银西高铁黄土塬区古土壤围岩隧道含水率变化特性研究

以银西高铁早胜三号隧道为例,采用现场监测,对黄土塬区古土壤隧道围岩含水率及钢拱架应力变化特征进行研究。结果表明,古土壤隧道围岩含水率具有明显的时空效应,在时间上呈"增大-波动-平稳"的三阶段变化趋势,含水率趋于稳定后仰拱和拱脚部位围岩含水率均大于拱顶和拱脚处,且仰拱处含水率增幅在整个断面呈最大;钢拱架主要承受压应力,拱顶和拱腰处的钢拱架压应力最大,钢拱架在施工期内承受围岩压力、确保大断面古土壤隧道围岩稳定性方面发挥着重要作用;深埋古土壤隧道围岩变形以拱腰和边墙部位的水平收敛和沉降变形为主,拱顶沉降变形较小。     

泥质页岩偏压隧道支护结构受力特征研究

为了研究中国西南地区泥质页岩地层修建隧道时所存在的围岩大变形、初期支护偏压破坏等现象,依托中老铁路玉溪至磨憨段曼木树隧道为工程背景,通过现场监测和数值模拟相结合的方法对泥质页岩偏压段的围岩变形、围岩压力和钢拱架应力进行研究,探讨支护结构的受力特征.研究结果表明:上台阶开挖后的变形占总变形量的80％,最大变形位置为左侧拱腰处;围岩压力和钢拱架应力呈现明显的"上大下小"和"左大右小"的空间分布特点,围岩压力最大值为386.4 kPa,钢拱架应力最大值为174.2 MPa;模拟结果与实测结果变化趋势接近,具有明显的偏压特征,左侧拱腰位置偏于危险.研究成果可为泥质页岩地层下隧道的设计和施工提供参考.     

跨不同倾角软弱层隧道围岩变形规律

山区隧道与地下工程的建设中多会穿越软弱夹层或破碎带等软弱地层。此类软弱地层几何形态变化大,力学性能差,隧道开挖后的收敛变形往往难以控制,这也成为山岭隧道施工以及结构设计的难点所在。本文着眼于软弱地层倾角对隧道围岩开挖变形的影响规律,利用模型试验,对无支护条件下软弱层围岩的拱顶、拱腰进行研究,监测了软弱层倾角分别为45°、60°、90°、120°、135°时隧道开挖造成的收敛变形;并结合数值模拟方法,进一步对比验证了模型试验的检测规律。结果表明：软弱层倾角对隧道围岩变形的影响十分显著。随着软弱层倾角的增加,隧道拱顶、拱腰以及仰拱的围岩位移先减小后增大。不同软弱层倾角下,通过归一化处理发现,拱顶和拱腰位置数值计算和模型试验的围岩位移变化结果呈现出高度的一致性。且根据监测面的塑性区云图,剪切破坏的区域贯通,分布于隧道一周,其面积随着软弱层倾角的增加,先减少后增大。     

穿越煤层和断层的隧道开挖围岩变形分析

山区地质构造复杂,难免穿越复杂地层,此类地层强度和稳定性较低,往往对隧道围岩变形起着决定作用。本文以宝鼎2号特长公路隧道为依托,基于数值模拟和现场监测数据,分析隧道穿越断层及煤层时围岩的变形规律。研究结果表明：隧道穿越断层及煤层时,拱顶、拱腰、仰拱处的位移都发生突变,最终位移值皆远大于不含断层及煤层处的围岩,且不同空间位置的煤层对围岩变形的影响不同,与隧道轴线相交的煤层对隧道拱顶、拱腰、仰拱位移都有明显影响,而只处在隧道上方的煤层,仅对隧道拱顶的位移有影响,对拱腰和仰拱位移影响很小。     

隧道掌子面前方小型有压溶腔对围岩稳定性影响分析

以重庆双碑隧道工程为研究对象,采用FLAC3D模拟施工中掌子面正前方存在小型带压溶腔的情况,根据计算所得安全临界距离,采用自主发明的一套模拟溶腔内压的试验装置,开展了几何相似比为1∶25的室内模型开挖试验,研究隧道开挖至安全临界距离时,溶腔内压增加至掌子面崩坏过程中,此阶段掌子面周边围岩压力、掌子面位移以及初期支护内力的变化规律.结果表明:随着掌子面前方溶腔内压的增加,掌子面位移先呈近似正比例增加,随后掌子面位移增大速率逐渐增加,最后产生突变破坏;围岩压力随溶腔内压增大呈现出增大趋势,其中拱顶处围岩压力影响较大,拱肩与仰拱处次之,其他位置围岩压力影响不大;钢拱架弯矩分布规律在不同溶腔内压作用下基本相同,在溶腔内压增大过程中,初期支护拱顶以及仰拱处弯矩呈增大趋势,其影响主要集中在拱顶附近及拱底处,其它位置处弯矩影响不大;随溶腔内压增大钢拱架轴力均呈现增大趋势,轴力变化较大位置主要出现在拱顶处,左右拱腰处次之,仰拱以及拱肩处变化幅度较小;受溶腔内压大小的影响,掌子面处位移、初支内力以及偏心距变化速率均越来越快.     

软弱破碎围岩隧道洞口段大变形处治数值模拟

为研究软弱破碎围岩隧道洞口段大变形的治理方法,以临吉高速公路松卜岭隧道洞口段为工程背景,采用弹塑性有限元方法对隧道洞口段处置方案进行数值模拟,结合现场实测监控数据,对处治结果进行分析评价。结果表明:该隧道所处地层围岩软弱破碎稳定性差,加之地形浅埋偏压,导致进洞施工下沉量过大。临时仰拱和设置双液注浆小导管共同作用连接纵向钢拱架,可有效改善围岩变形提高支护能力,防止坍塌事故发生,并为同类相似工程提供参考。     

高地应力富水软岩铁路隧道变形机理及施工控制措施

国家一带一路重点项目云南玉磨铁路曼勒一号隧道地处喀斯特地貌区,现场施工中遇围岩地应力高、变形量大、变形持续时间较长等问题,导致初支变形严重,影响施工进度,其中高地应力是导致围岩大变形的主要原因。本文通过建立力学模型分析与施工现场试验,提出开挖迂回导坑释放高地应力的控制措施,降低隧道围岩大变形风险。研究结果显示：通过数值模拟分析增设迂回导坑后隧道正洞围岩变形量有效降低,拱顶沉降及拱腰收敛分别降低38.46%和58.34%、围岩塑性区最大塑性应变减小25.40%,围岩及初支结构应力减少了20-24%。现场施工中,迂回导坑段隧道比仅开挖隧道正洞的围岩变形量减少了61.92%。迂回导坑的开挖有效控制变形量及变形速率,现场试验效果良好,施工进度得以加快。     

大断面高含水量黄土隧道初期支护力学特性研究

以宝兰客专某隧道为工程背景,基于隧道开挖断面大,通过地层黄土含水量高等工程特点,通过现场监测和数值模拟结合隧道开挖方法对大断面高含水量黄土隧道初期支护力学特性进行研究。研究结果表明围岩压力和钢拱架应力均经历了初期波动阶段-稳步增长阶段-趋于稳定阶段的变化规律,稳定周期在一个月左右;由于高含水量黄土软弱,压力盒挤压后陷入围岩中,不能监测到围岩压力的全部值;钢拱架受力表现出最大跨以上受压很大,边墙部位受拉的分布规律;数值模拟能够经济、方便地协助现场监测完成科研任务。研究过程为该隧道的信息化施工提供了保证,同时研究成果也可为设计和分析研究其他同类工程提供参考。     

小净距隧道围岩受力特征的研究

文章以某小净距隧道为例,采用三维有限元数值模拟不同净距时左右洞开挖后中壁岩柱、拱顶位移及隧道周边的围岩受力状况,从上述分析可以看出,随着净距的减小,围岩（特别是中壁岩柱）受力将逐渐增加,拱顶位移将逐渐变大,同时随着围岩物性指数的降低,围岩将产生塑性区域,其受力状态将越来越不利。     

玉磨铁路软岩浅埋隧道冒顶机理分析及防治措施

以国家一带一路重点项目云南玉磨铁路曼勒1号隧道浅埋段为依托,结合现场施工中遇邻近断层破碎带隧道塌方冒顶事故,研究了西南地区软岩浅埋隧道冒顶防治措施.采用MIDAS GTS NX有限元软件建立邻近断层破碎带的浅埋隧道模型,依据隧道冒顶机理分析及有限元模型模拟分析结果,提出浅埋隧道支护方案.研究结果表明：在强化支护措施后浅埋隧道拱顶沉降及拱腰收敛均在允许变形量范围内;围岩塑性区主要集中在拱顶两侧及拱腰处,右侧塑性区范围较大,产生塑性破坏的风险较大.围岩最大主应力及初支最大主应力显示,隧道右侧拱腰处初支出现应力集中的风险较大,围岩出现应力集中后会导致受压破坏区和受剪破坏区逐渐增加,当两种破坏区域逐渐重合后围岩会产生塑性破坏,最终导致塌方冒顶.根据模拟计算及现场实际工况,本文提出在隧道塌方冒顶段采用“大管棚+小导管”超前支护组合、洞内全环I18型钢钢架附加临时横撑的支护防治方案,为了提高围岩稳定性对断层破碎带进行注浆加固,经现场施作后防治效果良好,为今后类似工程提供指导.     

渗流对CRD法开挖浅埋偏压隧道洞口段影响的分析

针对在隧道洞口段采用CRD法开挖过程中,因渗流作用而导致围岩的物理力学状态发生变化和引发的问题。在考虑渗流的情况下,运用FLAC_3D软件,分析浅埋偏压隧道围岩在CRD法施工时物理力学状态的变化规律。结果表明：在开挖周围产生较集中的漏斗形状的孔隙水压力区域;地形的偏压造成隧洞右侧的应力大于左侧,随着CRD法的分步开挖,每步开挖后造成的导洞在拱顶、底板、边墙处横向均产生了应力集中,左洞在完全开挖与支护后,应力集中现象逐渐减少;在考虑渗流时第三步开挖对初始开挖处围岩变形影响最大;在CRD法开挖过程中,对围岩变形影响较大的是第七步;拱腰和拱顶发生的位移,在考虑渗流时大于未考虑渗流时的情况,但拱底出现与上述相反的现象。     

地形偏压隧道地表处理措施分析

以回头沟隧道工程为依托,对削坡法、回填法、地表注浆法等偏压隧道地表处理措施进行数值模拟,从控制围岩变形、减小围岩应力出发,分析不同地表处理措施对隧道偏压产生的影响。结果表明:削坡法将坡比由1∶1.65削至1∶2和1∶2.5后,左右拱肩位移差分别降低了52.7%和75.3%,对围岩竖向位移影响差别较大;回填法将坡比由1∶1.65回填至1∶2和1∶2.5后,左右拱肩位移差分别降低了48.9%和50.0%,对围岩竖向位移影响几乎相同;注浆法注浆后,拱顶及左、右拱肩的竖直位移均比注浆前降低90%以上,地形偏压对隧道的影响基本消失,但注浆区域水泥-水玻璃浆液使围岩密度增大,引发应力场的重新分布,需提高相应位置支护强度。故从围岩变形和应力两方面考虑,采用削坡法将坡比由1∶1.65削至1∶25是处理回头沟隧道偏压段最有效的措施。     

浅埋泥岩隧道仰拱底鼓力学特性

为了研究浅埋泥岩隧道仰拱底鼓变形特征,提出一种新的模型试验法,以强制位移的加载方式模拟基底围岩的膨胀作用,对隧道基底围岩膨胀引起的衬砌与围岩受力变形破坏特征进行了系统分析。结果表明：泥岩隧道因基底膨胀作用发生仰拱底鼓后,衬砌的应力及洞周围岩压力分布发生显著变化;拱脚外侧和仰拱内侧表现为环向拉应力,容易出现受拉破坏;相较于衬砌的其他部位而言,拱脚和仰拱对基底膨胀的力学响应更为明显,且随着膨胀作用的增强,拱脚和仰拱之间的应力差值逐渐增大;按照围岩的失稳状态,将围岩压力的变化状态分为初期增长、中期稳定和末期快速增长3个阶段,在末期快速增长阶段,隧道竖向收敛值快速增加,衬砌应力增长速率变大,加剧了仰拱的破坏;基底膨胀作用下使得隧道两侧围岩容易失稳。研究结果可为泥岩隧道结构设计优化提供有益参考。     

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。     

高铁隧道穿越采空区段围岩变形受力规律分析

为研究高铁隧道过采空区段的围岩变形规律,本文以太焦高铁皇后岭隧道典型过采空区段工程为背景,通过对典型断面进行隧道围岩变形和拱架内力的持续监测,对比分析不同施工阶段下高铁隧道围岩变形受力规律。分析结果表明：上台阶开挖时是围岩变形发生的主要阶段,隧道最大沉降变形发生于拱顶,占总变形比值的50%以上,且隧道距离采空区底板距离越近,围岩受开挖和采空区扰动影响越大;钢拱架受力为全环压应力,整体分布呈现“上大下小”、“不均匀对称”的特点,受力最大位置出现在拱顶和右拱肩位置,并且拱架受力随着掌子面的远离,其轴力变化速率呈现出逐步减少的趋势。结合位移和应力监测数据分析结果,采空区对隧道的影响高度约为25.7m。研究成果可为类似隧道过采空区工程的设计、施工提供借鉴和参考。     

基于现场实测的绢云母片岩隧道变形与受力特征

绢云母片岩是西南地区普遍存在的复杂地质软岩,遇水易软化、泥化,在该中地层条件下施工的隧道普遍出现软岩大变形问题,处理不当还会造成塌方,极易造成严重后果。以实际工程为载体,通过现场试验,研究绢云母片岩隧道的变形与受力特征。研究结果表明:三台阶开挖造成围岩压力的多级释放,每台阶开挖后围岩压力均经历快速增长与缓慢增加两个阶段,围岩压力总体呈现出"右上、左下大,右下、左上小"的非对称分布;初期支护钢架以受压为主,应力"上大下小"分布,右拱腰处钢架压应力最大237. 4 MPa,大于钢架抗压强度设计值;围岩整体向内挤压,隧道呈现"上大下小"不对称变形,右拱腰处最大变形量325 mm,大于预留变形。研究指出了施工过程中的安全隐患,并为绢云母片岩隧道的设计、施工提供了数据参考。     

扁平超大断面隧道的施工力学特征及其动力稳定性分析

针对超大断面小近距隧道支护设计中的围岩压力分布、位移变形特征问题,以牛寨山双洞八车道公路隧道为研究对象,建立了考虑工程实际地形、工程地质的三维有限元模型,开展了隧道开挖的施工力学形态数值模拟分析,得到了隧道施工过程中隧道围岩变形规律,探讨了小净距大断面隧道近接施工的影响规律.结果表明,小净距大断面隧道所表现出来的施工力学特性复杂,由于偏压的影响,围岩整体水平位移呈非对称分布,最大水平位移发生在南线隧道拱肩处,隧道拱顶下沉最大值发生在先行洞,隧道仰拱处隆起较大;应力集中在两洞仰拱和拱脚处.在此基础上,开展了隧道开挖后的动力有限元计算,分析了洞口段地震力作用下的动力响应,评价了其动力稳定性.计算结果可为优化设计、指导隧道施工以及为隧道稳定性和支护结构安全性评价提供参考.     

泥质粉砂岩地层浅埋联拱隧道锚杆支护效果研究

锚杆在软弱围岩等特殊地层中的作用效果一直是近几年的研究热点。为了明确泥质粉砂岩地层中系统锚杆的作用效果,本文通过现场监测的方法研究了泥质粉砂岩地层联拱隧道取消锚杆试验段与布设锚杆试验段拱顶沉降、水平收敛、围岩压力以及钢拱架内力等监测项目的变化规律和异同。结果表明：取消锚杆试验段拱顶沉降、水平收敛与布设锚杆试验段差别不大;取消锚杆试验段围岩压力略大,但分布较为均匀,试验段围岩压力均小于理论计算值;联拱隧道先开挖洞拱架内力大于后开挖洞,布设锚杆试验段由于锚杆约束拱架的作用导致拱架受力较小;隧道大部分位置锚杆受压,轴力范围为-4.45kN~4.23kN,最大拉力占杆体极限拉力值的2.35%,锚杆抗拉效用无法得到充分发挥。     

采空区大跨连拱隧道围岩稳定分析及其加固

为了深入研究复杂地质条件下大跨度双连拱隧道围岩稳定性及施工关键技术,以沪昆高速公路灯草塘隧道为依托工程,基于有限差分软件,建立灯草塘隧道实际地质模型,重点进行双向六车道连拱隧道邻近采煤空洞时的围岩稳定数值计算,结果表明:靠近空洞一侧的主洞水平位移及拱顶沉降均大于另一侧的,隧道底板隆起位移也存在同样的规律;空洞与隧道之间围岩最大主应力大部分为拉应力,靠近空洞侧隧洞围岩最大主应力与另一侧相比较差异明显,且空洞与隧道之间塑性区范围较大。另外,基于数值分析结果,结合隧道实际空洞情况,研究了Ⅵ级围岩条件下隧道附近采煤空洞的处置及围岩的加固技术。     

粉煤灰堆积体地层连拱隧道开挖错距影响分析

粉煤灰堆积体自稳能力差,受力即破碎成散颗粒,隧道穿越粉煤灰场区时失稳围岩对施工安全构成极大威胁。以盐坪坝连拱隧道为依托,根据粉煤灰力学性质对比选用了塑性-硬化本构,通过有限差分软件FLAC3D对不同开挖错距进行数值模拟,设置中导洞上下台阶以及左右洞开挖错距工况分别为5m、10m和15m,研究不同开挖错距对粉煤灰堆积地层中双连拱隧道的围岩和结构的影响。结果表明：中导洞台阶开挖错距不宜超过10m,15m错距相比10m错距应力最大值增长了36.82%,左右洞采用小开挖错距可以有效减少中导洞拱顶位移；中导洞开挖完成后左右洞拱顶竖向位移已达到其总沉降量约50%,左洞拱顶沉降位移与开挖错距近似线性增长,后行洞开挖过程中对先行洞造成的影响较大；主洞采用不同开挖错距时应力积聚分布在不同位置,开挖错距大于10m后结构受力增幅快速增长,15m错距相比10m错距应力最大值增长了17.28%。可见主洞开挖错距不宜超过10m。