富水软弱围岩偏压隧道超前支护施工技术研究

研究了富水软弱围岩偏压隧道超前支护及施工技术.依托国家一带一路重点项目云南临沧临翔至清水河高速公路马家寨隧道工程,通过有限元软件MIDAS GTS NX建立有无超前支护的隧道出口端有限元模型,分析无超前支护和长管棚超前支护工况下隧道围岩稳定性、初期支护应力及围岩塑性区的变化规律.结果表明:随着隧道开挖,拱顶沉降越来越大,无超前支护工况下隧道开挖完成后最大拱顶沉降为9.56mm,长管棚超前支护工况下拱顶沉降降低了44.9%.针对围岩变形而言,在长管棚超前支护条件下围岩最大竖向变形降低了48.0%,最大Y方向变形降低了50.4%.在无超前支护工况下,初期支护最大压应力超过规范允许值13.5MPa,长管棚超前支护工况下最大初期支护压应力为11.47 MPa.长管棚超前支护能够有效控制富水软弱围岩隧道偏压段的围岩变形,改善结构受力状态,确保隧道进洞施工安全.     

合肥地铁盾构隧道下穿河道施工数值模拟分析

文章针对合肥地铁1号线盾构下穿南淝河存在的安全隐患,基于流固耦合原理与有限差分方法,采用FLAC3D对隧道盾构开挖流固耦合效应进行模拟,分析了盾构推进过程中隧道周边土体孔隙水压力规律、竖向应力场、拱顶沉降等。研究表明:盾构开挖导致隧道拱顶及两侧土体孔隙水压力明显降低,地下水在水压力的驱动下向拱顶与两侧流动,这些部位容易出现危险,要防止涌水事故的发生;考虑流固耦合后,围岩竖向应力值变大,最大拉应力与压应力均变大,隧道周边局部围岩出现较大的应力集中现象,对隧洞安全不利,拱顶竖向位移增大,竖向位移在水平方向从隧道中心向两侧不断减小,而土体后期固结沉降占最终沉降的比例达到30%,要加强后期监测,防止沉降过大影响隧道安全。     

黏弹性条件下大跨度公路黄土隧道二次衬砌施作时机

为研究大跨度公路黄土隧道二次衬砌施作时机,以神府(神木—府谷)高速公路墩梁隧道为依托,采用现场测试、数值模拟和理论分析相结合的方法,首先对隧道拱顶变形进行现场测试,揭示其变形规律,提出了基于隧道二次衬砌安全临界状态的最佳施作时机计算方法;其次根据黏弹性条件下隧道围岩变形理论公式,结合现场监测数据反演分析得到围岩Kelvin模型流变参数;最后利用提出的最佳施作时机计算方法和Kelvin流变模型,通过数值模拟研究了黏弹性条件下大跨度黄土隧道二次衬砌最佳施作时机。结果表明:大跨度公路黄土隧道变形经历急剧变形、持续变形和缓慢变形3个阶段,各阶段产生的沉降值分别为最大沉降值的67.7%,21.7%和10.6%;Kelvin模型中蠕变参数黏性元件黏滞系数η为2.75×10~(14) kPa·s,与黏性元件串联的弹簧元件弹性模量E_1为138.3 MPa,与黏性元件并联的弹簧元件弹性模量E_2为321.5 MPa;大跨度公路黄土隧道Ⅴ级围岩深埋段二次衬砌最佳支护时机为初期拱顶下沉速率小于0.3 mm/d。     

浅埋隧道大管幕支护力学特性及施工技术

以重庆铁路枢纽东环线新白杨湾下穿高速公路隧道工程为依托,研究了浅埋隧道大管幕支护力学特性及施工控制技术。采用有限元分析软件MIDAS-GTS NX建立隧道施工模型,分析无超前支护、管棚超前支护和大管幕超前支护3种工况下地表沉降、围岩变形以及初支内力等力学特性的变化规律。研究结果表明:无超前支护下开挖完成地表最终沉降为30.01 mm,管棚超前支护和大管幕超前支护下地表沉降分别减小了49.28%和62.08%。就控制围岩变形效果而言,管棚超前支护下拱顶沉降和水平位移分别减小了49.32%和38.20%,大管幕超前支护下拱顶沉降和水平位移分别减小了62.03%和40.03%。施工完成后,无超前支护、管棚超前支护和大管幕超前支护下的初次衬砌最大压应力分别为14.67 MPa、6.58 MPa和6.13 MPa,无超前支护下最大压应力超过规范允许值(13.5 MPa)。     

基于ABAQUS大跨度双联拱隧道开挖的数值模拟分析

针对大跨度双联拱隧道开挖工程中应力变化规律问题,本文选用ABAQUS软件对大跨度双联拱隧道进行二维数值模拟,分析“三导坑法”施工顺序下其隧道应力、应变及塑性变形区域分布情况,结果表明:在隧道开挖过程中,其应力应变最大位移出现在隧道顶部位置,为12 mm,最大压应力出现在中导墙处,为3.5 MPa,拉应力最大出现在拱顶处...     

导流隧洞混凝土衬砌结构有限元分析与研究

根据某水电站引水系统实际情况,采用ANSYS三维非线性有限元法,建立其引水系统中南导流隧洞的三维有限元模型,并对其钢筋混凝土衬砌结构进行分析,验证了衬砌方案和支护参数的合理性,提供衬砌配筋计算结果,并论证了现有衬砌和支护方案合理性,补充和完善加固处理措施.结果表明,南导流隧洞各段衬砌在计算工况下,水平位移最大值为0.256 mm,方向指向隧洞内部;垂直向最大位移为8.443 mm,方向向下;最大第一主应力为拉应力,其值为1.150 MPa;衬砌最大第三主应力为压应力,其值为-1.190 MPa,由于衬砌C25混凝土的抗压强度为11.9 MPa,故衬砌结构安全.但在侧墙与顶拱、侧墙与底板交界处应力值较大,应当采取适当措施加大结构的强度.     

黄土公路隧道衬砌开裂分析

衬砌开裂是黄土公路隧道普遍存在的病害。为了预防和处治衬砌开裂,保证黄土隧道结构的长期稳定性,针对甘肃省榆中县新庄岭黄土公路隧道衬砌开裂的病害特征,运用数值仿真、实测等手段分析了病害产生的机理和原因。结果表明,黄土浸水导致土体强度降低、变形增大,从而增大了围岩塑性区范围和变形压力,恶化了衬砌结构受力状况,使衬砌结构拱顶内侧及拱脚外侧被拉裂,进而使拱脚内侧被压裂。根据隧道病害状况,提出了采用环氧树脂嵌补及凿槽嵌入钢拱架法处治衬砌开裂的建议,为分析和处治黄土公路隧道衬砌开裂提供了依据。     

雪峰山隧道原岩应力场和开挖二次应力场特征分析

为了解雪峰山隧道原岩应力场和隧道开挖后围岩的二次应力场分布特点,应用有限元软件建立仿真模型,模拟河谷下蚀和隧道开挖过程.为了验证数值模型的可靠性,对比分析相应位置的现场测试应力和数值模拟应力,并以现场应力测试值对应力边界的应力进行反演分析.研究结果表明:应力数值模拟值和现场测试值较接近,说明所建模型可靠;隧道轴线剖面主应力可分为应力平稳带和浅表生改造影响带;在应力平稳带的硬、软相间部位或断层带附近出现应力分异现象;浅表生改造影响带通常为应力降低区,地形明显变化处可造成应力局部增高;隧道周边的最大主应力出现应力集中;随着与隧道周边的距离增加,最大主应力很快降低;隧道周边未出现拉应力,开挖影响范围为地表至1倍洞径之间.     

水电站引水隧洞衬砌结构三维有限元分析

根据某水电站引水系统实际情况,采用ANSYS三维非线性有限元法,建立其引水系统中新建引水隧洞的三维有限元模型;并对引水隧洞的衬砌结构进行分析。验证衬砌方案和支护参数的合理性;同时提供衬砌配筋计算结果及优化建议,论证现有衬砌和支护方案合理性,补充和完善加固处理措施。结果表明,引水隧洞各段衬砌在各个工况下,水平位移最大值为0.41 mm,出现在侧面;垂直向最大位移为-6.53 mm,出现在顶拱处。衬砌最大第一主应力为拉应力,其值为2.33 MPa,发生于工况四,出现在顶拱处;衬砌最大第三主应力为压应力,其值为-8.19 MPa,发生于工况二,出现在衬砌侧面。由于衬砌C25混凝土的抗压强度为17 MPa,故衬砌结构安全。衬砌采取单层筋布置,各段环向配筋Φ20@200 mm,纵向钢筋Φ12@300 mm,考虑到方圆渐变段的应力状态较为复杂,优化设计后建议采用50 cm厚的衬砌方案。     

闽南山区软弱围岩小净距隧道超前支护力学机理与施工技术

以福建三明莆炎高速公路布盂隧道工程为依托,建立了基于Winkler弹性地基梁理论的管棚力学模型,通过理论和数值模拟相结合的方法,研究了软弱围岩浅埋偏压小净距隧道超前支护力学特性及施工控制技术。研究结果表明:在隧道开挖过程中,掌子面处管棚受力较大,支护稳定后受力较小且较为均匀。采用管棚超前支护后,能够有效控制隧道拱顶沉降和改善衬砌结构受力状态。相较无超前支护,管棚支护后左、右洞拱顶沉降分别减少了32.64%和28.14%,拱腰处最大、最小主应力分别减少了15.66%和17.75%,拱脚处最大、最小主应力分别减少了12.18%和23.40%。采用管棚超前支护有利于增强围岩稳定性以及限制围岩塑性区发展,管棚支护后围岩最大塑性应变降低了32.78%。     

极端降雨对黄土沟壑区隧洞施工力学效应影响分析

黄土地区输水隧洞的建设中,降雨入渗极大影响着输水隧洞围岩稳定性。本文利用非饱和渗流理论和数值模拟方法研究了极端降雨条件入渗与黄土沟壑区隧洞的开挖扰动耦合影响下围岩的变形和渗流场演变规律,通过Plaxis3D模型对降雨入渗下新奥法施工过程中围岩力学特性、初期支护过程进行流固耦合分析。结果显示,降雨等级越高,围岩孔隙水压力变化幅度越大,对围岩的稳定性越不利;降雨入渗与开挖扰动会加速土层中渗流场和应力场的重分布过程;基于沟道的汇水特性,隧洞围岩含水率在最初5~10 d呈台阶式增长,拱顶、拱腰和拱趾处的最大变形为17.8 mm、28.2 mm、24.6 mm,最大剪切应力为175.3 kPa、182.5 kPa、150.6 kPa,降雨结束约15~20 d围岩变形速率逐渐减小收敛至特定值,但围岩的应力持续增加,为避免围岩发生塑性变形,故可在15~20 d进行二次衬砌支护。本次研究结果可对极端降雨期黄土沟壑地区隧洞施工安全控制提供参考。     

浅埋暗挖黄土隧道地层及围岩力学特性变化规律

以新建蒙华铁路运煤通道青化砭隧道为依托,埋设地层变位和围岩应力测试元件,对开挖时黄土地区大跨径浅埋隧道的地层及围岩力学特性变化规律进行了研究。结果表明：拱顶沉降和水平收敛变形可分为均匀变形阶段和稳定变形阶段,竖向地层沉降随埋深的增大先增大后减小;当工作面稳定时,横截面方向和轴线方向的水平位移超前影响距离分别为8m、15m。滞后和超前开挖时,周围土体横截面方向和轴向水平位移分别向隧道内侧和背离隧道方向发展;初期支护施做后,衬砌应力重新分布,仰拱压力增大,而左右拱腰压力不变。所得结论可为黄土地区浅埋暗挖大跨度隧道的设计和施工提供参考。     

孟底沟水电站导流洞堵头全工况稳定性分析及长度优化

孟底沟水电站导流洞堵头段断层、节理裂隙发育,地质条件较差,堵头挡水水头高,边界条件复杂,且封堵工期紧张,急需对导流洞开挖、施工及运行全过程稳定性进行研究.采用三维非线性有限元法,模拟导流洞洞室开挖、衬砌施工、堵头施工以及堵头运行全过程,得出以下结论:①洞室开挖过程中,围岩基本稳定,局部围岩较差的部位存在局部失稳的可能,建议局部采取锚固、灌浆等措施;②运行期围岩、堵头整体稳定,衬砌结构满足抗压强度要求,局部衬砌拉应力超过抗拉强度,需加强配筋;③长度40 m与50 m的堵头上游段推力分担比基本一致,建议堵头长度在40 m以上.研究成果可为孟底沟水电站导流洞堵头的设计施工提供参考.     

高地应力软岩隧道超前平行导洞开挖对主洞影响：以玉龙雪山隧道工程为例

为研究高地应力软岩隧道超前平行导洞开挖对主洞影响,依托玉龙雪山隧道工程,基于现场长期监测数据,结合有限差分程序FLAC3D建立数值分析模型,研究超前平导对主洞围岩应力、围岩位移和塑性区分布的影响,明确主洞与平导间最优间距。研究结果表明:主洞开挖过程中,当掌子面与监测面距离为3.63倍主洞洞宽时,监测面拱顶沉降、上收敛、中收敛和下收敛值占最终变形值的80%以上,围岩变形稳定后上收敛值和中收敛值均大于拱顶沉降;平导超前开挖可有效改善主洞围岩应力环境,主洞与平导间距较大时,围岩应力改善效果不佳,随着二者间距逐渐减小,围岩应力改善效果逐渐增强,但主洞与平导间距过小时,二者开挖产生的塑性区会贯通,综合考虑,确定主洞与导洞最优间距为3.5倍导洞宽度;主洞拱顶沉降值和拱底隆起值随着主洞与平导间距的减小而增大,左右拱腰水平位移值随着主洞与平导间距的减小先减小后增大,当二者间距由5.0D减小至3.0D时,拱顶沉降值和拱底隆起值分别从-0.598m和0.426m增加至-0.679m和0.514m。     

基于松动圈理论深埋黄土隧道围岩压力计算方法

围岩压力的确定一直是隧道工程结构设计中的重点,而黄土隧道的工程特性与其他岩质隧道有着明显的区别,尤其是深埋黄土隧道的围岩压力计算。通过对深埋黄土隧道开挖后的围岩应力状态进行分析,明确了松动圈的定义,推导了松动圈的表达式,提出了基于松动圈理论的深埋黄土隧道围岩压力计算方法,并基于现场试验实测数据与既有计算方法进行了对比分析,以验证该方法的适用性。研究结果表明：松动圈为塑性区的内圈,是塑性区内切向应力小于初始地应力的部分;黄土隧道的松动圈较普通巷道和岩石隧道的松动范围大得多,更易受隧道开挖影响;基于松动圈理论的围岩压力计算方法与其他计算方法相比较,计算结果与实测值接近且存在一定的安全储备,使用该方法对深埋黄土隧道围岩压力进行计算是可行的,基于松动圈理论的围岩压力计算方法更适用于深埋黄土隧道这种有一定自稳能力的软弱土质围岩隧道。     

硬岩地层地铁暗挖车站施工过程力学分析

地铁暗挖车站因其埋深浅、开挖尺寸大,隧道围岩应力演化剧烈且复杂,塌方事故风险大,隧道支护设计面临极大挑战。为精细化模拟地铁暗挖车站分部开挖及初期支护全过程,以青岛地铁6号线海港路站为对象,建立三维数值模型,结合现场监测数据,研究硬岩地层暗挖大跨隧道施工过程力学特征。结果表明：拱部上导洞开挖造成围岩强度储备显著降低,引起拱顶及地表沉降量占最终值的54%和56%,左、右导洞开挖对应的拱顶围岩应力变化较小,引起拱顶沉降分别占最终值的30%和13%,直墙部等后续施工影响更小,从总体过程来看上导洞开挖对隧道沉降控制最为关键。全部贯通后,拱顶围岩强度储备值（K=3.1）高于其他部位,边墙围岩强度储备值（K=1.1）接近极限状态,从隧道各部位围岩强度储备角度上看,边墙最为关键需支护。总体上,地铁暗挖车站虽跨度大、埋深浅,但由于硬岩地层围岩强度高而几乎没有产生塑性区,锚喷格栅初期支护即可使隧道达到较高的稳定状态。     

深埋公路隧道高地应力场特征分析及岩爆预测

深埋隧道岩体中有较高地应力,在岩石强度较高的围岩处易发生岩爆,影响围岩稳定性。笔架山公路隧道埋深大,为降低其安全建设风险,本文通过工程区岩样岩体力学实验对围岩性质进行研究,结合地应力资料建立三维有限元地质模型反演隧址区地应力场,最终利用谷-陶岩爆判据和强度应力比岩爆判据对笔架山隧道岩爆状态进行预测。结果表明：隧道工程区内岩体有中等-强烈岩爆倾向;隧道沿线地应力场由自重应力场主导,大多数区段岩体处于极高应力状态,且水平最大主应力与隧道夹角较小,有利于围岩稳定;开挖后沿线围岩最大主应力峰值为63.2MPa,均发生在断面侧壁,因此在该部位发生岩爆的可能性较大;隧道沿线24%区段有发生岩爆的可能,且以中等-高岩爆活动为主,岩爆预测结果可为隧道开挖施工和灾害防治提供参考。     

西南地区岩溶富水隧道坍塌力学机理及处治措施

以云南玉溪至磨憨铁路曼勒一号隧道为依托,对西南地区岩溶富水隧道坍塌进行处治并预防,建立基于隧道坍塌机理的隧道坍塌力学计算模型,采用理论分析结合有限元计算软件MIDAS GTS NX模拟的方法分析了隧道坍塌段围岩及初支稳定性,并提出有效的处治措施。结果表明：坍塌段隧道模型拱顶沉降量为48.5 mm,拱腰水平收敛量为111.53 mm,围岩变形量较大,发生坍塌事故的风险较大;围岩塑性区出现在上中台阶掌子面,应变最大值为7.85×10-2,发生塑性破坏可能性较大;隧道坍塌段初支所受拉应力和压应力分别达到了19.68 MPa和17.89 MPa,根据铁路隧道设计规范抗拉极限强度为2.0 MPa,抗压设计强度为12.5 MPa,支护结构承受荷载过大易发生破坏。隧道施工现场地下水渗漏对砂泥岩地层围岩稳定性有重大影响,小范围溜塌最终导致大范围围岩失稳坍塌、初支破坏。根据现场实际工况,采用双层超前小导管补强支护对坍塌段进行加固,隧道坍塌段处治效果良好,为后续类似工程提供指导借鉴。     

四车道大跨度浅埋黄土隧道开挖方案数值分析

为保证四车道浅埋黄土隧道的施工安全,优化施工方案,采用数值模拟手段对大断面黄土隧道开挖常用的三台阶七步开挖、中隔壁、交叉中隔壁和双侧壁4种方法进行系统的对比和分析。结果表明:(1)四车道浅埋黄土隧道与普通的两车道隧道变形存在较大差异,拱顶下沉显著增大,水平收敛较小且拱脚有向外挤出的趋势,故变形监测应以拱顶下沉为主;(2)地层竖向位移随深度的增加线性增大,距拱顶4m范围内呈指数型增大,且与洞周形成塑性区有关;(3)围岩应力均未超过其强度极限,初期支护应力较大,起到了主动承载和控制围岩松弛的作用,其与围岩共同承担大部分荷载,二次衬砌应力普遍较小,可为隧道结构提供安全储备;(4)变形控制要求严格的地区推荐使用双侧壁法,允许较大变形的情况优先采用三台阶七步开挖法。结论可为黄土隧道设计和施工方法的选择提供理论依据。     

动态原位监测技术在顺层岩体隧道的应用—以六汉隧道为工程实例

为明确六汉隧道浅埋顺层岩体开挖后围岩应力变化规律及特征。基于FLAC_^3D数值模拟分析顺层围岩隧道变形特性,对岩层节理面处偏压应力及二衬结构变形特征进行了施工期动态原位监测。结果表明：浅埋顺层岩体地形隧道开挖致使岩层节理面两侧局部应力不均衡,出现较大偏压应力和剪切应力;基于近9个月的监测点数据显示开挖20~30 m与80~90 m后,隧道初支与围岩接触应力变化明显,前者应力变化速率达到峰值,而后者开始趋于稳定;二衬混凝土结构应变随时间变化的响应规律表明初支结构承受围岩变形大部分有效荷载,二衬分担围岩变形传递的局部不均衡应力。其现场监测结果为今后该类型隧道设计与支护荷载的计算奠定了理论基础。