隧道完整型岩盘渗透破坏失稳机制流固耦合模型试验研究

为研究深长隧道开挖过程中完整型岩盘在工程扰动和地下水渗流作用下发生渗透破坏的失稳机制,以在地形地质条件复杂的中西部地区修建的深长隧道-利万高速齐岳山隧道为工程背景,通过能够同时实现高水压加载和隧道开挖的渗流突水模型试验系统和配制的流固耦合相似材料,开展深长隧道完整型岩盘渗透破坏灾变演化规律的物理模型试验,研究了开挖扰动和防突岩盘厚度对其渗流特征的影响.研究结果表明:深长隧道完整型岩盘渗透破坏失稳突水本质是开挖扰动和地下水渗流耦合影响下突水通道逐渐形成、防突岩盘逐渐丧失阻水能力的结果;开挖扰动和防突岩盘厚度对围岩内水压力分布和涌水量具有显著的影响,围岩水压在承压水渗流作用下经历"稳定-增大-稳定"的过程;隧道开挖过程中,承载水压、涌水量与防突岩盘厚度分别表现出正、负线性关系,水力梯度及渗透系数均具有明显的分段特征,突变点前水力梯度和渗透系数基本稳定,突变点后水力梯度急剧减小而渗透系数快速增大;随着防突岩盘厚度的减小,岩盘的阻水性能逐渐降低,对外加水压的承压能力逐渐下降;突水灾害的发生虽具有很强的"突变"性,但突水通道的形成将经历一个较慢的渗透破坏过程.研究结果可为深长隧道突水灾变机理的研究提供参考.     

隧道下穿采空区施工围岩灾变演化的力学机制

以2022年北京冬奥会高速公路交通重大保障工程玉渡山隧道为背景,针对隧道下穿点柱法采空区的施工难题,自主研制隧道下穿采空区相似模拟试验系统,同时结合离散-连续耦合分析方法,分析隧道下穿采空区施工时围岩破裂孕育演化规律,探究围岩灾变演化力学机制.研究结果表明,隧道下穿采空区施工时围岩变形破坏表现出如下特征:1)在隧道开挖...     

基于流固耦合的泥水盾构隧道施工引发地表变形

利用泥水盾构隧道开挖面平衡稳定原理,对泥水介质渗透的微观机理进行分析.同时,以具体工程为研究对象,结合流固耦合基本原理对由于开挖面泥水渗流所引起的隧道开挖位移场进行计算分析.研究结果表明:泥水介质向开挖面前方土体渗流时,将引起隧道地表附加沉降,且泥水压力大于主动土压力时,泥水压力越大,附加沉降量越大,但总沉降量越小;泥膜渗透系数越小、泥膜厚度越大附加沉降越小;适当增加施工进度有助于减少附加沉降.因此,在高渗透性地层条件下采用泥水盾构施工时,应确保泥水介质的质量,适当提高施工进度,尽量减少泥水渗透对开挖面稳定性及地表变形的小利影响.     

单洞四车道隧道开挖室内模型试验研究

沈大高速公路改扩建工程韩家岭单洞四车道超大跨公路隧道,拟采用台阶法开挖方案进行施工.通过室内相似模型试验对台阶法开挖方案进行研究,揭示了开挖过程中围岩的力学行为及其变化规律,为判定该开挖方案的可行性、防止施工过程中可能出现的塌方等事故提供依据.研究结果表明:最大位移发生在拱顶,拱顶下沉应作为围岩稳定判据的关键因素;如果严格控制循环进尺长度,及时施作初期支护,台阶法开挖能够满足隧道快速、安全施工的要求.     

偏压错台小净距隧道力学性态相似模型试验

试验研究了浅埋、偏压、错台条件下的小净距隧道力学性态相似模型,模拟不同的施工顺序(先开挖左洞和先开挖右洞)对隧道围岩及中间岩柱应力和沉降的影响.试验结果表明,在浅埋、偏压尤其是错台条件下,左洞和右洞开挖对中间岩柱的应力和位移均产生较大的影响;右洞先开挖引起整个上覆岩体的地表和深层沉降量比左洞大3%～48%,引起的两线隧道围岩中的应力释放量比左洞大3%～46%.左洞先开挖对隧道安全有利,应先开挖左洞.因此,针对平行的偏压小净距隧道应先开挖浅埋侧隧道的经验方法,对于错台不完全适用.数值分析和现场监测数据有力地验证了模型试验结果的合理性.     

海底隧道施工过程中初期支护受力特征试验研究

以厦门翔安海底隧道为依托工程,采用相似模型试验方式,研究在海水渗流场和围岩应力场共同作用下,隧道施工过程和变水头过程中,衬砌背后水压力的分布规律及受力特征.研究结果表明,隧道施工期间,在水土压共同作用下,隧道开挖对前方土体的影响范围约为2倍洞径,隧道开挖过后约1倍洞径,初期支护背后水压及应力趋于稳定;在变水头过程中,控制水的排放量对调整初期支护背后水压,保证隧道结构的安全起至关重要作用.试验所得结论与现场情况基本一致.     

基于流固耦合理论的郑州地铁隧道开挖数值模拟

以郑州地铁某区间的隧道施工为背景,采用基于流固耦合理论的COMSOL Multiphysics多物理场耦合的有限元软件对隧道开挖引起的地面沉降、不同的隧道埋深和地下水位进行数值模拟,并与现场实测结果进行对比分析.结果表明,隧道开挖前,渗流场的压力和应力场的有效应力沿水平方向均匀分布;地表沉降的数值模拟结果与实际较为接近;隧道埋深越深、地下水位越低对地表沉降的影响越小.     

黄土地层雨水管道施工对既有下卧地铁变形的影响

为探究基坑开挖和顶管施工共同作用下下卧隧道结构的响应规律,以西安兴善寺东街雨水管道工程为背景,采用数值模拟和实测数据分析相结合的方法对比分析采用明挖法和顶管法两种不同施工方式施工时下卧隧道变形规律,利用正交试验法研究基坑开挖和顶管施工共同作用时下卧隧道隆起量影响因素。结果表明：下卧隧道沿纵向5倍基坑开挖宽度内结构的隆起变形受基坑开挖影响较大,且基坑开挖卸荷使下卧隧道结构发生不均匀变形。左隧道拱顶最大隆起量为4.13 mm,拱腰最大收敛值约为0.55 mm,结构易发生扭转变形;右隧道拱顶最大隆起量约为3.19 mm,拱腰最大收敛值约为0.24 mm,结构易发生竖向拉伸变形。采用顶管法施工可以减少下卧隧道的变形量,实测数据表明顶管施工会使下卧隧道产生横向收敛,最大为1.7 mm,实际工程中应注意控制既有隧道结构的横向变形。基坑开挖和顶管施工共同作用时,各因素对左右隧道的影响程度不同,左隧道的隆起量主要受基坑开挖卸荷作用影响,右隧道的隆起量主要受顶管施工的顶推作用和开挖卸荷作用影响。同时应注意各因素之间不一定是相互独立的,需要考虑因素组合对下卧隧道隆起量的影响。     

基于关键块体理论的隧道分部施工时空效应

分部台阶施工的隧道开挖所形成关键块体因不同工序下临空面的位置、大小及开挖时机的不同而存在时空效应。阐述了关键块体时空效应的概念,并以福州长乐国际机场高速公路二期双向8车道特大跨度连拱隧道为依托,给出了时空效应概念及其工程应用;提出了关键块体所产生的时空效应应用的基本原则。结果表明:在采用双侧壁导坑施工的隧道中,预留核心部分岩体有利于隧道顶部块体的稳定;隧道施工时,减小开挖临空面面积能有效控制关键块体的体积,及时支护能减小因蠕变而导致的块体节理面力学性质的削弱;以时空效应应用基本原则为指导,将其应用于隧道开挖过程可省去部分临时支护,同时可提高隧道施工的安全性和经济性。     

隧道洞口大管棚施工技术

为解决隧道洞门地质条件往往较差这一道施工的重点和难点问题,大管棚应用越来越多。本文结合实体工程隧道洞口大管棚施工的成功实践,指出隧道导向墙基础处施工中应做成外侧扩大基础,并保证基础底部具有足够的承载力。当为软弱岩土体时还应加钻桩挤密;施工开挖时应垂直开挖,并对其基础底部以下的土体在开挖范围内加密锚杆以固结土体,防止失稳。可供同类工程施工参考。     

地铁施工考虑流固耦合效应对地表沉降影响

为探索城市浅埋隧道在流固耦合作用下产生的地表沉降,基于流固耦合分析理论,以某城市地铁隧道为例,运用有限差分软件FLAC-3D建模计算,对比分析了考虑流固耦合效应与否的地表沉降量,并与实际检测值比较;绘制出竖向位移等值线;并在流固耦合作用下,研究了不同地下水位高度的隧道施工对地表沉降的影响.结果表明:流固耦合作用下,地表沉降值与实测值基本吻合;隧道开挖周围区域等值线密集;地下水位高度对隧道施工的地表沉降量影响较大.     

基于渗流应力耦合的基坑开挖受力特性及其对邻近地铁隧道的影响

基于流固耦合理论,采用修正摩尔库仑本构关系,建立三维仿真模型,分析渗流特性、基坑开挖过程、不同降水速度下基坑施工特性以及其对邻近地铁的影响,并与实际监测结果进行对比分析。研究结果表明:土体渗流呈现空间差异性与时间差异性;基坑内降水速度对基坑外侧的地层变形影响较小;随开挖深度增大,土体位移增大,排桩水平位移总体上大于竖向位移;应力集中造成的基坑角部弯矩较大,在工程实践中应设置角部支撑分散应力集中产生的不利影响;锚固单元体系安全系数可满足设计要求;地铁区间隧道形状呈扁平状的椭圆形发展,隧道顶部及左右侧腰部受力较大,在设计施工中应进行配筋等加强处理;基坑开挖降水引起的左线隧道附加弯矩整体上明显大于右线隧道的附加弯矩;地铁隧道最大弯矩发生在左线地铁隧道中部靠近基坑位置;考虑流固完全耦合分析的计算结果与现场实测结果接近。     

大型隧道锚施工优化及其稳定性分析

针对隧道锚的施工及支护优化问题,根据坝陵河大桥西锚碇隧道锚工程地质条件、工程设计资料、施工方案以及现场试验监测资料等基础资料,进行了位移反分析;通过对隧道锚施工开挖的仿真分析,综合研究了开挖进尺、施工顺序、锚杆预应力水平等因素对隧道锚围岩开挖变形特征和塑性区分布的影响,从而提出了合理的施工开挖方案以及支护措施,并应用于实际工程施工过程中,结合监测成果评价了隧道锚围岩变形稳定性.此项研究可为同类工程提供参考.     

考虑流固耦合效应的浅埋矩形顶管隧道开挖稳定性分析

为进一步研究流固耦合效应下浅埋矩形顶管隧道开挖面稳定性,结合南通世纪大道站矩形顶管过街通道工程,通过现场监控、数值模拟和理论分析等手段,分析了饱和砂层中流固耦合效应对开挖面极限支护力、破坏模式及孔隙水压力的影响。结果表明：支护应力比的减小将导致开挖面位移呈现3个阶段发展形式,致使开挖面前方孔隙水压力减小,最终导致其整体失稳破坏;相较于无渗流力计算,考虑流固耦合效应时开挖面前方土体土拱效应发挥程度较大,其极限支护应力比远小于1;深径比对浅埋矩形顶管隧道开挖面前方的破坏模式影响较小,但在浅埋情况下与极限支护力呈线性关系。研究结果可为饱和地层浅埋矩形顶管隧道施工提供一定的参考。     

浅埋大跨连拱隧道的变形监控及数值模拟

在浅埋大断面大跨度双连拱隧道开挖过程中,对隧道进出口边坡点、地表点、拱顶下沉量等进行了监控量测,分析了隧道进出口边坡点、地表点、拱顶下沉量和隧道上覆岩层随开挖的运动变化规律及隧道结构的受力情况。数值模拟结果表明,浅埋大跨度双连拱隧道开挖施工对相邻隧道的受力状态和稳定性会产生很大的影响,施工过程中应加强对中导洞、隧道进出口等的监测,掌握连拱隧道开挖左右洞相互影响的规律,及时反馈指导施工,并采取相应的支护措施,确保施工安全。     

小净距浅埋公路隧道施工涌水风险及处置效果分析

当岩层节理裂隙较发育或呈碎块状且稳定性较差时,对于采用浅埋小净距公路隧道工程,雨季集中期的隧道开挖施工存在较高的涌水风险.以梅子岭小净距浅埋公路隧道工程为例,采用地质雷达对隧道临空掌子面开挖和未开挖区域进行布线扫描,针对降雨入渗条件下梅子岭隧道施工过程中产生掌子面涌水情况进行分析.采用三维数值模型流固耦合分析方法判别涌...     

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。     

煤层开采“固-气”耦合相似材料特性分析

为研究采动裂隙演化规律,选取适合的"固-气"耦合相似材料,结合岩石力学和流体力学理论,运用自行改进的单轴压力仪及渗透性测试装置,对不同材料配比所制作试件的力学及渗透特性进行研究。最终确定以砂子作为骨料,淀粉及水泥作为胶结剂,水作为溶剂,并对这种原材料组合在不同配比条件下制作试件的力学及渗透性影响因素开展试验研究,以此为依据开展"固-气"耦合物理相似模拟试验,揭示不同覆岩层位瓦斯浓度分布规律。结果表明:最终确定的材料配比组合能够满足岩石力学性能的要求,较原始固相相似模拟材料及"固-气"耦合相似材料PSO(Paraffin石蜡,Sand砂子,Oil油),其渗透速度平均分别下降91.61%及68.29%;通过对新型材料制作出的试件开展力学及渗透特性影响因素试验并进行非线性回归拟合,得出相应变化趋势的拟合方程,同时得到不同淀粉含量对试件抗压强度及渗透性影响趋势的拟合方程。开展二维煤层开采物理相似模拟试验,得到采动覆岩裂隙演化及不同覆岩层位瓦斯浓度分布规律,为进一步开展煤与瓦斯共采多场耦合物理相似模拟试验提供理论依据。     

软土基坑分步开挖卸荷时效及其对邻侧隧道影响

为研究软土地层中基坑开挖卸荷时效及其对邻侧隧道影响,设计并实施了相似比为1:20的物理模型试验,得到了基坑围护结构变形、地表沉降、坑底隆起、隧道竖向变形、隧道水平变形以及隧道断面收敛变形等数据。研究结果表明：基坑开挖引起的围护结构最大侧向变形为0.61%H(H为基坑深度),大于上海软土地区地铁车站基坑围护结构最大值的上限0.50%H;分步开挖过程中的墙体侧向变形和地表沉降具有明显的时间效应,卸荷时效对基坑变形的影响随开挖深度增加而增强;基坑开挖引起隧道变形以朝向坑内的水平变形为主,同时伴随少量朝上的竖向变形;隧道侧向变形与相同深度处围护结构侧向变形大致呈线性关系,据此可预估后续开挖引起的隧道侧向变形;基坑开挖引起邻近隧道产生径向收敛变形,隧道断面呈“横向伸长、竖向压缩”的特点,横向收敛约为竖向收敛变形的1.7倍;当隧道与基坑开挖面的竖向净距在0.2H～0.5H时,基坑开挖卸荷引起的隧道变形响应十分敏感,隧道竖向变形随坑底隆起增加而显著增加。     

行车作用下盾构隧道下穿框架桥梁耦合动力学特征

为分析行车作用下盾构隧道下穿既有铁路框架桥梁结构的耦合动力学影响,基于铁路大系统动力学与有限元理论,建立列车-有砟轨道-框架桥梁-土体-盾构隧道耦合动力学模型,研究不加固地层和加固地层开挖完成后所引起的既有铁路框架桥梁结构的沉降变形规律,引入ABAQUS^?-MATLAB^?联合仿真、时变耦合和多步长动力迭代求解策略,对盾构隧道下穿和行车作用耦合效应下既有铁路结构的动力响应进行数值仿真,分析和评估耦合效应下的列车动力学行为和行车性能。研究结果表明：相对框架桥梁不对称下穿,盾构隧道导致结构沉降变形呈不对称分布,左线先行开挖引起的沉降大于右线的沉降;加固地层能够减小盾构开挖引起的沉降变形和车致振动位移,但会增大车致振动加速度及框架桥梁应力;盾构开挖对列车运行造成附加影响,系统动力响应、车辆运行安全性和平稳性指标都与运行速度呈正相关,速度超过120 km/h后有跳轨风险;在速度为160 km/h时,车体振动附加影响增幅可达到136.03%。在施工过程中,应注意加固开挖造成的车致振动加速度增大现象,同时应当考虑降速通过盾构隧道下穿区段。