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隧洞围岩大变形机制、挤压大变形预测及应用

岩石力学与工程学报 2023年第3期42卷 521-544页

作者：丁秀丽张雨霆黄书岭池建军张传健刘登学长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室湖北武汉430010 中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222 长江勘测规划设计研究有限责任公司湖北武汉430010

未来较长一段时期,我国水利水电和公路铁路行业还存在建设大量隧洞(道)工程的需求。围岩大变形是隧洞工程建设中时常遇到且最难控制的灾害之一。以隧洞围岩大变形为研究对象,首先,系统分析大变形概念的由来和演变过程,提出应从岩体变形... 详细信息

未来较长一段时期,我国水利水电和公路铁路行业还存在建设大量隧洞(道)工程的需求。围岩大变形是隧洞工程建设中时常遇到且最难控制的灾害之一。以隧洞围岩大变形为研究对象,首先,系统分析大变形概念的由来和演变过程,提出应从岩体变形影响效应及其工程意义来定义围岩大变形,再通过分类来辨别大变形的发生条件和力学机制。在系统梳理国内外已建工程案例和作者团队参与的典型隧洞围岩大变形工程实践基础上,依据国内外48个隧洞工程的241个洞段案例信息,详细论述围岩大变形的影响因素和发生条件,阐明8种基于赋存环境条件(地应力、地下水)和围岩条件(岩性、水岩作用效应、岩体结构)协同或单独作用的围岩大变形发生机制,进而揭示了内蕴于每种发生机制中的本质原因,提出基于变形成因的围岩大变形分类思路,将围岩大变形划分为挤压、膨胀、松动和复合共4种类型,并论述每种围岩大变形的特征和不同类型大变形的区别。然后,针对挤压型大变形,总结分析了国内外与挤压变形相关的判据,提出了基于强度应力比法的判据阈值、考虑地应力侧压系数的大变形应力判别条件、以及挤压变形改进预测公式。最后,将所提判据和预测公式应用于滇中引水工程香炉山隧洞大埋深洞段的围岩挤压变形判别和预测,验证所提方法的可靠性。

关键词：岩石力学隧洞围岩大变形发生机制挤压型大变形判据预测方法

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隧洞开挖重复爆炸荷载作用下围岩累积损伤特性

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岩土力学 2014年第2期35卷 511-518页

作者：杨建华卢文波胡英国陈明严鹏武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室武汉430072 武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室武汉430072

隧洞毫秒爆破开挖推进过程中，预留岩体在重复爆炸荷载作用下产生不可逆的损伤叠加。而现有的岩体爆破损伤数值模拟基本都是针对单孔装药和单段爆破，很少涉及实际工程中的重复爆炸。基于LS-DYNA程序的用户自定义材料接口，将统计损伤... 详细信息

隧洞毫秒爆破开挖推进过程中，预留岩体在重复爆炸荷载作用下产生不可逆的损伤叠加。而现有的岩体爆破损伤数值模拟基本都是针对单孔装药和单段爆破，很少涉及实际工程中的重复爆炸。基于LS-DYNA程序的用户自定义材料接口，将统计损伤演化模型嵌入到弹塑性本构材料中，模拟圆形隧洞全断面毫秒爆破过程中重复爆炸荷载作用下的岩体累积损伤效应，并考虑地应力对岩体爆破损伤的影响。计算结果表明，围岩损伤范围和损伤程度随重复爆炸荷载次数而增加，在一个爆破进尺内，围岩损伤的临界峰值质点振动速度较单段爆破降低了12%；爆炸荷载作用下，围岩主要表现为拉损伤，围岩地应力对爆破张拉效应起到非常敏感的“抑制”作用，在2～10 MPa应力水平时，围岩爆破累积损伤范围随着应力增加而明显减小，围岩损伤的临界峰值质点振动速度增加24%～57%。

关键词：岩石力学爆破开挖隧洞累积损伤数值模拟

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隧洞块体破坏过程及稳定评价的数值方法研究

湖南大学学报（自然科学版） 2020年第5期47卷 31-38页

作者：陈世杰肖明陈俊涛武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室湖北武汉430072 武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室湖北武汉430072

为分析块体在复杂围岩作用下的破坏形态及稳定性,提出一种基于连续介质力学的块体破坏数值分析方法.首先,在已有的单元重构-节点分离的结构面建模方法基础上,实现基于网格的块体识别;其次,基于显式求解的接触力算法,推导多种接触状态下... 详细信息

为分析块体在复杂围岩作用下的破坏形态及稳定性,提出一种基于连续介质力学的块体破坏数值分析方法.首先,在已有的单元重构-节点分离的结构面建模方法基础上,实现基于网格的块体识别;其次,基于显式求解的接触力算法,推导多种接触状态下的接触力表达式,并提出块体和围岩的接触分析方法;然后,采用结构面强度折减法求解块体安全系数.该数值分析方法可同时计算围岩和块体的变形特性.通过一个块体沿双面滑动的简单算例也论证了在一定条件下,数值计算可得到与刚体极限平衡法一致的结果;最后,结合某一断层穿过的隧洞工程,分析其开挖后的围岩及块体稳定性.结果表明,该数值方法有效反映了围岩应力和变形对块体稳定性的影响;关键块体发生破坏后,潜在危险块体发生较大变形,局部安全系数低.该数值方法为复杂地质条件下隧洞块体稳定性评价提供了一种有效的分析思路.

关键词：隧洞块体接触力算法稳定性分析强度折减法数值方法

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隧洞施工开挖过程初次支护时机选择方法

中南大学学报（自然科学版） 2015年第8期46卷 3075-3082页

作者：苏凯崔金鹏张智敏武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室湖北武汉430072

建立某隧洞的二维和三维数值模型,分别以开挖荷载释放率和掌子面与监测断面间的距离为控制参数,研究二维数值分析中的最佳初次支护时机问题和三维数值分析中的开挖面空间效应问题,并从隧洞开挖过程中围岩的变形规律出发,分析开挖荷载释... 详细信息

建立某隧洞的二维和三维数值模型,分别以开挖荷载释放率和掌子面与监测断面间的距离为控制参数,研究二维数值分析中的最佳初次支护时机问题和三维数值分析中的开挖面空间效应问题,并从隧洞开挖过程中围岩的变形规律出发,分析开挖荷载释放率和掌子面与监测断面间距离之间的关系。提出位移完成率的概念,并以此构建开挖荷载释放率和掌子面与监测断面间距离之间的对应关系,最终给出基于位移完成率的最佳初次支护时机选择方法。研究结果表明:不同支护时机下围岩稳定性差别明显;随着开挖荷载释放率的增大和开挖过程中掌子面的推进,监测断面的围岩位移不断增大直至最终稳定。

关键词：隧洞初次支护时机位移完成率开挖面效应三维数值分析

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隧洞围岩损失位移估计的智能优化反分析

岩土力学 2013年第5期34卷 1383-1390页

作者：张研苏国韶燕柳斌广西大学土木建筑工程学院南宁530004 广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验室南宁530004 广西大学广西防灾减灾与工程安全重点实验室南宁530004

隧洞开挖过程中围岩监测断面的布置一般滞后于掌子面开挖,监测断面布置前围岩已发生的位移称为损失位移。采用优化反分析思路求取损失位移,该思路将损失位移的求解转化为以实测位移与计算位移的误差作为目标函数、岩体力学参数作为决策... 详细信息

隧洞开挖过程中围岩监测断面的布置一般滞后于掌子面开挖,监测断面布置前围岩已发生的位移称为损失位移。采用优化反分析思路求取损失位移,该思路将损失位移的求解转化为以实测位移与计算位移的误差作为目标函数、岩体力学参数作为决策变量的全局优化反分析问题。针对该全局优化反分析问题是一类高度非线性多峰值且计算代价较高的优化问题,将性能优异的粒子群优化算法与高斯过程机器学习方法相融合,结合FLAC3D数值计算程序,提出隧洞围岩损失位移优化反分析的粒子群-高斯过程-FLAC3D智能协同优化方法。算例研究表明,该方法是可行的,不仅能获得可靠的损失位移预测结果,而且可获取合理的围岩计算模型力学参数,具有全局性好、计算效率高的特点,克服了传统优化反分析方法容易陷入局部最优或过于依赖初始学习样本的局限性。将该方法应用到锦屏二级水电站辅助洞BK14+599断面的损失位移反分析,获得了该断面围岩的损失位移和力学参数,其中,损失位移较大,原因在于岩体开挖后在短时间内弹性变形大。因此,对于地下工程,特别是深部地下岩体工程,在围岩稳定性评价与围岩参数反分析中,损失位移不可忽视,应给予足够重视。

关键词：隧洞损失位移反分析粒子群算法高斯过程

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隧洞豆砾石灌浆软模止浆梗初步设计

岩石力学与工程学报 2001年第2期20卷 208-211页

作者：苏枢成保才孙文安张俊杰山西省万家寨引黄工程管理局太原030012

掘进机在隧洞施工中的应用方法是在掘进后 ,紧跟着安装钢筋混凝土预制管片、回填豆砾石和进行水泥灌浆。由于灌浆时无止浆梗 ,运用这种方法存在隧洞顶部不易填满豆砾石 ,特别是灌浆不密实等缺陷。为此提出了应用软模砂浆止浆梗进行豆砾... 详细信息

掘进机在隧洞施工中的应用方法是在掘进后 ,紧跟着安装钢筋混凝土预制管片、回填豆砾石和进行水泥灌浆。由于灌浆时无止浆梗 ,运用这种方法存在隧洞顶部不易填满豆砾石 ,特别是灌浆不密实等缺陷。为此提出了应用软模砂浆止浆梗进行豆砾石灌浆的设计 ,使豆砾石灌浆体的强度、抗渗性。

关键词：掘进机豆砾石灌浆软模止浆梗隧洞施工

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隧洞结构受力及变形特征的离心模型试验研究

清华大学学报（自然科学版） 2001年第8期41卷 110-112,116页

作者：周小文濮家骝长江科学院武汉430010 清华大学水利水电工程系北京100084

随着地下工程建筑的不断发展 ,对地下结构受力和变形估计的要求由定性走向定量 ,为此 ,结合一拟建大型地下隧洞工程 ,通过离心模型试验 ,研究了砂土中隧洞衬砌的土压力和变形特征以及施工间隙的影响。试验共做了 3个模型 ,分别模拟无间... 详细信息

随着地下工程建筑的不断发展 ,对地下结构受力和变形估计的要求由定性走向定量 ,为此 ,结合一拟建大型地下隧洞工程 ,通过离心模型试验 ,研究了砂土中隧洞衬砌的土压力和变形特征以及施工间隙的影响。试验共做了 3个模型 ,分别模拟无间隙以及间隙高度为 10 cm和 2 0 cm的情况。试验结果表明 ,隧洞周围砂土通过发挥拱效应 ,在很小的支护压力下能够保持稳定 ,临界支护压力不仅远小于原位土压力 ,也远小于

关键词：隧洞土压力变形离心模型试验支护压力初砌施工间隙输水隧洞

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隧洞开挖爆破空气超压诱发围岩振动机理

振动与冲击 2017年第12期36卷 12-17页

作者：陈明何文学卢文波王高辉郭天阳冷振东武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室武汉430072 武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室武汉430072

基于河北丰宁抽水蓄能电站地质探洞中爆破试验获取的监测数据,理论分析和数值模拟研究了隧洞开挖爆破空气冲击波超压诱发围岩振动的机理及特性。结果表明,小断面隧洞爆破空气冲击波超压较大并将诱发围岩振动,该振动具有振速高、持续时... 详细信息

基于河北丰宁抽水蓄能电站地质探洞中爆破试验获取的监测数据,理论分析和数值模拟研究了隧洞开挖爆破空气冲击波超压诱发围岩振动的机理及特性。结果表明,小断面隧洞爆破空气冲击波超压较大并将诱发围岩振动,该振动具有振速高、持续时间长和衰减慢等特征;空气冲击波超压诱发的围岩受迫振动发生时间受空气冲击波传播速度控制;诱发振动可分为空气冲击波超压作用于前部围岩产生并经围岩传播过来的振动,和空气冲击波超压传播到围岩壁面直接引起的振动。数值模拟发现受迫振动经围岩传播时衰减很快,所以测点的振动主要是由于空气冲击波超压直接作用于洞壁造成的围岩振动。

关键词：钻孔爆破隧洞振动速度空气冲击波超压

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隧洞围岩分类与洞径和超欠挖之间的关系研究

岩土力学 2005年第8期26卷 1278-1282页

作者：孙少锐吴继敏魏继红河海大学岩土工程研究所南京210098 河海大学土木工程学院南京210098

岩体的地质结构特征是影响隧洞围岩超欠挖的主要因素,正确评价岩体的质量,对岩体进行分类,并研究岩体质量与隧洞超欠挖之间的关系对分析和预测隧洞超欠挖具有重要的意义。对隧洞围岩的RMR分类和Q分类与超欠挖之间的关系进行了详细研究,... 详细信息

岩体的地质结构特征是影响隧洞围岩超欠挖的主要因素,正确评价岩体的质量,对岩体进行分类,并研究岩体质量与隧洞超欠挖之间的关系对分析和预测隧洞超欠挖具有重要的意义。对隧洞围岩的RMR分类和Q分类与超欠挖之间的关系进行了详细研究,研究了在同类岩体条件下不同开挖洞径与隧洞超欠挖之间的关系,并由此建立了RMR分类和Q分类之间的关系,得出围岩的RMR分类和Q分类与隧洞超欠挖呈线性关系和对数线性关系,根据超欠挖建立起来的RMR分类和Q分类之间的关系比较符合工程实际。最后研究了超欠挖与围岩分类及洞径之间的复相关关系。

关键词：隧洞围岩分类超挖和欠挖 RMR 复相关系数