充填黏土型岩溶隧道大变形换拱衬砌受力研究

为了研究溶腔充填黏土的岩溶隧道大变形换拱后衬砌的受力特性,根据三江至柳州高速公路大塘隧道施工过程中左线(JK139+489～JK139+555)段围岩大变形换拱处置方案,采用现场测试与数值模拟的研究手段,分析了该类隧道围岩大变形情况下注浆换拱前后隧道初期支护及二衬的受力情况。结果表明：该类隧道发生大变形时拱顶部位变形最大,受力最大,拱脚处次之且局部受拉,拱腰最小,换拱后拱顶部位依然是受力最大点,拱脚受力减小;发生大变形后围岩注浆与支护时机是换拱处置方案有效性的主要影响因素,该类隧道处置应着重考虑提升围岩自身稳定性;注浆换拱后系统锚杆可起到加固围岩作用,同时隧道二衬作为主要受力结构与初期支护共同作用可减少支护结构约66%的变形,是保证隧道长久稳定的主要因素。     

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.     

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。     

偏压连拱隧道围岩稳定性模型试验与数值分析

按弹性阶段相似原则进行偏压条件下连拱隧道的室内模型试验,模拟连拱隧道的施工工况,研究Ⅲ级围岩地质条件下,偏压连拱隧道开挖的可行性.采用压力盒、数码相机、沉降板等仪器量测试验过程中隧道围岩应力和位移分布.应用三维连续介质快速拉格朗日元对偏压条件下连拱隧道的围岩稳定性进行了分析,掌握连拱隧道开挖时围岩的整体力学性质、变形趋势以及稳定性特点.物理模型所得结果与数值模拟所得结果进行对比分析,结果表明偏压条件下连拱隧道施工过程中,隧道左右洞室拱顶存在较大的差异沉降;右洞拱顶及左洞拱脚围岩是隧道最为薄弱的地方;中墙作为连拱隧道的关键结构,承受了较大的外部荷载,除其本身要达到强度及稳定性要求外,墙顶及墙底围岩易发生塑性屈服;偏压对隧道拱顶的影响最明显,侧墙次之,对拱底影响较小以及隧道围岩不稳定区域和围岩的松动范围与对称荷载情况存在明显差异.     

浅埋偏压对连拱隧道施工力学效应的影响及处治措施

浅埋偏压赋存条件是诱发连拱隧道大变形灾害的重要因素.以某浅埋偏压公路连拱隧道工程为背景,借助数值模拟方法对比研究不同开挖方案条件下偏压连拱隧道围岩、支护结构及曲中墙力学行为变化规律,并结合现场实测数据分析偏压洞口失稳灾害原因及处治措施.研究结果表明,围岩水平位移和竖向位移呈非对称分布,施工阶段埋深较大侧围岩变形受偏压荷载作用影响更为显著;不同开挖方案条件下中墙水平应力分布差异不明显,而竖向应力分布差异较大,中墙墙脚(拱脚)位置出现水平压应力集中现象;方案Ⅱ条件下隧道初期支护拱顶水平和竖向位移均约为方案I的1.40倍以上,且方案Ⅱ更易引起埋深较大侧隧道中墙墙体因遭受附加偏压荷载作用而发生压裂破坏;针对浅埋偏压洞口大变形诱发原因,给出相应的防治措施,加固处治效果显著.研究成果可为浅埋偏压隧道施工变形控制和灾害防治提供科学参考.     

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.     

钢拱架槽钢纵连+三台阶锁脚锚杆炭质软岩隧道施工数值计算与现场试验

针对某高速公路炭质软岩隧道施工病害问题,提出一种钢拱架槽钢纵连+三台阶锁脚锚杆加强支护方案,采用有限元数值计算及现场试验测试方法,探究了开挖施工步影响下初期支护结构受力及变形规律.研究结果表明：采用加强支护方案后,结构最大应力位于初期支护结构拱顶部位,数值计算与现场试验值分别为1.591、1.587 MPa,拱顶沉降的数值计算与测试值分别为9.575、13.670 mm,数值计算与现场试验结果基本吻合,满足结构安全要求;钢拱架槽钢纵连结构整体稳定性较好且内力分布均匀,提高了初期支护结构纵向稳定性,降低了围岩及初期支护结构的不均匀沉降值;三台阶锁脚锚杆由于受到初期支护结构的下沉剪力作用,根部形成弯折,通过横向抗力将荷载传递到围岩中,加强了初期支护结构环向承载力,抑制了初期支护结构的变形与沉降.研究成果可为类似工程提供借鉴参考.     

软硬互层隧道稳定性分析及初期支护优化

采用ANSYS非线性接触分析方法,考虑层理效应并应用于重庆四面山隧道V级砂泥互层段进行围岩稳定性分析及初期支护优化.研究表明:隧道开挖后拱顶下沉值为水平收敛值1.5~2.0倍,拱肩处锚杆受力较拱顶处大,拱腰及拱脚处锚杆几乎不受力;根据水平软硬互层隧道开挖后围岩变形及支护受力特点,优化锚杆支护,得出砂泥互层施工段可将与岩层夹角小于35°范围的锚杆取消.在原有方案及优化方案施工段进行现场测试,结果显示模拟及优化数值与测试值基本符合.研究成果可在类似隧道施工中推广应用.     

溶洞对隧道结构变形与受力特征的影响研究——以大方隧道为例

为探究溶洞对隧道结构变形与受力特征的影响,采用数值模拟方法,通过改变溶洞分布位置、尺寸大小以及与隧道结构净距等不同因素,建立了二维有限元模型,分析了溶洞对隧道结构位移与内力的影响。结果表明：溶洞使隧道结构变形与受力发生了改变,伴随溶洞与隧道距离的增大,隧道结构产生的位移逐渐减小,在同一净距下,随溶洞尺寸增大隧道结构位移逐渐增大,与无溶洞工况对比,溶洞使得隧道结构内力发生了重新分布,在靠近溶洞一侧隧道结构变形与内力均较大。当溶洞直径小于0.4倍隧道尺寸时,溶洞对隧道结构变形与内力影响均较弱,当溶洞直径大于0.6倍隧道尺寸,且与隧道净距小于0.3倍隧道尺寸时,溶洞对隧道结构变形与内力影响显著,最后通过对比分析,得出对隧道稳定性最不利的溶洞位置是隧道侧部溶洞。研究成果可为岩溶隧道设计施工提供科学参考和借鉴。     

浅埋黄土隧道不同施工与加固方法的颗粒流数值模拟

针对浅埋黄土隧道在开挖过程中发生的拱顶过量沉降问题,采用颗粒离散单元法模拟了不同开挖方法和加固措施对围岩稳定和变形的影响,分析了6种工况的围岩压力分布和位移发展情况,讨论了开挖方法和加固措施对隧道围岩稳定的影响.模拟结果显示,隧道拱肩和拱脚应力集中处水平位移较大,拱部和边墙开挖为黄土隧道留核心开挖施工中的关键工序,施工中宜及早支护避免隧道发生过大变形.浅埋黄土隧道拱顶下沉量远大于周边收敛;对于相同的支护形式,留核心土下部全断面开挖法产生的位移总量约为留核心土下半断面分部开挖法的1.2倍;对于相同的开挖方法,无超前注浆支护产生的位移总量约为有超前支护的1.5倍;而有无系统锚杆的隧道围岩变形量基本相同.研究表明,浅埋黄土隧道可采取超前导管注浆减小隧道开挖变形,而系统锚杆由于支护效果不明显可考虑取消.     

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。     

超大断面隧道双侧壁导坑法开挖步序优化

重庆市轨道交通5号线1期3标段为富水浅埋扁平超大断面隧道工程,采用9步双侧壁导坑法中的对称开挖步序施工。应用MIDAS-GTS软件建立隧道三维有限元模型,计算了3种不同开挖步序条件下地表沉降、围岩变形和支护结构受力情况,并将计算结果与现场监测数据进行了对比验证。验证结果表明:扁平超大断面隧道拱顶区域受力作用面较大,拱顶区域围岩及喷混支护应力较大,拱顶稳定性较低,拱脚应力集中。施工阶段隧道结构对横向变形较为敏感,3种开挖步序拱脚水平收敛值曲线随施工步序呈现多台阶变化;中隔墙核心土拆除时,水平收敛值及拱顶沉降值曲线出现突变,该阶段应增大监测频率。对3种施工步序进行了数值模拟,提出了本工程地质条件下大跨扁平隧道施工的合理步序。     

破碎岩质斜坡下浅埋连拱隧道施工力学效应研究

以某高速公路连拱隧道为研究对象,采用数值模拟方法研究破碎岩质斜坡下浅埋连拱隧道施工力学响应特征,并分析加固措施和开挖顺序对隧道围岩和结构应力与位移的影响规律。研究结果表明,偏压连拱隧道围岩水平和竖向位移均呈非对称分布,斜坡左上方为水平位移敏感区,拱顶和隧底竖向位移分别表现为沉降和隆起;中墙墙脚处出现水平应力集中现象,深埋侧中墙墙身受偏压作用显著,加固围岩可降低中墙墙身应力约16%以上,而先开挖深埋侧隧道会引起中墙墙身竖向应力增加达22%;初期支护结构位移呈非对称曲线分布,拱脚位置水平位移较大,左右两侧位移方向相反;从控制围岩和支护结构位移角度,采取斜坡与隧底破碎围岩注浆加固措施后处治效果显著,且宜优先进行地形偏压浅埋侧隧道施工。研究成果可为类似地质地形条件的偏压隧道设计与施工提供科学参考。     

公路双连拱隧道"三导洞法"施工的力学分析

应用有限元数值方法,对连拱隧道“三导洞法”施工时围岩和结构的受力、变形规律进行了分析.在两正洞拱部施工的时候,左右洞拱顶沉降约占最终沉降的70%.中墙受到偏载作用,不仅产生整体偏转,而且在偏转的同时产生扭转,引起墙体中部向左侧凸出的弯曲变形.二次衬砌分先后洞全断面一次浇筑时,围岩的底板隆起和拱顶沉降减小,边墙水平收敛增大,围岩稳定性增强.因此,在双连拱隧道设计与施工中,超前隧道初期支护尤其中墙顶拱脚处应予以加强;后进隧道一侧的中隔墙底部必须回填;中隔墙底部要设计足够的抗拉钢筋.     

应用荷载释放系数法模拟黄土隧道施工

针对新奥法施工的黄土隧道,应用大型通用有限元软件ANSYS模拟黄土隧道开挖支护的施工过程,采用荷载释放系数控制围岩的荷载释放,分析隧道施工对围岩及支护结构力学特性的影响.分析结果与工程实测结果的对比表明:采用荷载释放系数法能较为合理地模拟黄土隧道施工过程,得出围岩和支护结构连续受力变形的情况;建议在隧道施工过程中加强拱...     

层状岩体隧道变形特征数值模拟研究

为研究层状岩体的层厚与倾角对隧道及围岩稳定性的影响,以贵州省栗木山隧道为背景,采用有限元软件ANSYS分析了层状白云质灰岩地层隧道开挖后的围岩与支护结构受力变形特征,得到了不同岩层厚度和结构面倾角时围岩和衬砌的位移云图、关键节点的位移。研究结果表明,隧道拱部竖向位移呈"V"型分布,最大竖向位移出现在隧道拱顶,最大竖向位移随岩层厚度增大而减小,存在明显的临界厚度,当岩层厚度大于0.6m,减小趋势变缓;倾斜岩层隧道围岩与衬砌位移存在明显的非对称性,岩层倾向侧位移小于另一侧,非对称性随倾角增大先增大后减小,倾角45°时最为明显,倾角大于60°时逐渐趋于平稳;拱脚和墙帮的位移受倾角变化小。层状岩体隧道支护设计、施工时应避免拱顶和非对称变形过大造成事故。     

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     

软弱地基参数对隧道施工稳定性的影响研究

为探明软弱地基参数对隧道施工稳定性的影响程度,以青海某高速公路隧道洞口段为研究对象,采用FLAC3D建立多组数值模型,进行隧道施工数值模拟。详细讨论了软弱地基厚度、弹性模量、粘聚力和内内摩擦角对隧道稳定性的影响。结果表明:软弱地基厚度和弹性模量对围岩变形、塑性区和支护结构应力影响最大,是影响隧道施工稳定性的主要因素;粘聚力和内内摩擦角对围岩变形和支护结构应力影响不大,对围岩塑性区有一定的影响,且内摩擦角影响程度大于粘聚力。研究结论可为软弱地基隧道设计和施工提供参考。     

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。     

软岩双连拱隧道施工模拟与力学分析

结合某双连拱隧道实体工程,通过建立弹塑性模型,应用有限元程序对该隧道进行仿真分析,模拟其施工过程中受力性态,获得了有关软岩双连拱隧道在施工过程中围岩-支护体系的力学性态,并对三导洞方案修建双连拱隧道时围岩和结构的受力、变形规律进行了详细分析,为隧道围岩稳定性的评价提供了准确的资料,从而为软岩双连拱隧道的设计与施工提供技术指导。