超大直径盾构隧道穿越岩溶发育区地表注浆合理加固范围

为研究超大直径盾构隧道穿越岩溶发育区地表注浆合理加固范围,以武汉市某在建工程为依托,设计了以围岩等级、溶洞尺寸及溶洞充填范围为影响因素的正交试验,采用了三维数值方法求解不同方位溶洞与超大直径盾构隧道的最小安全距离,并提出了以最小安全距离主要因素为分段计算准则的地表注浆加固范围确定方法。结果表明：当溶洞位于隧道上方、侧方及下方时,最小安全距离的主要影响因素分别为溶洞尺寸、围岩等级及溶洞尺寸;当溶洞位于隧道上方时,分为4个区段,加固范围在12m~22.5m之间,当溶洞位于隧道侧方时,分为4个区段,加固范围在8m~15m之间,当溶洞位于隧道下方时,分为5个区段,加固范围在8m~15.5m之间。研究成果可为类似工程注浆设计与施工提供参考。     

无锡浅埋岩溶发育特征及其与隧道安全距离研究

在江苏无锡惠山附近修建地铁过程中发现了较多的浅埋岩溶，通过钻孔资料和跨孔地震CT试验对该地的岩溶发育特征进行了详细分析.同时，根据溶洞的大小、位置和填充等情况，将其分为四种类型.为了探讨该场区地铁隧道开挖后的稳定性问题，采用有限差分的方法，研究了隧道与溶洞之间的距离及溶洞填充物对隧道整体稳定性的影响.最后，根据设计规范，确定了隧道与溶洞之间的安全距离.结果表明，场区内大部分溶洞呈扁球形或椭球形，并由含砾石的粉质黏土或淤泥质粉质黏土充填，最发育的溶洞埋深在26～30 m和32～36 m，溶洞直径为1～10 m；综合来看场区内Ⅰ型溶洞对隧道安全施工的威胁最小；四种岩溶类型与隧道之间的安全距离为5 m或≥11 m.本研究成果可为江苏省浅埋岩溶地区其他拟建隧道的设计和施工提供技术参考.     

隐伏岩溶区小净距隧道爆破振动规律

为研究隐伏岩溶区小净距隧道开挖及爆破振动对施工安全的影响规律,以贵州省里平II号隧道工程为依托,以隐伏岩溶区小净距隧道为研究对象,通过LS-DYNA对不同工况进行数值模拟及分析,得到了爆破振动效应下围岩的应力分布和位移变化情况,总结了隧道爆破地震波沿隧道轴向及衬砌环向的速度衰减规律,分析了振动速度峰值随溶洞直径大小及溶洞隧道距离大小的变化规律。研究结果表明：当溶洞直径一定时,围岩竖向位移、隧道拱顶监测点振动速度峰值随着溶洞与隧道之间距离的增大而减小;当溶洞与隧道之间的距离一定时,围岩竖向位移、隧道拱顶监测点振动速度峰值随溶洞直径的增大而减小;里平II号隧道中溶洞直径为2m且溶洞与隧道之间的距离为3m时,先行洞初衬最大主应力超出了混凝土抗拉强度,故爆破开挖前应对该位置进行加固处理,确保施工安全。可见,其分析结果可为指导隐伏岩溶区小净距隧道爆破施工提供可靠依据。     

桥梁基桩下伏溶洞围岩应力状态分析

运用弹塑性力学基本理论,首先分析了地基中下伏溶洞围压应力状态,辨识应力集中影响范围,并讨论了溶洞洞体形状以及地下水位埋深对溶洞壁应力状态的影响。研究表明,基于厚壁圆筒分析的溶洞围岩应力集中效应带大于6a,基于厚壁圆球分析的溶洞围岩应力集中效应带大于4a;溶洞几何尺寸、土体侧压力系数、m值和地下水位埋深均会对溶洞围岩应力状态产生显著影响。     

深埋高压富水区岩溶隧道围岩开挖稳定性影响因素分析

依托工程实例,对岩溶隧道处于深埋高压富水区域时围岩开挖失稳的影响要素展开分析.研究结果表明:隧道开挖后隧道周围逐渐产生闭合型塑性变形且塑性区域不断扩大,位移场变化云图形式泡状;隧道埋深、地下水位高度、围岩级别3种因素变化对隧道不同部位的影响程度不同,受埋深变化影响最大处发生在拱脚部位,受地下水高度变化影响最大处发生在拱...     

岩溶区盾构隧道开挖的稳定性分析

盾构隧道穿越溶洞密布的复杂环境时,不可避免的引起岩溶开挖区应力场突变,严重时造成溶洞坍塌、隧道突水突泥等工程灾害.采用有限元模拟方法,基于岩层破坏机理,分别针对溶洞数量不同及排列方式不同这两种重要因素,从隧道开挖引起的位移场、应力场和塑性区域三个方面分析岩溶隧道开挖所引起的围岩变化规律.结果表明:溶洞的存在使得隧道围岩最大主应力显著提高,围岩竖向位移随溶洞个数增加而增大,围岩周围土体的应力场、位移场、塑性区域均随着洞-隧之间不同的排列方式而呈现不同的变化规律.分析结果可为岩溶地区盾构隧道设计、施工以及运营提供理论及工程指导.     

南宁地铁4号线岩溶发育特征及处治技术

随着我国轨道交通建设的快速发展,城市地铁越来越多,修建过程中各种工程问题逐步显现。我国南方地区岩溶较为发育,给轨道交通的安全建设带来了一些工程难题,岩溶的处治技术成为近几年的研究热点。为了解决南宁地铁4号线岩溶带来的工程难题,通过地质勘察手段探明了岩溶分布规律,基于地质勘察资料分析了南宁地铁4号线岩溶发育规律,采用钻芯和室内试验确定了地层及溶洞的物理力学参数,结合有限元软件Midas GTS确定了溶洞与地铁车站、盾构隧道的安全距离,提出了岩溶区轨道交通溶洞处治范围及处治措施,并对溶洞处治区域进行取芯,通过室内试验研究了岩溶处治效果。研究结果表明,南宁地铁4号线岩溶总体上中等发育;车站区域溶洞基本上分布于底板下10m范围内,盾构隧道区域溶洞基本位于底板以及底板以下10m范围内;不同位置不同尺寸的溶洞塑性区不同,溶洞洞高越大塑性区越大,需要的安全距离越大;采用注浆加固方案是合理的,检测结果验证了其合理性。可为岩溶区地铁车站及盾构隧道溶洞处治提供参考。     

埋深对岩溶隧道地震动力响应影响分析

基于工程波动理论,应用ABAQUS数值模拟和理论解析方法,研究了溶洞中心与隧道中心处于同一水平时,埋深对岩溶隧道地震动力响应影响规律,并对比分析地震作用下有无溶洞时隧道的反应差异性.分析结果表明:岩溶隧道和非岩溶隧道发生较大位移的部位均为拱肩和拱脚;溶洞对隧道地震动有缓冲作用;岩溶隧道埋深越浅,地震动力响应位移越大;在地震作用下,隧道二次衬砌第一主应力较集中的部位是拱脚.埋深15 m时第一主应力最大,埋深100 m时第一主应力最小;埋深100 m时,岩溶隧道比非岩溶隧道的第一主应力小,说明溶洞对隧道岩体有一定的应力释放作用.     

盾构施工引起横向沉降槽宽度分析

为了确定盾构施工的横向预加固范围以及监测范围,确保盾构施工安全,以北京地铁14号线为工程背景,对盾构施工引起的横向沉降槽宽度进行了分析。提出了横向预加固范围以及监测范围,提出了一种计算方法;并在此基础上,确定适用于北京地层,横向沉降槽宽度与其系数的相关关系。研究结果表明:主要沉降应发生于距隧道轴线水平距离为2i范围内,i为沉降槽宽度系数,次要影响区域为2i~3i范围内;应用新方法计算盾构隧道施工横向沉降槽宽度为距隧道轴线水平距离约为1 h或2 D,h为隧道埋深,D为隧道直径;确定沉降槽宽度与沉降槽宽度系数之间的关系为2.5倍较3倍更为合理。     

隧道前方溶洞对盾构机掘进影响分析——以大连地铁5号线后后区间工程为例

城市岩溶地质对盾构施工易造成盾构机陷落、故障,溶洞坍塌;针对隧道前方的溶洞对盾构施工影响这一问题,依托大连地铁5号线后后区间工程,基于理论分析和MIDAS GTS数值模拟试验。以地表沉降、洞周变形、塑性区作为分析指标,选取溶洞尺寸、溶洞充填情况、溶洞处理前后对比作为分析工况和盾构掘进至溶洞距离作为变量,分析溶洞对盾构掘进的影响。研究结果表明:当掘进施工靠近溶洞时,洞腰水平变形和靠近掘进面的临空面纵向变形呈现非线性增长且与溶洞大小相关;掘进面与溶洞之间塑性区贯通距离与溶洞大小呈近线性关系,理论计算结果与数值模拟结果较为一致;处理后的溶洞变形得到有效控制,数值模拟结果与实测数据接近。研究结果可为岩溶识别处理和施工提供参考。     

隐伏溶洞影响下隧道开挖稳定性数值模拟

隐伏溶洞是引起隧道围岩失稳甚至塌方的常见不良地质之一,为分析其对隧道开挖稳定性的影响,采用FLAC3D有限差分法和现场监测手段,探讨了隐伏溶洞尺寸、溶洞与隧道净距及溶洞位置对隧道开挖过程中围岩应力场、应变场及隧道变形的影响规律。研究表明：①围岩最大剪应力与最大剪应变增量均随溶洞尺寸增大而增大（随净距增大而减小）,塑性区集中于隧道-溶洞中间岩柱;②隧道变形时程曲线呈“S”形,隧道变形随溶洞尺寸增大而增大（随净距增大而减小）;③当溶洞直径大于0.6倍隧道宽度,且与隧道净距小于0.6倍隧道宽度时,隐伏溶洞对围岩塑性区和隧道变形具有明显影响,且隧道侧部溶洞对隧道稳定性最为不利;④建议岩溶隧道工程采用动态化设计、施工及监测,并采用综合超前地质预报探明实时地质情况。     

深埋圆形毛洞隧道围岩压力拱范围研究

为揭示深埋圆形毛洞隧道围岩压力拱范围,基于复变理论及经典弹塑性理论,结合M-C屈服准则,提出了一种准确预测围岩压力拱内、外边界的方法,并通过数值计算验证了预测方法的正确性.在验证预测结果正确的基础上,研究了隧道埋深、侧压力系数和围岩条件3个主要因素对围岩压力拱范围的敏感性.研究结果表明:1)软弱松散岩体中深埋圆形毛洞隧道上半部分是施工的关键,施工时应考虑对隧道拱顶120°范围内采取适当的超前支护手段,以确保隧道施工安全;2)围岩条件较差时,隧道施工促使周边围岩松动区贯通,必要时建议采取全断面超前注浆加固措施,以防止围岩松动区进一步发展.研究理论为判定毛洞隧道周围松动区是否贯通和确定隧道超前支护的位置及范围提供参考.     

隧道与溶洞间复合围岩抗水压能力数值模拟研究

针对平行导洞扩挖施工导致隧道与溶洞间围岩安全厚度不足问题,将围岩与注浆结石体、衬砌结构与注浆结石体视为复合围岩,采用岩石真实破裂过程分析软件（Rock Failure Process Analysis, RFPA）软件对复合围岩破裂突水演化过程进行数值模拟,探讨了不同厚度和类型复合围岩的抗水压能力。结果表明：复合围岩破坏分为外层注浆结石体破坏和内层围岩破坏两个阶段;围岩、注浆结石体厚度越大,复合围岩抗水压能力越高;施作初期支护和二次衬砌将显著提升复合围岩抗水压能力,当二次衬砌厚度为1.2 m时,抗水压能力可提高至4.44 MPa,为新圆梁山隧道穿越2#溶洞施工合理选择临时二次衬砌参数提供依据。     

三孔小净距隧道群极限状态下围岩破坏特征研究

平行三孔大断面小净距隧道开挖时,围岩应力场经过多次扰动叠加发生重分布,不再是单个隧道的简单叠加.利用强度储备法求得极限状态下的隧道围岩各点的安全系数,绘出开挖断面附近围岩的点安全系数分布图,并对不同净距与埋深对围岩极限状态的破坏特点进行研究.结果表明:随着净距的增大,洞周达到强度极限的围岩范围增大,围岩自身稳定性不断提高;埋深较小时,边洞的拱顶变形小于中洞,而当埋深大于25 m时,三洞的沉降大致相等.     

圆形隧道环向存在隐伏充填溶腔时防突岩墙的上限稳定性分析

岩溶隧道施工中遭遇高压充填溶腔时,若防突岩墙的稳定性不足易造成突水突泥等地质灾害.因此基于极限分析原理提出了一种分析防突岩墙稳定性的研究思路.针对隧道环向遭遇隐伏充填溶腔的工况,利用广义切线法获得Hoek-Brown非线性破坏准则的转化强度参数,构建了岩墙二维计算模型.并结合上限原理与强度折减技术,将安全系数引入能耗分析过程,达到了表征防突岩墙稳定性的目的.最后,通过优化分析,探讨了岩墙安全系数随各参数的响应情况.研究结果表明:除围岩重度参数外,岩墙厚度、溶腔充填物压力、隧道支护压力、圆形隧道断面直径、单轴抗压强度、Hoek-Brown常数等,都对岩墙安全系数的变化影响显著.此外,将方法应用至"宜万铁路"、"忠垫高速"和"恩来高速"的岩溶隧道中,良好的结果验证了方法的可行性.     

深埋超大断面局部近水平岩层结构垮塌失稳机理

针对深埋超大断面隧道穿越近水平岩层的围岩稳定性问题,建立了局部近水平岩层结构力学模型。认为局部岩层的垮塌失稳为掌子面后方应力重分布形成的均布竖向荷载,及水平荷载作用下结构力学模型的弯拉脆性破坏和剪切塑性屈服过程。通过针对依托工程验证了深埋超大断面隧道,建立局部近水平岩层结构力学模型,分析围岩垮塌失稳的合理性和可靠性;并提出了超大断面深埋隧道近水平围岩失稳后的合理处理措施。研究成果可为深埋超大断面隧道局部近水平岩层结构垮塌失稳及其治理提供理论支持。     

岩溶区全断面开挖隧道围岩变形特性模拟

运用相似模型试验和数值分析手段对石灰岩地区公路隧道在全断面开挖过程中 ,隧道周边不同溶洞分布对隧道围岩变形特性的影响进行了系统的研究 ,模型实验结果与三维动态开挖过程的数值模拟结果较为吻合 .研究结果表明 :有溶洞的围岩在开挖前有较大的前期变形 ,溶洞引起的隧道围岩变形主要发生在分布有溶洞的断面开挖前和开挖瞬间 ;位于隧道顶部附近的溶洞对拱顶下沉位移的影响大于侧壁位移的影响 ;位于隧道侧面的溶洞主要引起隧道的整体侧向位移 ,使隧道处于偏压状态 ;隧道底部的溶洞对隧道的顶部和侧壁径向位移的影响较小     

隧道前方大型溶洞对隧道围岩稳定性影响

在尚家湾隧道施工期间,曾预报并揭露大型溶洞,溶洞的存在给隧道施工带来极大的安全隐患。以尚家湾隧道为背景,开展数值试验。通过对比隧道前方有、无溶洞条件下开挖工况,从位移、应力、塑性区3个方面分析了隧道前方大型溶洞对隧道围岩稳定性的影响。研究表明:对于本工程而言,溶洞对隧道底部和左侧拱腰的影响要大于对隧道顶部及右侧拱腰的影响;隧道前方存在大型溶洞条件下塑性区体积随开挖位置呈指数增长。隧道前方无溶洞条件下,塑性区体积随开挖位置呈线性增长,即溶洞的存在大大加速了隧道开挖塑性破坏区的增长。该研究对岩溶地区隧道安全施工具有一定的指导意义。     

隧道与前方大型溶洞应力集中叠加效应

在陆家寨岩溶隧道施工期间,曾预报并揭露大型溶洞,施工过程中接近溶腔段围岩变形较大且伴随围岩块体脱落,给隧道施工带来极大的安全隐患。基于深埋球形洞室的弹塑性二次应力分布,结合新奥法隧道施工理念,利用FLAC3D模拟隧道开挖接近并进入大型溶洞的过程。在自重应力场下分析不同大小的球形洞室周围应力场对隧道围岩变形的影响。结果表明:球形洞室会在周围形成中心半径为1. 5倍洞室半径的应力集中带;隧道开挖接近应力集中带时,将引起隧道前方应力集中区与溶洞应力集中带的叠加;随着隧道继续开挖,叠加效应在下一个进尺完成后失效;分布在隧道两侧围岩,该叠加再分散的过程会造成拱顶、拱肩的变形增大,影响隧道开挖的安全。研究为中国岩溶隧道的建设有重要的参考和借鉴价值。