提出隧洞稳定性分析存在的问题及其设计的理念与方法,按弹塑性力学原理介绍和提出三种极限分析方法,指出采用数值极限方法是解决隧道设计问题的必由之路,举例说明三种极限分析方法的可信性及其在隧道工程中应用的可行性。为解决隧道稳定分析中的不确定性,提供较为科学合理的围岩力学参数,必须做好理论、勘察和经验相结合的围岩分级工作。以轨道交通隧道围岩分级为例,提升分级的水准与科学性,包括定性与定量分级的协调与优化,强度和完整性指标的改进,区间隧道与车站隧道围岩分级表的制定,以及围岩自稳能力判断与围岩的物理力学参数的确定。提出具有两种洞跨的围岩分级方法,提供较为科学合理的力学参数,提升定量分级的水平。

隧道掘进和地下开挖涉及岩土体从其原位状态卸载的问题,该过程可以通过从原位应力状态的小孔收缩分析来模拟。经过几十年的发展,岩土介质中小孔收缩理论已成功应用于预测隧道收敛变形、计算隧道开挖引起的地层沉降和设计隧道支护体系等工程问题,以达到控制变形和维护隧道稳定的目的。结合上述工程应用,对相关小孔收缩理论的研究现状进行了较为系统的回顾总结。且采用Mohr-Coulomb屈服准则和非相关联流动法则,给出了有限介质中柱/球形小孔从原位应力状态收缩的大应变解析解。以此为例,详细说明了一维小孔收缩弹塑性解析分析的方法。本研究内容可为小孔收缩理论的进一步发展及其在隧道工程应用提供参考。

盾构/TBM施工时存在的排渣困难、刀具磨损、盾尾失效、地表沉降等问题严重影响隧道施工安全和掘进效率,成为当下困扰盾构施工的重要难题,开展渣土改良和盾尾密封技术研究是解决这一系列难题的关键。阐述各类问题发生的原因,在盾构隧道常用施工技术的基础上综述国内外渣土改良与盾尾密封相关技术的研究现状,总结目前的常用施工方法和施工工艺的不足。依托实际工程通过室内试验与现场试验相结合的方法,自主研发高效渣土改良剂、耐磨抑尘剂、高性能盾尾密封油脂、同步注浆充填剂等盾构新型特种材料与配套施工技术,开展理论分析和效果对比试验,解决了盾构/TBM掘进过程的相关技术难题,保障了隧道安全快速施工,为今后高水压复杂环境渣土改良与盾尾密封提供理论基础和技术保障。

裂面优化法是一种2007年提出的新颖的极限上限分析方法,提出后广泛应用于岩土甚至板壳结构的极限与稳定性分析。裂面优化法在结构体内部和表面设置大量散点,将散点连成的线(二维)和面(三维)作为潜在滑移面。基于弥散能最小化原理,引入优化目标方程,并将几何兼容条件、摩尔-库仑条件、荷载/做功条件等已知信息作为优化方程的约束,求解获得极限荷载/安全系数,并得到对应的滑移面分布与张开量。方法概念清晰,前后处理方便,计算效率极高,然而目前该方法在国内的相关研究和应用较少。本研究是第一篇系统介绍裂面优化法的中文文献,对于裂面优化的基本概念及应用,尤其是在隧道工程中的应用进行详细介绍,有助于该方法在国内的进一步推广和发展。

大直径单桩基础是海上风电的主要形式,研究长期循环荷载作用对桩基础的水平承载力和风机自振频率的影响规律对风机的优化设计具有重要意义。开发基于非线性随动硬化模型的黏土循环弱化数值分析方法,通过与三轴试验及离心机试验结果的对比表明,该方法在分析土体弱化与桩土相互作用方面具有可靠性。分析循环荷载作用对桩基水平承载力、桩-土系统刚度及风机自振频率的影响,结果表明:在循环次数较小的情况下,循环荷载幅值的影响要大于循环次数的影响;桩-土系统的抗弯刚度和抗弯承载力衰减程度大于水平刚度和水平承载力;由于刚度衰减程度有限,风机的整体自振频率的减小趋势不明显。

针对目前道路建设中常见的含煤系岩层隧道开挖问题,以正习高速桃子垭隧道为例,模拟3种施工方法开挖煤系岩层的施工全过程,对围岩稳定性及支护结构进行分析,得到了应力、位移等参数在施工过程中的变化规律并提出施工建议。结果表明,开挖方法与临时结构影响围岩及隧道结构的应力分布与变形:对于台阶法,可适当在下半断面布置临时结构控制变形;而在倾斜岩层的交界面上,CRD(cross diaphragm)法与核心土法应根据工况调整各断面开挖进尺稳定后方围岩,控制开挖时的围岩变形。针对以上结果可优化施工方案与支护设计,对同类特征隧道施工具有借鉴意义。

通过收集和整理山岭隧道口塌方以及滑坡灾害资料,提炼出十大致灾因素,并将其归纳为隧道口洞内塌方和仰坡失稳两大方面。提出山岭隧道口致灾因素等级划分表,建立基于定性到定量的灾害因素隶属度计算数学模型,阐述灾害因素层次模糊综合分析评价的数学原理,全面构建出可以应用于山岭隧道洞口的工程地质灾害模糊综合评价数学模型。以紫石隧道以及港沟隧道洞口段工程实践为案例,详述模型使用方法,对该项目的工程地质风险进行评价,为隧道工作者加强山岭隧道洞口段施工的安全控制提供了理论工具和方法。

针对类矩形等异形截面隧道施工逐年增多,而针对类矩形隧道开挖诱发邻近地下管线变形的室内模型试验研究还非常少见,目前仅就圆形隧道施工对邻近构筑物影响的室内模型试验做了较多研究。基于类矩形截面隧道开挖收敛位移模式,建立类矩形隧道开挖诱发邻近地下管线变形的模型试验系统,包括类矩形隧道开挖模拟装置、管线模拟装置、管线位移测量体系以及模型试验数据采集体系等。通过4个液囊排水模拟类矩形隧道开挖掘进过程,实时记录邻近地下管线的沉降变形、管线截面内力,以及类矩形隧道开挖表面接触力和管线表面土压力变化,分析类矩形隧道开挖诱发邻近地下管线沉降变形以及管线截面内力分布与发展规律。试验表明:管线沉降随着隧道液囊的排水缓慢增加,隧道表面和管线表面土压力缓慢增加后趋于稳定。针对不同的管线埋深、管线外径进行多种工况模型试验,结果表明:在管线外径相同的工况下,随着管线埋深的增加即隧道与管线间距变小,管线沉降变形增加,管线内力增加;在管线埋深相同的工况下,随着管线外径的增大,管线沉降变形减小,管线内力增大。同时,建立相应工况的数值模型与模型试验结果进行对比,具有较好的一致性。

结合徐州轨道交通2号线某车站深基坑工程,采用FRWS软件计算超固结地层条件下基坑围护结构内力、桩顶位移及抗倾覆稳定性等参数,确定适用于超固结地层条件的车站基坑咬合桩+内支撑支护形式。研究超固结地层条件下的围护结构在降水过程中沉降以及对周边地表的影响,通过对桩顶位移、地表沉降、坑内水位的施工监测,标准段处围护结构最大水平变形14.60 mm,标准段处地表沉降21.00 mm,满足规范设计要求。形成了通过咬合桩插入超固结地层截断含水层,在坑内布置降水疏干井控制固结沉降的联合设计方法,为类似工程提供了设计参考。

为充分发挥监控量测在隧道施工过程中的作用及价值,将那朗隧道作为工程实例背景,以支持向量机为理论基础,并利用粒子群算法、混沌理论等优化其模型参数,进而构建出混沌优化PSO-SVM模型,以实现隧道变形的准确预测;利用重标极差法判断隧道变形的发展趋势,以佐证前述预测效果的准确性。实例研究表明:通过试算法和粒子群算法能有效优化支持向量机的模型参数,且混沌理论能有效弱化预测结果的残差序列,所得预测结果的相对误差均值均小于2%,验证了本研究预测模型的有效性;同时,重标极差分析得出隧道变形虽会持续增加,但增加速率趋于减小,所得结果与预测结果相符,验证了前者分析结果的准确性。研究发现,为隧道变形预测提供了一种新的思路。