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.     

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。     

连拱隧道和小净距隧道的有限元比较分析

文章采用分析对比的方法,对Ⅴ类围岩下的相同埋深、支护的条件下的小净距隧道和连拱隧道施工全过程,应用ANSYS有限元程序进行模拟研究。根据2种类型隧道的应力、应变和位移,在不同工况下的对比分布规律,证实小净距隧道在位移和应力方面均优于连拱隧道,从而为隧道设计提供参考依据。     

富水软弱破碎带大断面隧道施工渗流影响及控制效果分析

依托某大断面隧道工程为背景,通过数值模拟并结合现场实测方法研究了隧道不同埋深条件下拱顶沉降、水平收敛、整体围岩应力和塑性区分布规律,并在此基础上,又对隧道在富水条件下的孔隙水压力进行了探讨。结果表明:拱顶沉降、水平收敛位移与水位高度呈正相关,埋深对水平位移影响较小,但影响范围增大;且随着隧道埋深的增加,拱顶沉降和水平收敛位移将在与破碎带间隔10m左右开始呈“瀑布式”增长;围岩应力随埋深和水位高度呈线性增长,其最大值集中在在拱腰处,最大达到1.34MPa,增长速率受水位高度影响更大;塑性区主要分布在隧道两侧,但随着埋深增加,拱顶也出现少量塑性区,这对拱顶的稳定是十分有利的;隧道周围孔隙水压力与埋深和地下水位高度呈正相关。该项研究可为提升大断面隧道穿越断层破碎带施工提供有益的借鉴和参考。     

深部高应力软岩巷道注浆时机优化分析

基于支护-围岩共同作用原理分析,揭示朱集西煤矿深部高应力软岩巷道围岩收敛变形与支护强度及围岩自承力的变化关系,获得巷道围岩位移与支护强度的关系曲线。采用FLAC3D内嵌的Fish语言编程,提取巷道围岩塑性区、拉伸破坏区及剪切破坏区体积数,揭示不同岩性与埋深条件下巷道围岩变形和塑性区扩展随应力释放率的演化规律,再现巷道围岩从局部破坏直至整体失稳破坏的演化过程,提出以应力释放率阈值作为判定注浆时机的指标。研究结果表明:确定当围岩变形量为150 mm时,实现存储于围岩内变形能的充分释放及围岩自承力的最大利用。采用应力释放率阈值60%和围岩变形量150 mm作为判定注浆时机的指标是合理的,两者可相互验证。提出"锚网索喷+注浆+底板锚注"联合支护技术方案,解决了深部高应力软岩巷道支护难题,验证了所确定的注浆时机是合理、可行的。     

软岩开挖卸荷变形及支护效果的数值模拟

金川Ⅱ矿区岩体属于高应力软岩,文章研究了深部软岩巷道开挖卸载过程中围岩变形及支护效果等问题,通过建立3D有限元模型对巷道开挖进行动态模拟,并对巷道不同支护情形下的围岩变形进行对比分析。结果表明:巷道开挖卸载引起周围岩体应力释放,致使围岩向巷道径向挤压,产生的最大位移达到13.1cm,影响巷道的安全使用;采用U型钢+底部反拱共同支护后,对巷道两帮及顶板的支护效果比较明显,巷道两帮围岩的水平位移减少6.1cm,顶板围岩的沉降范围减少,且围岩应力释放速度减缓,但对巷道底板围岩的支护未达到要求,底板隆起值增加1.5cm;采用全断面喷锚支护后,巷道顶、底板处围岩的竖向位移显著减小,同时巷道两帮围岩水平位移也相应减小,但围岩应力释放的速度加快。     

埋深对巷道围岩稳定性影响研究

根据南山煤矿2号煤的地质力学条件,通过围岩稳定性分类给出锚固参数。应用数值模拟和工程实践等方法,系统研究了埋深对巷道塑性区、应力分布及位移分布的影响规律。研究结果表明,围岩稳定性分析时应该考虑巷道的埋深效应。研究结果有利于了解巷道围岩内部应力与位移的发展规律,为选择巷道锚固方案和优化锚固设计参数提供了依据,可为类似条件矿井的支护提供理论依据与应用性指导。     

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.     

埋深与围岩质量对隧洞围岩稳定性的影响探究

采用有限元方法,初步研究了隧洞在埋深为33,233,433 m时,在Ⅰ～Ⅴ级围岩的受力、塑性变形和位移变化.研究发现,在同一埋深下,随着围岩破碎程度的增加,围岩的受拉区和塑性变形区逐渐从拱顶、底向边墙转移,并可能在边墙处发生拉应力突增现象,突增幅度随埋深的增加而增大.隧洞的拱顶、边墙和拱底都会产生较大位移;随着埋深的增加和岩体的破碎,拱顶和拱肩的位移会超过其他部位.计算结果和已有的模型试验结果相比较,论证了研究方法和结论的合理性.     

基于渗流-应力耦合分析隧道双层衬砌力学特性

城市地铁盾构隧道支护结构主要为单层衬砌。为满足支护结构承载、防渗、开裂等要求,双层衬砌结构设计日益成熟。为揭示双层衬砌力学特性,首先通过推导渗流-应力耦合方程组,揭示地下土体应力、渗流相互耦合方程;基于渗流-应力耦合原理,利用ABAQUS软件,考虑围岩压力、隧道埋深等工况,计算、比较单层衬砌、双层衬砌的承载力特性,得到以下结论:(1)初衬、二衬在支护作用下均承载,但是初衬应力为二衬3倍左右,为主要承载结构;(2)在渗透系数减小的情况下,初衬应力增加、二衬应力减小,二衬的作用主要为防渗和安全储备。     

地下等截面交叉洞室扩建衬砌拆除及支护方法

为确保存在应力集中交叉口区域、衬砌老旧失效且为素砼结构的地下深埋废弃洞室改造扩建数据中心之后继续稳定服役,依托贵阳市地下某等截面交叉洞室改扩建数据中心工程,通过有限元数值模拟、现场监测的方法研究不同衬砌拆除方案、不同支护体系施工的围岩位移、应力以及主钢拱架变形受力特征。结果表明:首先开挖三角交叉区域衬砌,再以三角区为界,左右对称拆除衬砌的素砼衬砌拆除方案对围岩影响最小;Y型主拱架的整体竖向位移以及内力均为最小,但拱架整体有向右侧偏移的趋势;结合上述结论,提出了一种“三角交叉区开挖,Y型主拱架先行,左右对称拆除,随拆随支接搭拱架”的衬砌拆除+支护一体化施工控制方法;数值模拟与现场监测变形趋势一致,斜长拱架拱脚钢拱架应变、围岩压力、混凝土应变最大,但皆满足工程支护要求。可见该方法满足数据中心的服役要求。     

膨胀岩隧道二次衬砌结构受力特性及工程对策分析

膨胀岩对水敏感性强,遇水发生膨胀变形,并产生膨胀压力。为探究膨胀岩隧道在膨胀压力作用下的结构受力特性,以实际隧道项目为工程背景,基于荷载结构法理论,对膨胀岩浅埋隧道在不同的膨胀位置、不同仰拱矢跨比和不同仰拱厚度时的二次衬砌结构的受力特性及变形规律进行了分析和研究,研究结果表明：隧道常规设计断面下,当围岩发生膨胀时,结构承载力不足;当围岩在隧道仰拱和边墙处发生局部膨胀,此工况下的仰拱及拱脚位置处的内力最大,仰拱隆起变形最大,对结构的危害最大;提高仰拱矢跨比和加大仰拱厚度可降低结构内力和抑制仰拱隆起变形,发挥重要作用,但二者提高到一定范围后作用减弱,工程中应视实际情况选择最优仰拱矢跨比和厚度;当围岩在隧道全环发生膨胀时,可通过提高结构混凝土强度等级和配筋率增大结构承载能力。     

深埋隧道大超挖围岩力学响应分析

隧道爆破开挖过程中的超欠挖问题是隧道工程中普遍存在的现象,大超挖问题严重影响了隧道工程的造价投资及安全使用。本文以某隧道工程为例,利用数值模拟的方法,研究了隧道埋深和超挖厚度对围岩力学响应的影响规律。研究表明,在不同埋深条件下,围岩最小等效应力出现在拱顶位置,最大等效应力出现在拱脚位置。隧道拱顶位置的变形量最大,拱脚位置的变形量最小。相同超挖厚度对应的等效应力值随隧道埋深的增加而增大;相同位置围岩的变形量随埋深的增加而增大。另外,超挖厚度对围岩的力学响应影响较小,隧道埋深对围岩等效应力的影响较大。本研究成果可为同类工程提供借鉴。     

考虑应力路径的深埋高地温隧洞黏弹-塑性围岩解析解

高地温深埋水工隧洞黏弹—塑性岩体中,由于高温环境的影响和隧洞降温等,致使围岩产生一定的温度应力。因此研究高地温隧洞围岩解析解时必须研究温度应力对围岩塑性区以及应力应变的影响。基于广义Kelvin模型与Bingham模型组成的高地温深埋水工隧洞黏弹塑性围岩力学模型,并在考虑应力路径对围岩与支护的影响下,结合高地温环境中温度应力对围岩与衬砌的影响,进而推导高地温环境热力耦合作用下围岩应力、应变、洞壁位移以及围岩塑性区半径的解析解。基于新疆某高地温水工隧洞工程进行分析与计算,对温度、围岩应力应变及塑性区半径的关系展开理论计算与分析。结果表明,考虑温度应力后计算得到的围岩位移更小。当隧洞内温度变化到达一定量时,所产生的温度应力可能会对围岩与衬砌相互作用的稳定性产生影响。     

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。     

围岩流变特性对隧道二衬支护时机的影响

为了研究岩体流变特性情况下隧道二衬的支护时机,首先推导了在考虑围岩流变特性时,衬砌抗力、位移及围岩的位移表达式;然后以广梧高速公路茶林顶隧道岩体为工程背景,探讨了考虑岩体流变情况下,隧道二衬支护时机的确定方法,并对比了围岩拱顶下沉实测值和理论计算值。结果表明：(1) 理论分析所建立的衬砌抗力、位移及围岩的位移表达式中均包含了时间参数,可确定达到不同衬砌抗力、位移及围岩位移所需要的时间;(2) 围岩拱顶下沉实测值和理论计算值表现出相同的发展规律,验证了所建立方法的正确性。     

不同施工工法对既有隧道影响的数值模拟研究

文章通过数值分析手段,对拟建隧道采用不同的施工方法所引起交叉既有隧道的受力、变形变化状况进行研究。全断面法与上下台阶法对既有隧道的围岩应力及变形影响是一致的,两者均引起拱顶及边墙的围岩应力降低,拱底围岩应力的增高,既有隧道特征点均将产生下沉。全断面法开挖引起既有隧道的位移量要稍大于上下台阶法,同时2种开挖方法对既有隧道二衬的受力影响几乎相当,二衬经历对称—非对称—对称3个变化过程,随着开挖深入,其应力逐渐增大,但远小于容许应力值,处于安全状态。并据此提出相应的建议。