结论：运用离散裂隙网络技术可以较好地处理非贯通节理；岩体单轴抗压强度及弹性模量具有尺寸效应，随岩体尺寸增大，单轴抗压强度及弹性模量逐渐减小，最终趋于稳定；确定节理岩体的表征单元体尺寸在8～9m左右，得到节理岩体单轴抗压强度为0.21MPa，弹性模量为1.43GPa。
关键词：离散裂隙网络；尺寸效应；表征单元体尺寸；节理岩体力学参数；低碳节能中图分类号：U451.2 文献标识码：A 文章编号：1673-6478（2023）03-0200-04Determination of Rock Mass Mechanical Parameters of Tunnels Based on DiscreteElement MethodZHOU Yangyang, GAO Liang, LI Tailin, ZHAO Y udi, ZHANG Fuyong, XU Qingbin(Shandong High-speed Infrastructure Construction Co., Ltd., Jinan Shandong 250101, China) Abstract: The determination of the mechanical parameters of rock mass directly affects the tunnel excavation method and the selection of supporting materials, which is an important means to achieve energy conservation and emission reduction in engineering. This paper uses the discrete element software 3DEC for numerical simulation analysis. Using the discrete fracture network generation module embedded in the software and combined with the joint parameters of Qingdao tunnel collected on site, a joint rock mass model similar to the actual fracture distribution on site is created. The mechanical parameters of relatively complete rocks and joints are obtained through laboratory tests, and a multi-dimensional random jointed rock mass model is constructed. This paper carried out uniaxial compression simulation on the model, counted and sorted out the simulation results under various sizes, analyzed the size effect of mechanical parameters of jointed rock mass, determined the characterization unit size of jointed rock mass, and then determined the mechanical parameters of rock mass. From the numerical simulation analysis, it is concluded that the discrete fracture network technology can better deal with non through joints. The uniaxial compressive strength and elastic modulus of rock mass have size effect. With the increase of rock mass size, the uniaxial compressive strength and elastic modulus gradually decrease and finally tend to be stable. It is determined that the characterization unit size of jointed rock mass is about 8～9m, and the uniaxial compressive strength of jointed rock mass is 0.21MPa and the elastic modulus is 1.43GPa.收稿日期：2023-04-04作者简介：周洋洋（1983-），男，山东济南人，硕士，高级工程师，从事公路工程技术研究.（）第3期周洋洋等，基于离散元法确定隧道岩体力学参数研究201 Key words: discrete fracture network; size effect; characterization unit size; mechanical parameters of rock mass; low carbon and energy saving0引言岩体结构特征复杂，结构面及岩石内部存在缺陷使得岩体具有尺寸效应，岩体的尺寸效应是指岩体力学参数随岩石体积的增大而减小的现象。
不同跨径斜交桥动力特性对比分析
图 ７ 跨铁路大桥 Ｆ Ｔ Ｆ 平铺分析结果（０ｍ 跨 ） ４
２ 动 力特 性测 试
脉 动法也称 环境 随 机激振 法 ， 结构 在 环境 扰动 作用 下 ， 如 例 自然风 、 地脉动 、 机器 或车辆引起 的扰 动等 ， 虽然 引起 结构 振动 的 振 幅极 为微 小 ， 脉动 响应所 包含 的频 率成分 相 当丰 富 ， 但 它不 需
Ｏ ｏ ０ Ｏｘ 【】 ００ ０ ００ ０ ｏ０ ｏ ０ｏ ｏ ００ ｏ ００ ０ ｏ０ ０ Ｈｚ
联采 用与全兴高速公路 Ｋ ８＋５９ ３上跨铁路分 离式立交大桥 ５ ５．
相 同的 ４ ０ｍ预制箱梁 （ 图 ３ 。 见 ）
１２ ０ ０ ｌ２ ０ ０
图 ６ 跨铁路大桥脉动 加 速 度 时 程 曲 线 （０ｍ 跨 ） ４
．．
图 ２ 跨公 路大桥 立面 示意图（ 单位 ： ｍ）
其 中一座 由于施工过程 中 ４ ０ｍ跨 径 的箱梁， 向坡 度均 为 ２ ， 中第 ２跨 跨 横 ％ 其 越某铁 路。上部结构 采 用多箱 单独 预制 ， 支安 装 ， 简 现浇 连续 接 头 的先 简支后连续的结构体系 。主要材 料 ： 预应力 混凝 土连续箱 梁 为 Ｃ ０混凝 土 ， ５ 设计荷载 ： 路一 Ｉ 。 公 级 另外一座为跨 公路桥 梁 ， 型布 置为 ２× ０ｍ＋２× ５ｍ 的 桥 ４ ２
测未发现有裂缝产生 。
０Ｏ ．Ｏ ００ ．０ ０ｏ ．ｏ ｏ０ ．０ Ｏｏ ．ｏ ｏ０ ．０ ｏ０ ．０ ｏ０ ．０ ｏｏ ．０ Ｏ０ ．０
图 １ 跨铁 路大桥 立面示意图｛ 单位 ：１ ｎ）
全 州
兴 安
－
０ ０ ． Ｈ ０
０ ０ — — — —— — — —— ～— — —— 一 ０Ｌ —— —— — — — — — —— Ｌ —— Ｊ— — — —— — — ——
不同节理位置及倾角对隧道围岩稳定性的影响分析
桥隧工程觀不同节理位置及倾角对隧道岩稳定性的影响分析贺暄(新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆乌鲁木齐830006)摘要：文章以黄土含节理地区隧道开挖为例，采用有限元软件Midas建立模型，并考虑不同节理节理工况，对隧道围岩及应力变化规律进行了分析。
结果表明：()考节理，对于水移,节理的 会靠近节理一侧拱腰的最大水平移;对于竖向位移，节理的大竖向位移向节理处靠近。
节理在拱腰、拱拱顶，其最大竖向位移比无节理时分别大8.8%、、).3%和).3%,节理在拱肩处应力比拱拱顶时围岩应力分别大3.2%和4.)%。
(2)节理倾角为3)\45\6)°和9)时的最大竖向位移值比节理时分别大23.)%、14.8%、93%和7.4%,随着节理 的增大，最大竖向位移值减小;节理倾角为45j j和90时的最大应力比节理为3)时分别小).4%、11%和2.)%，节理的增大，最大围岩应力，但整化趋势不大。
关键词：隧道工程;黄土;节理;位移;倾角;应力中图分类号：U451+2文献标识码：A DOI：1).13282/ki.wccst.202).)6.)3)文章编号：1673-4874(202))06-)108-)40引言节理是影响岩定性的重要因素之一，不同节理节理对于隧道工程都有较大的影响,西南地区，遍布的黄常常伴有节理，因此，研究黄节理的对隧道稳定性的影响至关重要。
近年来，国内一些对此进行了相关研究:朱劲、张志强等人[1-2]坝湾隧道靠口为研究对象，采用数值模拟的方法研究了地区节理隧道围岩力学响应、变形特性;赵作富、王贵；*3-4+分析隧道向条岩层节理对顶平衡拱围岩应力的影响，研究节理对隧道拱顶围岩稳定性的影响，结果岩、隧道走向与岩向相拱顶围岩的稳定性随节理增大而，隧道走向与岩向垂直时拱顶围岩的稳定性随节理增大而增大；马天辉、[5-6]-围压条，数值模拟了节理岩隧洞围岩损伤破坏过程,研究了节理岩体中隧洞围岩体的破坏机理，分析了岩节理对隧围岩定性的影响规'本文主要以某处黄节理地区隧道开挖为例，通过采用元软件Midas建立模型，并考节理 节理 工况，对隧道围岩及应力变化规律进行了分析，以期研究结果可为类似工程提考鉴。
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結論
三、本組所蒐集的隧道資料都是真實的，希 望能對隧道工程災害的預防及降低經濟 成本有所幫助。
報告完畢．敬請指教
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各隧道類別的總長度為多少
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結論
一、雖然在隧道施工過程中，要完全避免發 生災變，幾乎為不可能，但是在成災之 前防止災變發生仍應是最高處理原則。 二、隧道施工災變所造成的經費及工期損失 極大，如何在技術面與制度面，研發有 效的改善措施，已降低災變發生的機率 並減少其損害性，值得有心從事隧道工 程事業的工程師，持續深入探討。
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針對台灣複雜的地質背景，所以我們乃針 對擠壓、湧水、有害氣體地盤以及地熱之 隧道案例進行蒐集，說明其工程地質背 景、災變歷程與處理過程，以其提供未來 隧道所遭遇問題之借鏡。
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地研院首获国家自然科学基金
地研院首获国家自然科学基金
龚宇
【期刊名称】《重庆国土房产》
【年(卷),期】2011(000)002
【摘要】去年9月，重庆地质矿产研究院双燕博士主持申报的“？骑田岭A型花岗岩岩浆一热液流体演化过程中W、Sn分异机制研究”项目获国家自然科学基金委员会2010年度资助项目，资助经费20万元，这也是局系统首次获得此项基金。
【总页数】2页(P45-46)
【作者】龚宇
【作者单位】不详
【正文语种】中文
【中图分类】G311
【相关文献】
1.浙江农林大学首获国家自然科学基金重大项目课题资助 [J], 蒋挺
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现代隧道技术MODERN TUN NELLING TECHNOLOGY两组耦合节理工况下隧道变形的数值研究石益东1李志忠2李军2桑运龙3（1内蒙古建筑职业技术学院，呼和浩特010010；2内蒙古交通设计研究院有限责任公司，呼和浩特010010；3上海同岩土木工程科技有限公司，上海200092）两组耦合节理工况下隧道变形的数值研究摘要文章以玉山县高竹山隧道的围岩节理特征为基础，采用离散元软件UDEC 建立二维计算模型，通过计算不同工况下的拱顶塌落高度值，研究了两组节理耦合工况下节理倾角、间距对隧道变形的影响。
研究结果表明，随节理倾角的增大，塌落高度先增大（0°~30°时）后减小（30°~45°时）最后再增大（45°~90°时），且节理倾角为60°时塌落高度计算值与普氏理论值最为接近；当节理间距在0.2~1.0m 范围内时，随节理间距的增大塌落高度呈非线性减小；当间距接近1.0m 时，塌落高度降幅不明显；当间距不大于0.2m 时，计算值与普氏理论值最为接近。
关键词公路隧道节理围岩变形塌落高度中图分类号：U451+.2文献标识码：A文章编号：1009-6582（2014）06-0089-05修改稿返回日期：2013-11-18作者简介：石益东（1978-），男，硕士研究生，讲师，主要从事土木工程施工技术研究工作，E-mail ：shiyidong2013@.DOI:10.13807/ki.mtt.2014.06.0151引言在地应力的长期作用下，岩体内部发育着各种不同规模的地质界面，如断层、节理、层面及软弱夹层等。
这类结构软弱面的存在破坏了岩体的整体性，使岩体的强度要远低于岩石强度，直接影响到岩体力学性质和破坏方式。
已有研究表明，当岩体中具有断层时，断层对岩体破坏有很强的控制作用；当不存在断层时，则节理对岩体破坏具有控制作用。
目前，国内外不少专家，通过模型试验、数值模拟的研究手段得出，节理倾角、间距等参数对岩土工程的形变与稳定性最为明显[1~6]。
杨伟峰等（2009）在模型试验中，通过正交试验的参数组合研究了裂隙间距取2m 或3m ，深埋巷道轴线与裂隙走向方位取平行或相交，裂隙面夹角为0°，30°，60°或90°时裂隙产状对隧道稳定性的影响[7]。
徐营、张子新（2010）对单组节理、不同倾角工况下的块裂结构岩质地下洞室进行了物理相似模拟试验，得到了洞室上覆岩层的运动行为和松动区的变化规律，并对松动区界限建立了初步数学模型[8]。
同济大学的刘学增、陈国柱、李军等人（2011~2013）通过现场节理描述、实测变形数据分析、室内模型试验、数值模拟计算多种手段研究了不同节理组数、倾角、间距工况下的节理发育特征对隧道变形的影响规律，并提出了普氏公式中对塌落拱高度计算的修正方法；但是对于两组节理的工况，刘学增等人考虑工况过少，适用性不强[9~11]。
在实际工程中，往往是两组，甚至多组节理同时存在，这类工况对地下工程的影响更为复杂，上述研究多是针对单组节理的理想工况展开研究，或是两组节理耦合的工况过少，研究成果对实际工程的指导性不强。
因此，本文依托玉山县高竹山隧道在建工程，对节理产状（走向、倾向、倾角）等数据进行现场采集，并选取典型断面，建立数值模型，研究两组节理耦合工况下，节理倾角、间距两因素对隧道围岩变形的影响，不仅可以为高竹山隧道的安全施工提供指导，还能在一定程度上完善节理特征对隧道围岩变形影响的研究成果。
2工程概况与计算模型2.1工程背景现代隧道技术MODERN TU NNELLING TECHNOLOGY两组耦合节理工况下隧道变形的数值研究玉山县高竹山隧道是一座上下行分离的四车道高速公路隧道。
该隧道进洞口位于玉山县大丘田东南面约300m 处，出洞口位于德兴市下呈村西北面约600m 处。
隧道起讫里程桩号为：左洞ZK11+945～ZK12+749，长804m ；右洞YK12+026～YK12+769，长743m 。
因为两条隧道左右线相近断面开挖时间间隔长，所以在计算和分析中，只考虑节理发育对单洞变形的影响。
2.2断面选取通过现场调研后，本文取玉山县高竹山隧道ZK11+957断面为基础，研究两组节理耦合工况下隧道的变形特征。
该段围岩级别为Ⅳ级，隧道埋深19.69m ，开挖高度10.16m ，宽12.62m ，掌子面分布有两组节理，走向/倾向/倾角分别为130°/40°∠60°，148°/58°∠60°，节理间距最小约0.4m ，掌子面实拍照片及地质素描如图1所示。
依据《JTGD70-2004公路隧道设计规范》（下文简称“规范”）中对岩体完整程度的定性划分可知，该断面附近岩体属于较破碎岩体[12]。
此外，断面附近岩体无填充物，较干燥，力学性质呈剪性，内摩擦角为30°。
图1高竹山右线ZK11+957处掌子面节理素描Fig 1Sketches of the joints at ZK11+957in the right line ofthe Gaozhushan tunnel2.3计算模型与工况选择本文选取UDEC 软件，进行两组节理耦合工况下隧道变形的二维分析。
地层计算范围为：上边界取至地面，两侧取两倍洞径，下边界取一倍洞高。
模型左右两侧施加x 方向的固定约束，底部施加y 方向的固定约束。
围岩材料选取块体模型中的弹性材料模型，节理选取节理模型中的弹性-完全塑性（库伦滑动）材料模型。
岩体及节理面力学参数见表1，表2。
本文拟先对现场工况（节理1/节理2倾角：60°/60°，间距：0.8m ）进行计算，随后改变两组节理倾角的表1围岩块体参数Table 1Parameters of the surrounding rock表2节理力学参数Table 2Mechanical parameters of the joint组合及节理间距，进行延伸计算，研究两组节理耦合工况下，隧道围岩的变形特征。
具体工况见表3。
表3计算工况Table 3Calculation conditions 注：①0°/0°即一组水平节理；②90°/90°即一组垂直节理.3计算结果分析本文拟利用数值分析的手段，对隧道开挖后的塌落高度、松动范围进行对比分析，研究两组节理耦合工况下，节理倾角、间距对围岩变形的影响。
基于现场工况及围岩力学参数，笔者参照普氏理论与国内经验系数（围岩坚固系数取3），计算得到塌落高度的理论值h 0=4.058m ，并与数值分析得到的计算值对比，探讨不同工况下的拱顶塌落高度值。
材料体积模量/GPa 剪切模量/GPa 密度/(kg/m 3)泊松比凝灰岩2.871.1725000.32材料法向刚度/(GPa/m)剪切刚度/(GPa/m)粘聚力/Pa 内摩擦角/(°)节理31100030工况性质节理1节理2间距/m现场工况60°60°0.4倾角变化30°0°0.430°30°0.430°45°0.430°60°0.430°90°0.445°45°0.490°90°0.40°0°0.4间距变化30°30°130°30°0.830°30°0.630°30°0.430°30°0.2现代隧道技术MODERN TUN NELLING TECHNOLOGY两组耦合节理工况下隧道变形的数值研究3.1不同节理倾角对隧道变形的影响在不改变边界条件、力学参数的前提下，设定节理间距为0.4m ，改变节理的倾角，进行计算，深入分析节理倾角对隧道开挖后变形的影响。
不同工况下地层塌落高度与松动范围如图2所示。
图2随倾角变化的地层松动范围云图Fig.2Contour of the loose scope under dip angle variations依据图2位移云图，可以得到不同工况下隧道塌落高度值（简称计算值），详见表4及图3。
分析上述图表，可以得出两组节理间距均为0.4m 时，不同节理倾角对隧道变形的影响，并具有如下规律：表4不同倾角工况下拱顶的塌落高度（m ）Table 4Collapse heights of the vault at differentdip angles图3节理倾角与隧道拱顶沉降关系曲线Fig.3Curves of the joint dip angle vs.vault collapse（1）单组节理变化与两组节理同步变化，具有相同的趋势：随节理倾角的增大，塌落高度（计算值）先增大（0°~30°）后减小（30°~45°）最后再增大（45°~90°）；0°，45°工况较为稳定；节理倾角大于50°后，塌落高度增幅速率明显提升，90°倾角时出现冒顶，最为不利。
（2）两组节理倾角均为60°时，塌落高度计算值与理论值最为接近，误差约为16%；当节理倾角均小于60°时，计算值远小于理论值，误差达到50%以上；节理倾角大于60°时，计算值远大于理论值。
3.2节理间距对隧道变形的影响在不改变边界条件和力学参数的前提下，设定两组节理倾角分别为30°/30°，改变其节理间距值（但不超过规范中所规定的较破碎岩体的限值0.2~1.0m ）进行计算，深入分析节理间距对隧道开挖后变形的影响。
不同工况下地层松动范围与塌落高度云图如图4所示。
分析图4位移云图，可以得到开挖后隧道塌落高度与松动范围（表5），并绘制出节理间距-地层塌落高度关系曲线（图5）。
节理倾角/（°）30/030/3030/4530/6030/90计算值/m 0.597 1.7920.957 2.628冒顶相对误差/（%）85.2955.8476.4235.24-节理倾角/（°）0/030/3045/4560/6090/90计算值/m 0.078 1.792 1.513 4.714冒顶相对误差/（%）98.0855.8462.72-16.16-现代隧道技术MODERN TU NNELLING TECHNOLOGY两组耦合节理工况下隧道变形的数值研究图4随节理间距变化的地层松动范围云图Fig.4Contour of loose scope under joint spacing variations表5不同节理间距工况下拱顶的塌落值Table 5Collapse at the vault for different joint spacings图5节理间距与隧道拱顶沉降关系曲线Fig.5Curves of joint spacing vs.vault collapse分析表、图5可以得到，两组节理倾角同为30°时，且节理间距处于0.2~1.0m 范围内时，不同节理间距对隧道变形的影响具有如下规律：（1）塌落高度计算值与节理间距满足非线性关系：随节理间距的增大，塌落高度不断减小，且减小速率明显降低，当间距接近1.0m 时，塌落高度降幅不明显，基本稳定。