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Analytical solutions for the restraint effect of isolation piles against tunneling-induced vertical ground displacements

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Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 2023年第10期15卷 2582-2596页

作者： Liqiang Cao Xiangsheng Chen Xing-Tao Lin Dong Su huangcheng fang Dechun Lu Institute of Geotechnical and Underground Engineering Beijing University of TechnologyBeijing100124China Underground Polis Academy Shenzhen UniversityShenzhen518060China College of Civil and Transportation Engineering Shenzhen UniversityShenzhen518060China Department of Civil and Environmental Engineering The Hong Kong Polytechnic UniversityHung HomKowloonHong KongChina

This paper presents a simplified elastic continuum method for calculating the restraint effect of isolation piles on tunneling-induced vertical ground displacement,which can consider not only the relative sliding of the pile‒soil interface but also the pile rowesoil interaction.The proposed method is verified by comparisons with existing theoretical methods,including the boundary element method and the elastic foundation method.The results reveal the restraining mechanism of the isolation piles on vertical ground displacements due to tunneling,i.***.the positive and negative restraint effects exerted by the isolation piles jointly drive the ground vertical displacement along the depth direction from the original tunneling-induced nonlinear variation situation to a relatively uniform situation.The results also indicate that the stiffness of the pile‒soil interface,including the pile shaft‒surrounding soil interface and pile tip-supporting soil interface,describes the strength of the pile‒soil interaction.The pile rows can confine the vertical ground displacement caused by the tunnel excavation to the inner side of the isolation piles and effectively prevent the vertical ground displacement from expanding further toward the outer side of the isolation piles.

关键词： Restraining mechanism Restraint effect Isolation piles Ground displacement Tunneling

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浅埋隧道开挖扰动下含空洞地层位移响应解析

中南大学学报（自然科学版） 2023年第3期54卷 1109-1120页

作者：孙凡文张顶立方黄城北京交通大学土木建筑工程学院城市地下工程教育部重点实验室北京100044

针对非圆形地层空洞问题,提出一种全新的基于几何边界拆分的子域分解方法。该方法将含空洞的浅埋隧道多连通区域以几何边界为单位分解成1个半无限域与若干个含孔洞的无限域,并结合Schwarz交替法建立适用于含非圆形空洞地层位移响应分析... 详细信息

针对非圆形地层空洞问题,提出一种全新的基于几何边界拆分的子域分解方法。该方法将含空洞的浅埋隧道多连通区域以几何边界为单位分解成1个半无限域与若干个含孔洞的无限域,并结合Schwarz交替法建立适用于含非圆形空洞地层位移响应分析的一般性解析方法。通过与数值模拟的计算结果相对比,验证本文方法的精确性。最后,利用本文方法对含非圆形空洞地层的地表变形响应进行系统性参数分析。研究结果表明:(1)非圆形空洞对地表沉降的影响较圆形空洞更为显著,其主要因素来源于空洞的高跨比而非空洞形状本身,随着空洞高跨比的减小,空洞对地层沉降影响愈加明显。(2)在不同空洞姿态的工况中,椭圆形空洞长轴处于水平状态时对地表沉降的影响最为显著;(3)空洞与隧道之间的距离大于4倍洞径时,对地层沉降造成的影响可以忽略不计。

关键词：浅埋隧道非圆形孔洞子域分解法复变函数理论 Schwarz交替法

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水平互层围岩隧道破坏机理及其范围预测模型

力学学报 2022年第10期54卷 2835-2849,I0004页

作者：王嘉琛张顶立孙振宇方黄城刘昌北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044

水平互层围岩因其显著的层理构造,导致其破坏形式相较于均质围岩有较大区别.目前针对水平互层围岩的研究集中在单一破坏模式,未考虑破坏形式的多样性.为探究水平互层围岩的破坏范围,首先按其层理面划分为单层围岩进行分析,将围岩破坏分... 详细信息

水平互层围岩因其显著的层理构造,导致其破坏形式相较于均质围岩有较大区别.目前针对水平互层围岩的研究集中在单一破坏模式,未考虑破坏形式的多样性.为探究水平互层围岩的破坏范围,首先按其层理面划分为单层围岩进行分析,将围岩破坏分为拉破坏、楔形剪切破坏和拱形剪切破坏3种典型模式,分别建立了岩梁受拉分析模型和拱形关键块剪切分析模型进行分析,提出了相应的破坏准则,并引入塌落系数和临界高度对不同破坏模式的孕育条件进行研究,将此方法应用于矿井巷道和隧道工程实例中,与既有方法进行比较,验证了单层围岩破坏机理模型的可靠性,同时代入离层破坏算例中验证其实用性.并以此为基础,结合破坏范围层间连续条件和破坏休止条件建立水平互层围岩破坏预测模型,将上述水平互层围岩破坏模型应用于补连塔矿巷道实例.结果表明本文预测的水平互层围岩破坏范围与数值模拟结果、真实塌落情况吻合较好.研究成果可为水平互层围岩隧道支护方案设计提供理论基础.

关键词：围岩破坏机理互层围岩塌落范围理论分析工程实例验证

任意多孔条件下围岩力学分析的非迭代解析方法

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岩石力学与工程学报 2020年第11期39卷 2204-2212页

作者：方黄城张顶立文明胡昕宇北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044

多孔条件下的围岩力学分析对隧道施工安全具有重要意义,目前常用的Schwarz交替法在求解多孔问题时,其精度受迭代次数影响且计算过程复杂,不适合工程应用。为此,基于解析函数的多级数展开原理建立任意多孔条件下围岩力学分析的非迭代求... 详细信息

多孔条件下的围岩力学分析对隧道施工安全具有重要意义,目前常用的Schwarz交替法在求解多孔问题时,其精度受迭代次数影响且计算过程复杂,不适合工程应用。为此,基于解析函数的多级数展开原理建立任意多孔条件下围岩力学分析的非迭代求解方法。该方法将解析函数在每一个孔洞上单独进行Laurent级数展开,从而精确地表达了整个多连通区域内的应力与位移场。通过对每个孔洞单独进行保角变换,建立各个孔口的应力与位移边界条件。最后,利用Fourier变换技术将边界条件转化到频域上进行分析,从而求解解析函数中所有的待定系数。该方法中每个孔口的保角变换都相互独立,因而可以处理各种复杂形状的多孔问题。整个求解过程不需要进行任何迭代即可获得精确的应力与位移解答,求解过程简单高效、适合隧道工程应用。

关键词：岩石力学任意形状多孔条件围岩力学分析复变函数频域分析

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隧道支护结构体系的刚度设计理论

岩石力学与工程学报 2021年第4期40卷 649-662页

作者：张顶立方黄城陈立平孙振宇北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044

隧道围岩变形是支护荷载的来源,也是诸多安全事故产生的根源,因此隧道工程设计应以围岩变形控制为核心。围岩变形本质上就是在不平衡力作用下围岩发生运动的结果,这是隧道围岩变形的根源,其变形量大小是围岩荷载与支护抗力博弈的结果,... 详细信息

隧道围岩变形是支护荷载的来源,也是诸多安全事故产生的根源,因此隧道工程设计应以围岩变形控制为核心。围岩变形本质上就是在不平衡力作用下围岩发生运动的结果,这是隧道围岩变形的根源,其变形量大小是围岩荷载与支护抗力博弈的结果,并且在围岩的不同变形阶段表现出较大的差异性;基于牛顿第二定律建立围岩变形的动力学分析概念模型,获得围岩变形演化特征方程,可对围岩变形过程进行预测和安全性评估;在给定的地层和工程条件下,由支护刚度所决定的抗力决定了围岩变形量,为此提出可以满足隧道围岩变形分布支护需求的支护刚度分布,由此形成以围岩变形控制为目标的支护刚度设计准则;针对支护系统刚度提升后所造成的支护结构荷载增大的事实,建立结构强度校核方法,可据此对支护刚度和变形控制目标进行调整,并构建了相应的支护刚度设计流程。基于上述基本理念,形成"围岩变形控制为目标,支护刚度设计为核心和强度校核作保障"的理论体系。最后,针对复杂隧道围岩大变形和严重超前破坏的特点,创建围岩与支护结构系统的协同控制理论与设计方法。

关键词：隧道工程 “支护–围岩”关系围岩变形机制支护系统刚度协同控制理论

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海底隧道突水演化机制与过程控制方法

岩石力学与工程学报 2020年第4期39卷 649-667页

作者：张顶立孙振宇宋浩然方黄城北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044

突涌水灾害是海底隧道施工面临的核心技术难题,能否成功处置直接影响到工程建设的成败。鉴于此,本文通过对突水事故案例及发生条件的分析,建立3种模式的突水机制模型,分别揭示水力劈裂型、地层坍塌型和界面滑移型突水的演化机制及本质特... 详细信息

突涌水灾害是海底隧道施工面临的核心技术难题,能否成功处置直接影响到工程建设的成败。鉴于此,本文通过对突水事故案例及发生条件的分析,建立3种模式的突水机制模型,分别揭示水力劈裂型、地层坍塌型和界面滑移型突水的演化机制及本质特点,提出以地层变形作为突水灾害过程特征参数;基于能量守恒原理揭示海底隧道上覆地层变形的传递规律,提出分层沉降的计算方法;建立海床安全性与隧道围岩变形的对应关系,其中包括地层开裂与变形、海床沉降与隧道拱顶沉降的关系,由此可对施工过程中的突水灾害进行实时预测和评估;提出以水致灾害作为核心安全风险,并基于变位分配原理提出分阶段过程控制方法。针对复杂水域条件,提出包括精细勘察和精准预报在内的地质保障技术,建立突涌水风险等级评价方法。最终形成了以地层变形控制为核心的海底隧道精细化过程控制技术体系,将其应用于厦门翔安海底隧道穿越F1风化槽段,实现了毫米量级的精细化控制,确保了工程安全。

关键词：隧道工程海底隧道水致灾害突水机制地层变形海床沉降过程控制

基于约束随机场理论的隧道围岩参数空间变异性优化分析

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现代隧道技术 2021年第1期58卷 99-108页

作者：文明张顶立方黄城于富才刘艳北京市安全生产科学技术研究院北京101101 北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044

针对传统随机场模拟围岩参数空间变异性中存在的地勘数据使用效能不充分问题,文章通过将Karhunen-Loève级数展开法与克里金插值法有机结合,发展了基于采样数据的约束随机场生成方法,并与蒙特卡洛模拟、非侵入式随机有限差分分析和地层... 详细信息

针对传统随机场模拟围岩参数空间变异性中存在的地勘数据使用效能不充分问题,文章通过将Karhunen-Loève级数展开法与克里金插值法有机结合,发展了基于采样数据的约束随机场生成方法,并与蒙特卡洛模拟、非侵入式随机有限差分分析和地层结构模型相结合,实现了基于约束随机场理论的围岩参数空间变异性优化分析模型。运用该模型对贺街隧道施工过程中围岩的力学响应进行可靠性分析,结果证明:通过约束指定位置处的围岩力学参数值,该优化模型可以最大限度地将己知信息纳入可靠性分析框架中,减小与实际情况的离散性,提高可靠性分析的计算精度。

关键词：隧道工程空间变异性 Karhunen-Loève级数展开地勘数据约束随机场克里金插值法

隧道围岩变形的非线性自回归时间序列预测方法研究

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北京交通大学学报 2017年第4期41卷 1-7页

作者：文明张顶立房倩齐俊方黄城陈文博北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044 中国中铁工程设计咨询集团有限公司北京100055

针对传统时间序列预测模型的单一线性和忽略施工过程影响的静态局限性,提出非线性自回归(包括NARNN与NARXNN)时间序列预测模型.该模型通过引入动态施工影响因子作为附加的外部输入,同时结合模型本身的反馈结构和延迟单元,在结构和动态... 详细信息

针对传统时间序列预测模型的单一线性和忽略施工过程影响的静态局限性,提出非线性自回归(包括NARNN与NARXNN)时间序列预测模型.该模型通过引入动态施工影响因子作为附加的外部输入,同时结合模型本身的反馈结构和延迟单元,在结构和动态特性上更加符合实际系统,可以非线性动态地考虑隧道施工全过程.运用该模型对史家山2号隧道施工过程中的围岩水平收敛和地表变形进行预测.结果表明:1)非线性自回归预测模型比传统的ARMA预测模型的预测精度高、适应性好;2)通过多次预测并对结果取平均值,可以保证非线性自回归预测模型预测结果的预测精度和稳健性;3)通过优化动态施工影响因子的取值方法,可以进一步提高NARXNN时间序列预测模型的预测精度.

关键词：公路隧道时间序列模型非线性自回归神经网络动态施工影响因子围岩变形预测

隧道开挖影响下地层-基础体系的接触力学响应分析

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力学学报 2021年第8期53卷 2298-2311页

作者：洪学飞张顶立方黄城房倩周墨臻侯艳娟孙振宇北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044

针对隧道正交下穿既有结构施工力学响应的预测问题,建立了考虑多体接触作用的隧道施工扰动下地层-基础体系力学响应解析预测方法.该方法将地层视为均匀各向同性的线弹性体,通过引入接触理论考虑地层与基础间的接触作用,并提出"隧道开挖... 详细信息

针对隧道正交下穿既有结构施工力学响应的预测问题,建立了考虑多体接触作用的隧道施工扰动下地层-基础体系力学响应解析预测方法.该方法将地层视为均匀各向同性的线弹性体,通过引入接触理论考虑地层与基础间的接触作用,并提出"隧道开挖与基础作用换序求解"的新解析思路,确定了最终状态接触压力,解决了隧道开挖及多体接触耦合作用下接触压力难以确定的问题,进而依据弹性力学解的叠加性获得目标问题的解析解答.通过对比该解析解与ABAQUS数值解,发现两者吻合良好.基于本方法开展参数分析,研究了地层参数、隧道埋深、隧道边界径向位移以及外荷载集度对地表竖向附加位移、接触压力和基础内力分布的影响规律.结果表明:本方法可准确预测地层-基础体系的接触力学响应,实现了地层与基础间接触力学行为的量化描述;地层杨氏模量和泊松比对地层-基础体系力学响应的影响分别侧重于变形和受力,而隧道埋深和隧道边界径向位移变化对受力变形均有较大影响;地层位移受隧道开挖扰动与多体接触效应的耦合作用,且接触影响范围局限在接触区域附近;隧道开挖使接触压力产生"中间释放、端部集中"的重分布现象,并由此造成基础内力的大幅增长.当开挖扰动剧烈时,甚至产生竖向位移不连续的脱空接触现象.研究成果对城市浅埋隧道施工影响下地层-基础体系力学响应预测具有重要的理论意义和应用价值.

关键词：浅埋隧道施工土-结相互作用接触力学力学响应解析理论