大跨度地下厂房顶拱层支护时机数值模拟研究

为研究初期支护不同施作时间对围岩稳定性的影响,以某抽水蓄能电站地下厂房为例,建立三维有限元分析模型,基于岩石材料非线性本构关系,以掌子面与分析断面的距离为控制变量,对比分析不同支护方案下厂房顶拱层的围岩位移、应力及塑性区情况。结果表明,支护时间越滞后,围岩变形及塑性应变越大,衬砌和锚杆承受的荷载越小;支护过迟,则不利于控制围岩变形和充分发挥初期支护的作用。     

隧道洞口段结构地震响应分析

隧道的进出口大多是风化的松散堆积体,是抗震设防的薄弱环节。运用Newmark隐式时间积分有限元法,采用粘-弹性人工边界,对在地震荷载作用下围岩材料的渐变对隧道洞口段抗震性能进行分析。得到了3种工况下沿隧道轴线方向衬砌最大应力、位移以及加速度变化曲线,及不同工况下洞口段隧道结构的抗震设防长度。洞口段设防长度与洞口段围岩性质有关,洞口段围岩由软弱向坚硬渐变长度越长,洞口段衬砌应力就越大,洞口段设防长度就越长。     

浅埋压力隧洞抗裂设计数值模拟分析

纵观国内已建大型工程的浅埋压力隧洞,采用抗裂式预应力衬砌形式居多,而对于长距离引水隧洞,如果大范围采用该形式则投资过高。基于裂隙岩体渗流场-应力场耦合理论的有限元方法,对浅埋压力隧洞内水外渗进行数值模拟分析,同时考虑了围岩固结灌浆、地下水位、渗流场变化对围岩的影响,反映了隧洞在开挖、充水、加压过程中围岩应力的变化。验证了孔隙水压力的增减均引起岩体有效应力的减小,岩体呈失稳趋势。围岩覆盖厚度越厚,承担荷载的能力越大。以吉林省中部引松供水工程为例,得出了长距离浅埋引水压力隧洞是否采用抗裂设计,需要结合高压水发生的频率、渗漏量、固结灌浆对提高围岩抗渗性能、岩体渗透压力、有效应力、岩体结构、是否存在排水通道、控制岩体渗漏失稳的状态等因素进行综合分析,确定隧洞衬砌形式。研究结果可为合理确定抗裂设计区段、合理选择隧洞衬砌形式和隧洞埋深提供依据。     

基于极限分析法原理的浅埋隧道围岩受力监测对比分析

浅埋段隧道覆盖土性质随埋深和地形条件影响会发生变化。文章结合隧道上方覆盖层塌落体围岩自承能力及形成机理,基于塑性理论对隧道浅埋段围岩压力进行分析。研究结果表明:围岩压力随上部覆盖土层厚度增加而增大,且增加速率随覆盖层厚度的增大而减小,并逐步趋于固定值;覆土厚度和围岩力学参数是塌落面形状主要影响因素;浅埋偏压隧道的稳定性随着隧道两侧和底部支护结构功率增大而提高;随着围岩黏聚力、内摩擦角的增大,深埋侧和浅埋侧围岩压力都呈显著减小趋势。通过实际工程监测数据与新建公式计算值对比,证明了公式的适用性,为类似工程提供借鉴。     

车辆荷载对浅埋大断面隧道围岩的影响研究

依托在建的甸头隧道,开展隧道开挖是否考虑初期支护下车辆荷载对围岩及大西二级公路的影响研究。结果表明:隧道开挖引起隧道顶部及腰部发生沉降,底部发生隆起,初衬的施加可以有效抑制隧道周边围岩的变形,且可减小车辆荷载对围岩位移的影响;三台阶开挖时,隧道中部开挖引起地表发生剧烈沉降,初衬的施加可以减小地表的沉降,减小车辆荷载对地表沉降的影响。因此,无初支的情况下,当公路有车辆通过时,隧道整体变形较大,路面可能由于差异沉降产生裂缝。     

山岭隧道衬砌背后空洞对衬砌结构多因素影响分析

山岭隧道衬砌背后存在空洞时,针对空洞的大小、空洞的深度、空洞的位置、围岩级别等不同因素,采用有限元平面应变模型模拟计算对隧道衬砌结构应力和应变的影响。计算结果表明:空洞的产生导致了围岩应力的重分布;随着空洞不断增大,围岩松弛逐步严重;空洞深度较小时,应力集中现象小;空洞深度较大,应力集中越明显;在不同部位产生空洞,隧道均受到偏压作用;围岩级别越低衬砌结构产生空洞后,所面临的损坏风险更大;隧道衬砌变形形状从扁平状向空洞产生部位的钟形变化。更多还原     

破碎围岩隧道二次衬砌施作时机研究

为确定破碎围岩隧道二次衬砌的最优施作时机,以雅康高速紫石隧道为例,将Hoek-Brown强度准则嵌入Abaqus软件并建立数值计算模型,对该隧道IV级围岩深埋段、V级围岩深埋段和V级围岩浅埋段的隧道初期支护结构以及二次衬砌结构内力进行了数值模拟分析,并对不同围岩位移释放率下施作二次衬砌的安全系数进行了计算。结果表明：IV级围岩深埋段和V级围岩段的初期支护内力的增长在围岩位移释放率分别达到90%和95%后趋于平缓;IV级围岩深埋段二次衬砌最优施作时机是围岩位移释放率达到90%时,而V级围岩深埋段和浅埋段二次衬砌在围岩位移释放率达到95%时施作较优,此时隧道结构内力与安全系数均可满足规范要求。     

各向异性片岩隧道支护结构承载力学特性研究

为了更好地了解各向异性片岩隧道支护结构受力的分布特征规律,对武当群片岩隧道区不同片理面倾角的隧道围岩初期支护及二次衬砌承载特性展开了监控量测。通过对实测数据分析表明围岩稳定后二次衬砌分担的围岩荷载远大于初期支护分担的围岩荷载,大部分二次衬砌分担的围岩荷载比高达80%~90%,这导致部分断面已超过了相关规范中关于软岩支护结构承载比例的规定,对二次衬砌后续运营稳定性会产生较大影响;片岩隧道支护结构受力表现出明显的各向异性特征,当片理面倾角<45°时,随着片岩片理面倾角的增大,支护结构稳定时水平侧受力呈增加趋势;当片理面倾角>55°时,水平受力呈较陡减小趋势;隧道支护结构不同部位受力相差较大且具有明显的非对称性,片岩隧道围岩及支护受力均存在顺层偏压特性。     

外水作用下水工隧道衬砌结构受力分析

近年来,随着我国隧道工程的大力发展,水工隧道面临的工程难题越来越多,其中隧道高水压力问题备受关注.通过有限元数值方法,建立模型,对外水作用下水工隧道衬砌结构受力问题进行研究分析.研究结果表明,在外水压力作用下,整体上管片衬砌向内部收缩变形,呈现出衬砌顶部变形较大并向腰部管片逐渐减小的趋势;衬砌隧道的环向应力以压应力为主...     

深埋TBM隧洞围岩稳定与衬砌支护时机研究

结合某市供水项目TBM有压输水隧洞工程,建立三维数值分析模型,考虑开挖面空间约束效应,采用FLAC3D进行施工开挖期的围岩稳定与衬砌支护时机研究,分析了深埋TBM隧洞围岩的变形过程和在不同衬砌支护时机条件下围岩的变形与衬砌受力规律。计算结果表明,开挖掌子面的空间效应明显,对围岩的变形过程有较大影响;衬砌支护越早,围岩的变形量越小,但会造成衬砌应力水平显著提高,对衬砌结构的安全不利;因此建议综合考虑围岩稳定状态与衬砌应力量值决定衬砌支护时机。     

齐热哈塔尔水电站大深埋长隧洞关键技术难题及对策

齐热哈塔尔水电站工程发电引水隧洞存在隧洞长、埋深大、高地应力、岩爆和高地温等复杂工程地质问题,因此,对隧洞围岩稳定、施工期安全、隧洞支护荷载和衬砌型式等的研究至关重要。通过采用现场围岩变形和地应力释放测试、数值模拟反演分析和衬砌时机试验研究等方法,分析了深埋长隧洞高地应力与岩爆的产生机理、岩爆特征和破坏形式,以及高地温的成因,研究了高地应力、岩爆和高地温对施工、衬砌荷载和衬砌型式的影响。针对上述问题对策如下:对于高地应力围岩洞段,开挖完成后,初期支护采取时间滞后的方式消减高地应力;对于岩爆洞段,采取主动预防措施和强施工支护,确保施工安全,将岩爆发生的可能性及岩爆的危害降到最低;对高地温洞段开挖采取通风、在掌子面和风带口放置冰块、对掌子面和附近岩体喷水等降温措施,而且完善和优化了隧洞一次支护和二次衬砌设计。这些措施保证了引水隧洞的施工和运行安全,对类似地质条件的隧洞工程设计和施工具参考价值。     

高地温水工隧洞围岩喷层结构承载特性研究

为研究水工隧洞在高地温复杂环境下喷层结构的受力特性,以新疆某高地温引水隧洞为依托,采用理论分析和数值模拟的方法,对高地温引水隧洞喷层结构的受力特性进行了研究,并分析了线膨胀系数、围岩不同深度温差以及地应力水平侧压力系数对隧洞喷层结构受力特性的影响。由计算结果可知:在高地温情况下,理论计算的径向压应力最大值为2.07 MPa,环向压应力最大值为35.37 MPa;数值模拟的径向压应力最大值为4.36 MPa,环向压应力最大值为34.37 MPa。通过对比发现:理论计算的径向位移最大值为1.2 mm,环向位移最大值为0.75 mm;数值模拟的径向位移最大值为2.1 mm,环向位移最大值为0.95 mm。数值模拟的结果表明:隧洞围岩喷层结构承受的应力随着线膨胀系数增加会增大;喷层的拱顶与拱底处承受的环向应力随着温差的增加会增大,喷层的拱腰处承受的环向应力随着温差的增加会减小;喷层结构承受的应力随着地应力水平侧压力系数的增加会增大。     

TBM隧洞管片衬砌受力与连接螺杆的必要性研究

结合某TBM有压引水隧洞,建立了包含管片衬砌与外部围岩的三维数值计算模型,运用有限元法模拟分析衬砌在不同工况下的应力和变形特性,探索使用连接螺杆的必要性。结果表明:施工完建期在开挖释放荷载和豆砾石灌浆压力单独作用下螺杆对衬砌的受力影响甚微;运行期在内水压力作用下,采用螺杆的方案衬砌环向拉应力较大且在与螺杆连接位置处出现局部应力集中。未采用螺杆的方案使得管片衬砌具有柔性结构的特征,承担的内压较小因而环向拉应力较小,表明螺杆对衬砌的环形拉应力不利。未采用螺杆的接缝处最大张开位移由原来的0.635 mm增加为0.731 mm,表明螺杆对于减小接缝处张开位移有利。基于接缝处张开位移不大于4 mm即可满足要求,具有较高的安全裕度,螺杆的优势不明显。鉴于此,从螺杆的不利角度出发,建议螺杆在管片安装期间完成功能后放松螺杆连接,以避免管片局部被动拉裂而影响结构整体的安全性。     

高地温条件下深埋隧洞围岩温度—应力分析及施工对策

以位于西昆仑山区的齐热哈塔尔水电站引水发电隧洞高地温洞段为例,初步分析了工程区隧洞高地温洞段大地热流背景及其形成机理,针对隧洞围岩的高地温分布特征,建立典型高地温洞段地质模型,利用有限元软件模拟隧洞施工贯通通水后的围岩岩体温度场,并由此来推断热应力对于围岩稳定性的影响。结果表明,围岩温度90℃以上、空气温度50℃以上的高地温洞段,内外温差大于10℃(里低外高),若采用无衬砌和一次支护方案对高地温洞段围岩进行支护,该洞段内大部分区域的最大主拉应力将超过C25混凝土的抗拉强度,易产生整体拉裂破坏;若采用钢筋混凝土衬砌结构方案,则可以通过增加衬砌结构的配筋量来降低其最大主应力值,此时隧洞围岩及衬砌结构均未出现整体拉裂破坏。研究成果能够为保证该高地温隧洞的安全运行提供可靠的设计依据。     

高地温隧洞温度场三维数值模拟分析

在高地温条件下,温度场是影响引水隧洞结构稳定的重要因素。为了研究不同工况下引水隧洞的温度场特性,以新疆布仑口—公格尔水电站高地温引水隧洞为依托,采用有限元仿真模拟的方法建立三维模型,对不同工况下高地温引水隧洞围岩及衬砌结构的稳态温度场特性进行了模拟计算,并取衬砌结构及围岩不同测点的温度场特性值进行对比分析。结果显示:受洞口及掌子面影响,围岩及衬砌温度随洞深增大可分为平缓段和骤升段两个阶段,且呈非线性变化。衬砌腰拱与顶拱内表面温差随洞深增大逐渐减小,且与工况有关,施工期最大值为1.26℃,运行期最大值为0.22℃。从模拟结果与实测结果的对比分析可知,实测与模拟所得围岩温度场分布特性相同。研究成果可为高地温引水隧洞热力耦合分析及其洞室稳定性提供了理论依据,同时也可为高地温区相关工程提供参考。     

隧道围岩应力和塑性域的双剪强度理论的分析

针对隧道开挖围岩产生塑性屈服的应力条件变化及稳定性问题,根据隧道围岩的平衡条件和统一强度理论塑性条件,求解得到了圆形隧道的径向应力和环向应力。分析了平面应变条件下统一强度理论的强度参数及围岩支护压力与隧洞半径之间的关系。探讨了平面应变下中主应力参数和统一强度理论次主剪应力系数变化条件下圆形隧道围岩径向应力和切线应力随径向半径的变化规律分布。考虑了支护压力和平面应变统一强度理论中主应力参数和次主剪应力系数对塑性域半径的影响,分析结果表明引入中主应力参数的塑性计算结果更加符合实际。     

基于有条件联合承载机理的导流隧洞衬砌 安全与加固措施研究

针对高边墙的导流隧洞,结合某导流洞工程实例,建立了包含衬砌、围岩和支护结构在内的数值分析模型,采用有限抗拉强度材料反映衬砌与围岩间粘结强度有限的受力特征,分析了封堵期间在外水压力作用下衬砌与围岩的有条件联合承载特性,进而校核了衬砌结构的安全性。结果表明：随着衬砌与围岩粘结强度的降低,衬砌应力数值随之增加,所需最小抗剪厚度也越来越大;当衬砌厚度不满足条件时,可将衬砌内钢筋与外围锚杆绑扎或在衬砌内表面施加锚筋桩加固;相比钢筋与外围锚杆绑扎的加固措施,锚筋桩加固措施更为有效。     

复杂偏压小净距隧道围岩压力计算及参数影响性研究

为研究不同隧道净距及地表坡度对复杂偏压浅埋小净距隧道围岩压力的影响规律,引用公路隧道设计规范,建立围岩压力计算模型,推导出隧道围岩压力的理论计算公式;结合数值模拟验证了理论计算公式的合理性,讨论了不同隧道净距和不同地表坡度的参数值变化对先行洞和后行洞的拱顶、拱腰及拱脚围岩压力的影响规律。结果表明:在两洞先后开挖情况下,隧道净距及地表坡度的变化对隧道内侧围岩压力影响较大,并且先行洞内侧围岩压力同净距及坡度大小正相关,后行洞内侧围岩压力同净距及坡度大小负相关。研究结果可为类似隧道工程的设计和施工提供参考。     

排水结构设置后软岩隧洞的渗流-应力耦合分析

高外水作用下,深埋软岩隧洞围岩-支护结构安全将受到极大挑战。为了降低高外水压对软岩隧洞围岩-支护体系的影响,较常见的工程处理措施为在隧洞周围布置排水结构,以降低洞周外水压力。笔者首先提出了一种简便的隧洞围岩-衬砌结构渗流-应力分析思路。然后,以某过断层带深埋软岩隧洞为研究对象,通过开展隧洞施工期、运行期渗流-应力耦合分析,研究了软岩隧洞排水结构的排水效应。研究发现,在注浆圈和排水结构的综合作用下,隧洞衬砌附近的水力比降较小,注浆圈水力比降较大,使注浆圈承担绝大部分外水荷载,而衬砌承担少部分外水荷载;在软岩和衬砌的变形协调作用下,最终形成注浆圈与衬砌的协同承载效应,有效提高了隧洞的运行安全水平。