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Jiahua Zhang Lianyang Zhang Weijun Wang Daobing Zhang Biao Zhang 《国际地质力学数值与分析法杂志》2020,44(11):1601-1616
This paper investigates tunnel face stability in soft rock masses via coupled limit and reliability analyses. Specifically, a 3D face collapse mechanism was first constructed. Then the Hoek–Brown failure criterion was introduced into the limit analysis via the tangential technique. Taking the variability of rock mass parameters and loads into consideration, a reliability model was established. The collapse pressure and failure range of tunnel faces were determined. In addition, the required factor of safety (FS) and supporting pressure under three safety levels were obtained, and the corresponding safety level graphs for support design were presented. Comparison of the obtained results with previous work demonstrates the rationality of the 3D collapse mechanism and the validity of the results. A decrease in the geological strength index, Hoek–Brown parameter mi, and uniaxial compressive strength or an increase in the disturbance factor results in a nonlinear increase of the collapse pressure and an enlargement of the failure zone. Such changes also lead to a nonlinear increase of the required support pressure under a certain safety level. By contrast, the FS does not exhibit any obvious change when these parameters vary. Therefore, when a rock mass is of poor quality or heavily disturbed, the advance support should be enlarged from upper front to right above the tunnel face. Moreover, as the safety level increases, both the required FS and supporting pressure of the tunnel face increase nonlinearly at a higher rate. 相似文献
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针对岩质或黄土浅埋隧道,考虑岩土体黏弹性流变特性和支护效应,给出斜坡下进行隧道施工时的全域时效解答。根据一般黏弹性问题求解方法,采用复变函数方法、Laplace变换、黏弹性叠加关系,用随时间和空间变化支护力体现管片支护效应,导出适用于任意黏弹性模型岩体、任意时刻施加支护的应力与位移。解答与相同模型有限元结果一致,根据解答分析了广义Kelvin黏弹性模型岩体中浅埋隧道开挖时侧压力系数、斜坡倾角、埋深对稳定地表沉陷大小和范围、洞周时效位移、应力的影响,给出可按深埋问题处理时的埋深范围。解答可用于岩质和黄土隧道初步设计中,并为隧道与地下结构相互作用分析两阶段法提供自由位移场。 相似文献
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软岩巷道围岩松散破碎承载力低,在工程荷载作用下,具有明显的塑性变形和强流变性。传统单一的支护手段难以保证其安全和稳定。高家梁煤矿2-2上煤层巷道是典型的软岩巷道,其围岩遇水泥化、膨胀、崩解,进而造成巷道出现断面收缩、片帮、冒顶等失稳现象。针对高家梁煤矿2-2上煤层20110综采工作面回风顺槽的软岩问题,结合该巷道具体工程地质条件及围岩物理力学特性设计出锚网索联合支护的方案。通过FLAC3D数值模拟分析及现场巷道围岩表面位移监测,对该方案的支护效果进行了分析,其结果证明了该联合支护方案可以有效的控制膨胀型软岩巷道的稳定性,从而保证了煤矿的安全生产。 相似文献
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以相似理论为基础,采用砂土模拟围岩,铁丝模拟锚杆。实测隧道开挖过程中,不同洞周支护力、不同锚杆长度以及锚杆与洞周支护力共同作用下围岩应力分布、稳定性及分区的变化规律。采用有限元模拟不同锚杆长度下围岩的应力分布规律,并基于D-P屈服准则得出围岩塑性区的范围。研究结果表明,采用锚杆与洞周支护力联合支护,更能充分发挥围岩自身的承载能力。锚杆的支护长度应不小于无支护时的松动区外包半径大小。松散围岩条件下,锚杆的长度不宜小于隧洞跨度的1/5,综合支护时洞周支护力大小宜为原岩垂直应力的5%左右。对比试验与有限元模拟结果,有限元模拟所得结果相比于试验较为保守。 相似文献
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高地温问题严重制约了地下工程的施工和安全运营,结合新疆某水电站引水洞存在的高岩温问题展开研究。根据地质资料设置了6种地温边界,研究隧洞围岩及支护结构在开挖、施做喷层、施做衬砌和过水等工况下的受力及变形特性,并与不考虑温度场时的分析结果进行了对比分析。研究表明:高温对隧洞稳定性有显著的影响,高温下锚杆轴力约为不考虑温度场时的294倍,衬砌环向拉应力约为不考虑温度影响时的2.13倍;保温层作用显著,若不考虑保温层的影响,锚杆轴力和衬砌拉应力会更大;过水对衬砌受力影响较大,过水后衬砌环向拉应力迅速增大为过水前的2.65倍。研究结果为类似工程的设计与施工提供借鉴。 相似文献
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隧道及地下工程围岩稳定性及可靠性分析的极限位移判别 总被引：12，自引：0，他引：12
隧道和地下空间工程的稳定性和可靠性评价的问题一直是岩土工程界关注的难点问题。针对隧道围岩-支护系统的稳定性、可靠性、安全性的问题,采用以隧道及地下工程围岩变形位移为判据的隧道及地下工程围岩稳定性分析方法,分析了隧道及地下工程围岩位移的极限状态,提出了隧道及地下工程围岩极限位移的确定方法和大变形隧道及地下工程围岩极限位移的分析方法。结合工程实例,建立了以DGM（2,1）模型和Verhulst模型为理论的隧道及地下工程围岩稳定性分析的位移预测预报方法;在此基础上,提出了隧道及地下工程围岩稳定性及可靠性位移判别准则。其研究和分析结果将有助于构建隧道及地下工程围岩稳定性分析的位移预测预报系统。 相似文献
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高地应力软岩隧道围岩流变效应明显,形变压力导致的仰拱和边墙连接处的应力集中是导致隧道底鼓破坏的重要原因,合理的隧道断面形态有利于减小应力集中,保证隧道长期安全运营。在考虑软岩流变效应的情况下,以有限元软件ABAQUS为平台,通过Python编程实现隧道断面参数化设计和有限元计算,基于结合罚函数的Nelder-Mead函数建立隧道断面优化算法,并以隧道开挖面积,隧道最大仰拱隆起,围岩蠕变损伤区面积,衬砌最大轴力和衬砌最大弯矩为优化目标,对宜-巴（宜昌至巴东）高速峡口隧道断面形态进行优化,为高地应力软岩隧道断面设计提供科学指导。 相似文献
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穿越含水疏松砂岩层的深埋输水隧洞围岩稳定和支护控制问题是长距离输水生命线工程中的难点,其施工开挖和支护控制方法目前尚不完善。结合某深埋输水工程疏松砂岩层的支护工程实践,分析了疏松砂岩层冻结施工过程及解冻后土体力学性质的演化以及围岩支护联合受力机制,采用有限元法揭示了冻融过程下围岩的变形规律及支护受力演化特征,并提出疏松砂岩层冻结施工及分步联合支护的设计理念和支护方案。研究结果表明,采用分步联合支护方法能够得到较理想的支护效果,冻结施工段进行支护结构刚度设计和数值验证时应考虑冻融过程对围岩的扰动弱化,让各种支护手段在时间和空间上实现有效结合,使围岩和支护结构紧密结合,形成受力机制明确的联合受力体。 相似文献
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围岩的应力应变是分析隧道开挖中围岩稳定性的重要依据。目前比较成熟的隧道施工力学方法主要是对隧道开挖过程进行数值模拟。通过大型有限元软件ANSYS,计算了不同埋深、不同坡度角、不同覆盖层厚度条件下,马鞍形浅埋偏压软岩隧道围岩的应力应变,分析其规律并进行方案比选,确定了此类隧道比较合理的设计方案。分析结果表明：以2倍洞径的埋深作为偏压隧道深埋或浅埋的判断依据是合理的;在保证围岩稳定不发生片帮冒顶的前提下,减小埋深和覆盖层厚度是比较合理的;隧道内壁各点的应力应变规律可以为隧道开挖中支护结构参数的选取提供参考。 相似文献
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含软弱夹层岩质边坡在自然环境和工程实践中都比较常见，稳定性差，边坡失稳产生了大量的滑坡灾害，造成大量人员伤亡和经济损失。因此，含软弱夹层岩质边坡稳定性研究一直是工程地质和岩土工程领域的研究重点之一。在收集整理国内外相关资料的基础上，从自重工况、开挖工况、暴雨和蓄水工况、地震工况方面总结了目前含软弱夹层岩质边坡稳定性的研究现状及进展，取得如下主要认识:(1)软弱夹层对岩质边坡稳定性有显著不利影响，含软弱夹层岩质边坡的稳定性比均质岩质边坡、不含软弱夹层的层状岩质边坡都差；(2)含软弱夹层岩质边坡的稳定性系数、变形特征和破坏模式与软弱夹层的含水状态、抗剪强度、倾角、厚度、间距、层数和边坡坡度有关；(3)开挖容易诱发坡体沿软弱夹层滑坡，含软弱夹层岩质边坡开挖后需要及时支护；(4)爆破层裂效应改变了软弱夹层与围岩的接触状态，减小了它们之间的凝聚力和摩擦力，导致边坡稳定性降低；(5)暴雨和蓄水都不利于含软弱夹层岩质边坡稳定；(6)岩质边坡地震动力响应和变形破坏特征受软弱夹层参数(厚度、倾角、含水状态)、地震波特性(地震波的类型、幅值、频率、激振方向)和边坡结构(顺层或反倾)共同影响；(7)在软弱夹层对水平向动力响应的放大或减弱作用及厚层软弱夹层的消能减震作用方面仍然存在不同观点。在此基础上，分析了研究方法的优缺点，指出当前含软弱夹层岩质边坡稳定性研究存在的问题。最后，针对该领域的研究现状，提出了未来的研究重点和方向，主要包括:含多层软弱夹层岩质边坡的渐进性变形破坏过程和稳定性；全面深入研究单因素作用(开挖卸荷、爆破、地震、暴雨、库水位变化、地下水等)对含软弱夹层岩质边坡稳定性的影响机制；多因素耦合作用下含软弱夹层岩质边坡稳定性；支挡结构体系对含多层软弱夹层高陡岩质边坡的加固机制。 相似文献
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以重庆至长沙公路共和隧道为研究对象,研制出相似模型材料和配套试验设备,进行不同长度锚杆支护条件下的隧道超载试验。采用应变测量技术,测量两种不同长度锚杆支护工况下的隧道关键部位的应变值,据此分析围岩体在锚杆支护后的应力变化规律。通过模型材料室内试验,获取岩体相关计算参数,采用与模型试验相同的边界条件进行相应工况的有限元数值模拟,研究围岩体的变形量、应力场和锚杆轴力因锚杆长度不同而产生的变化。结果表明,模型试验和数值模拟反映围岩体应力和锚杆轴力因锚杆长度的不同而产生的变化是一致的。 相似文献
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泥质砂岩属于黏土岩,具有典型的遇水软化特征。在泥质砂岩富水地层中进行隧道开挖是地下工程的一个挑战性问题。研究了围岩软化与未软化条件下泥质砂岩地层中输水隧洞的稳定性和支护时间。首先,介绍了泥质砂岩遇水软化的力学试验结果;然后,采用基于Hoek-Brown强度准则的岩体参数评价方法,评估泥质砂岩在围岩软化与未软化条件下的力学参数;再后,以兰州水源地引水隧洞为依托工程,采用数值模拟方法对泥质砂岩隧洞软化与未软化工况的围岩稳定性进行了计算分析,得出泥质砂岩遇水软化对隧洞安全性存在显著影响;最后,采用位移收敛法,研究了泥质砂岩软化与未软化工况中,保障隧洞施工安全的合理支护时机。研究表明,泥质砂岩未软化工况中,可考虑隧道围岩初期支护在距掌子面4～5 m位置实施;而在泥质砂岩遇水软化工况中,初期支护建议在掌子面开挖后立刻支护。研究成果可为泥质砂岩地层隧洞的安全施工提供依据。 相似文献
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郑伟 《水文地质工程地质》2001,28(4):40-42
西康铁路沿线软质岩带在秦岭以南分布较广。在软质岩带集中出露的地段，地质情况复杂。隧道围岩稳定性差，其工程地质特性随着岩层矿物成分、产状、风化程度、地下水赋存特征的不同有很大差异。本文介绍了西康铁路南段软岩和极软岩带的设计指导思想，并结合西康线具体情况，具体分析了软岩极软岩对隧道施工的影响，对该类型地层铁路隧道的设计、施工，提出几点建议，作为今后工作的借鉴。 相似文献
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金沙江某水电站引水洞出口边坡稳定性分析 总被引：1，自引：0，他引：1
金沙江某水电站引水洞出口边坡为千枚岩类软岩边坡,其地质条件复杂、结构面发育。由于边坡特殊的岩体结构及其重要性,其稳定发展趋势便成为工程技术人员关心的主要问题。本文在地质调查的基础上,分析了边坡岩体结构特征,建立边坡地质模型,并采用3D-FLAC模拟边坡-洞室组合开挖后的应力、变形分布特征及破坏区范围。结果表明,洞室开挖主要影响6倍洞径范围内围岩应力分布状态,对边坡整体稳定性影响不大;但边坡开挖会使得坡面产生不同程度的受拉区域,对边坡稳定性影响较大。另外,在此基础上选取典型的边坡进行稳定性分析,分析表明,天然状态下,边坡开挖后局部岩体稳定性较差,存在块体失稳的可能,但整体稳定性较好;暴雨、地震条件下,边坡稳定性较差,边坡顶部岩土体有沿结晶灰岩与千枚岩的地层分界面发生失稳的可能。 相似文献
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膨胀性软岩洞室支护效应三维有限元分析 总被引：2，自引：0，他引：2
基于湿度应力场理论 ,采用三维非线性有限元方法 ,有效地模拟了膨胀岩洞室开挖和支护过程中遇水膨胀现象。对多种支护方案进行分析比较表明 ,水的损伤软化作用和膨胀岩的本身膨胀性能对其洞室稳定性有重要的影响 ,并进一步了解了洞室发生膨胀的力学机制及其支护效应 ,对膨胀性围岩洞室的设计、施工具有实际指导意义。 相似文献
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渝湘高速公路共和隧道地质条件十分复杂,隧道施工遇到很大困难,隧道开挖后初期支护多处出现纵向开裂。开裂段围岩为砂质页岩,现场实际监测资料表明,页岩层理、节理发育,易风化,亲水性较强,有水软化倾向并具有一定蠕变性。页岩的这些性质对隧道初期支护效果及隧道长期稳定性具有重要影响。鉴于此,对共和隧道页岩进行蠕变试验,通过系列试验得到不同应力水平下页岩的应变-时间关系曲线,建立与之适应的蠕变模型,并推导出蠕变公式,计算出公式中相应参数值。在此基础上,应用离散元数值计算方法对隧道开裂段施工全过程进行研究,分析了隧道围岩可能的破坏模式以及隧道锚杆支护结构的受力情况等。研究成果为隧道开裂段初期支护结构新方案的设计提供了重要支撑,成功地解决了隧道初期支护纵向开裂的工程难题。 相似文献
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采用原始Hoek-Brown非线性屈服准则,推导了渗透力作用下圆形洞室弹塑性解析表达式。根据解析公式,绘制了渗透力作用下基于原始Hoek-Brown屈服准则的围岩特性曲线、塑性区半径与洞壁支护力关系曲线、塑性区半径与围岩自重应力关系曲线,并与基于Mohr-Coulomb屈服准则以及不考虑渗透力的图形进行了对比研究,研究表明：应用原始Hoek-Brown屈服准则求出的洞室径向位移和塑性区半径都大于应用Mohr-Coulomb屈服准则求出的结果;在围岩情况较好的条件下基于原始Hoek-Brown屈服准则计算的塑性区半径远大于基于Mohr-Coulomb屈服准则算出的值;渗流效应对地下洞室的塑性区半径和洞壁径向位移的影响十分显著。 相似文献