有衬砌隧道设计计算探讨——隧道稳定性分析讲座之三

利用有限元强度折减法结合基于有限差分原理的FLAC软件,探讨了隧道设计计算过程中初衬和二衬的计算问题以及隧道开挖的应力释放问题,并以黄土隧道为例探讨研究不同应力释放率以及不同初衬和二衬厚度情况下隧道的受力特征,计算围岩安全系数以及二衬安全系数,得出了以下结果:一是利用FLAC软件计算中的不平衡力来控制隧道开挖过程的应力释放是合适的与可行的;二是初衬作为隧道围岩的加固圈将承受较大荷载和产生较大的变形,初衬必将进入弹塑性状态;二衬作为隧道的强度储备或者承受不大的荷载,二衬视作弹性杆件可按结构力学的方法确定安全系数;三是如果初衬后围岩安全系数大于1.30,可以认为围岩和初衬都是稳定的,二衬作为安全储备;如果围岩安全系数在1.30~1.15之间或围岩为粘弹塑性材料时,表明二衬将承受一定荷载;如果初衬后围岩的安全系数小于1.15~1.20,则认为初衬不足,不能保证施工安全。最后建议对二衬后的围岩安全系数取1.3,二衬结构安全系数对无抗裂要求的混凝土衬砌取1.4,钢筋混凝土衬砌取1.35。两者综合的安全系数大约在1.8左右以供参考。     

黄土隧洞安全系数初探

通过分析黄土破坏机理及形式,借鉴有限元强度折减法的思想,探索性提出黄土隧洞剪切与拉裂安全系数的定义及计算方法.文章先采用FLAC3D分析软件,模拟无衬砌黄土隧洞开挖,计算稳定安全系数.不断降低土体的抗剪切强度参数c-tanψ,使黄土隧洞达到极限破坏状态,此时的折减系数即为剪切安全系数.不断降低土体的抗拉强度参数,黄土隧洞内临空面上(不包括底部临空面)出现第一个拉裂破坏单元时,表明黄土隧洞发生拉裂破坏,定义拉裂安全系数为实际抗拉强度与破坏时折减抗拉强度的比值.采用ANSYS分析软件,模拟跨度较大黄土隧洞开挖,根据不同支护方式:老式支护和复合支护,分别计算围岩和衬砌安全系数,比较支护前后安全系数变化.提出了黄土隧洞的稳定必须同时满足两个要求:初期支护后土体围岩的安全系数不小于1.15～1.2;根据规范要求二次支护后衬砌结构的安全系数大于2.0～2.4,以确保隧洞在施工与运行过程中的工程安全.     

考虑初衬作用的大跨储水隧洞二衬结构模型及分析

应用荷载结构法分析隧洞复合式衬砌结构的二衬结构内力时,以承载比的概念考虑初衬作用。承载比大多以经验为主,可靠性不高。对于大跨隧洞,采用全荷载计算模型(二衬承受全部围岩荷载)为主分析二衬内力,分析结果偏于保守。本文通过对隧洞初衬、二衬之间相互作用原理的分析,提出考虑初衬作用的二衬结构分析模型。文中对二衬全荷载分析模型和考虑初衬作用的二衬分析模型进行了计算分析,其结果表明:考虑初衬作用的二衬分析模型计算分析二衬内力时,初衬对轴力、弯矩和剪力均有不同程度的承载分担作用,对轴力的分担作用最多。因此,作为一种最直接的考虑初衬作用的隧洞二衬计算分析方法,可供隧洞二衬设计验算参考。     

高地应力软岩隧洞衬砌结构受力及强度安全系数研究

深埋条件下的高地应力软岩隧洞衬砌结构受力与一般隧洞不同,为探明其力学响应特征,依托实际工程对锚杆轴力、钢拱架应力及初支与二衬之间的接触压力进行现场测试,基于强度折减原理,采用有限差分软件Flac3D分析围岩稳定性和二衬受力后的强度安全系数。分析表明:高地应力环境下边墙部位锚杆发挥拉拔力作用明显,锚杆中性点随围岩塑性区发展有向围岩深处移动的趋势;钢拱架以受压为主并能立即发挥支护作用;在保证围岩稳定的条件下,二衬将承担12%的围岩压力,且受力集中的墙脚处二衬强度安全系数最小。     

隧道特征线法的修正与发展

传统的特征线法将初衬作为弹性构件,而实际隧道工程初衬变形远大于弹性变形,必然会进入塑性阶段。为此将初衬视作弹塑性材料对传统特征线法进行修正,并应用数值极限分析方法求解隧道围岩的安全系数,由此可获得严格力学计算下修正的围岩和初衬的特征曲线及其围岩压力。提出的基于强度折减数值极限分析的修正特征线法完全可以定量地解决隧道工程设计计算问题,为隧道设计提供理论基础和计算方法。     

基于强度折减法的隧洞稳定性分析

采用强度折减法对单洞及双洞在未施加支护锚杆及施加支护锚杆后的围岩稳定性进行了分析。结果表明:强度折减法可以很直观定量地反映单隧洞或者双隧洞在不加锚杆或者施加锚杆后围岩的稳定安全系数,为隧洞的设计及施工提供借鉴。     

二次衬砌技术在水利工程隧洞中的应用研究

二次衬砌是隧洞开挖支护的关键结构。文中结合实例建立“隧洞+二次衬砌”耦合模型,并对不同开挖方式以及不同支护工况下二次衬砌变形进行分析对比。结果表明,全断面光面爆破法开挖时二衬的变形小于三台阶法开挖时二衬的变形,且位移分布较均匀。在满足工程安全的情况下,增加二衬强度并不能大幅度降低二衬位移,在考虑经济性条件下,二次衬砌无需保守设计。     

采用ANSYS软件讨论无衬砌黄土隧洞安全系数

通过分析黄土隧洞的破坏机理,借鉴有限元强度折减法的思想,在黄土隧洞稳定性分析中提出剪切安全系数与拉裂安全系数的概念.通过不断折减土体的抗剪强度参数,使黄土隧洞围岩塑性区不断扩展,直至塑性应变或位移发生突变时,即表明隧洞发生剪切破坏,此时的折减系数即为剪切安全系数.通过不断折减土体的抗拉强度参数,使黄土隧洞内临空面处(不包括底部临空面)围岩出现第一个单元拉裂破坏时,即表明隧洞发生拉裂破坏,此时的折减系数即为拉裂安全系数.为了保证黄土隧洞的整体安全性,在隧洞设计中必须给出上述两种不同的设计安全系数值.     

围岩强度对隧洞安全系数和加速度的影响研究

将基于加速度稳定分析思路用于地下隧洞,可以采用与边坡极限平衡法类似方法计算隧洞的最大加速度和安全系数。对不同围岩强度的圆形隧洞进行稳定分析,并且比较不同支护条件的影响。计算结果表明:对于围岩性质均匀的圆形地下隧洞,其最危险的位置在洞壁上,计算结果与点安全系数的数值非常接近,表明了基于加速度的方法能够用于地下隧洞的稳定分析。对于不同强度围岩的圆形地下隧洞,其加速度和安全系数随距隧洞中心距离变化而变化的趋势大致相同。采用不同厚度的衬砌进行支护,围岩整体的稳定性得到提升。支护结构具有一定的影响范围,衬砌结构越厚,影响范围越大,表明本文的方法能够定量评价结构的支护效果。     

极限分析有限元法在节理裂隙隧洞中的应用

通过对节理裂隙隧洞非线性有限元模型进行强度折减,使隧洞达到不稳定状态,有限元计算将不收敛,此时的折减系数就是地下洞室的安全系数.同时折减岩体强度和结构面强度、只折减结构面强度,两种情况下得到的安全系数是一致的.将围岩塑性应变发生突变时的塑性区各断面中塑性应变值最大点的位置连成线得到了节理裂隙隧洞的破裂面.通过以上工作,评价了节理裂隙隧洞的稳定性和设计合理性,得出了几点有益的结论.     

采空区隧道二衬受力特性模型试验与耦合分析

由于采空区地层的非连续特征,下穿隧道衬砌往往处在偏心受压的不利状态,后期运营病害相对严重。为了查清不同采空区条件下的衬砌结构受力特性,采用室内物理模型试验和基于连续-非连续耦合数值模拟相结合的方法,开展了相关研究。结果表明:(1)采空区的存在会使二衬结构受到偏压荷载,远离采空区侧总体受力大于近侧,且倾角越大偏压越严重;(2)采煤层厚度、冒落带与初支距离的增大会引起围岩压力的降低,二衬内力减小,安全性提升,当采煤层厚度大于1.8 m时或冒落带与初支间距大于0.8倍隧道洞跨后,采空区对二衬安全性的影响很小;(3)喷层厚度的增加阻碍了围岩变形,引起围岩压力增加,不利于二衬受力和安全性。研究结论对于完善采空区隧道围岩压力计算理论和支护结构设计方法具有理论指导意义。     

大跨软岩隧道施工动态监测试验研究

以内蒙古金盆湾大跨软岩隧道为工程背景,通过现场监测及数值分析,探讨围岩拱顶沉降、钢支撑内力、围岩与初期支护之间的内力、初期支护与二衬之间的内力随时间及开挖距离的变化规律,并用现有的理论及方法对其进行围岩稳定性分析。研究结果表明:对拱顶沉降数据的拟合函数进行求导分析并判定出围岩的稳定状况良好;围岩和初期支护压力在距离上台阶开挖面65 m后逐渐稳定;钢支撑外侧应力平均值大于内侧应力,最大应力值小于钢拱架的屈服强度,开挖过程安全级别始终处于安全或者基本安全状态;初衬和二衬间的接触应力在二衬浇筑后2天左右达到最大值,随后减小趋于稳定,且稳定值都小于0.1 MPa;数值模拟的围岩变形规律和实测围岩的变形规律相同且沉降实测值与模拟值差别不大,证明了模型的合理性。研究结论可为类似条件下工程的设计、施工和监测提供指导。     

基于安全系数的大型地下洞室衬砌优化研究

介绍了一种基于安全系数的大型地下洞室衬砌优化方法,应用于糯扎渡水电站调压井大型洞室的衬砌优化研究。首先,建立围岩和衬砌的三维有限元模型,施加初始地应力场,进行结构线弹性计算并配筋,其次,进行衬砌三维弹塑性计算,由围岩点安全系数比较分析,优化得到最佳衬砌方案,最后,对最佳衬砌方案合理性进行了验证分析。研究表明,当衬砌高程施作至625.5m时,围岩和衬砌稳定性较好,且围岩个别点安全裕度较小,因此衬砌方案Ⅳ为优化得到最佳衬砌方案;通过衬砌和围岩的稳定性分析验证了优化方法的合理性,可为其它类似工程衬砌优化研究提供借鉴。     

桩基荷载作用下隧洞破坏模式研究与安全分析

 以重庆市朝天门隧道为工程实例,采用有限元强度折减法进行桩基荷载作用下隧洞的稳定性分析。桩与隧洞相互作用是一个桩–岩土–结构共同作用的复杂过程,主要有3种破坏模式：隧洞破坏、桩基破坏、衬砌破坏。隧洞破坏与桩基破坏属于土体剪切破坏,可以采用有限元强度折减法求其稳定安全系数。针对桩基荷载作用下隧洞稳定性的各种影响因素：岩体强度、桩基荷载、桩与隧洞距离及桩的埋深等,建立6种计算方案、16种计算桩位,求出相应的安全系数,并分析其内在规律。桩与隧洞之间存在临界距离与临界埋深,当桩位于临界距离或临界埋深范围之内时,桩对隧洞稳定性有较大影响,隧洞先发生破坏,反之则桩对隧洞影响较小,桩基先发生破坏。     

中洞法开挖的地铁车站施工力学分析

中洞法施工时,由于中洞的二衬浇筑与中洞开挖和初期支护之间的时间间隔较短,中洞二衬结构在初期支护变形尚未完成时已经参与共同工作,同时在侧洞开挖时,围岩体已经形成的力学平衡再次被改变,需要与衬砌结构共同变形重新达到新的平衡,已形成的中洞二衬结构的受力状态将又一次发生变化,这些问题在实际工程中并未得到深入考虑和研究,造成一系列工程问题。本文作者以北京地铁五号线典型的中洞法车站为例,对中洞法地铁车站的衬砌结构进行施工阶段的全程力学分析研究,阐述其在各个施工阶段的力学行为,确定了最不利荷载工况,并对中洞法地铁车站结构的断面形式进行了一定的优化。     

高速铁路隧道初支、二衬间接触压力研究

 为了系统研究高速铁路隧道二次衬砌力学特性,依托贵广、兰渝、京沪铁路多个典型高速铁路隧道工程,对不同级别围岩条件下初支、二衬间的接触压力进行现场监测。通过分析指出：初支、二衬间接触压力在二衬拆模时最大,此时二衬结构受力最不安全;二衬所受的荷载实际上是初支传递过来的围岩形变压力,与规范中采用松散体高度计算得到的松动压力是不同的;通过分析不同级别围岩条件下规范荷载和实测荷载作用下二衬结构的安全性可知,规范荷载作用下隧道结构最不利位置一般在拱顶,而实测荷载作用下隧道结构最不利位置往往在局部应力集中处,且实测荷载作用下二衬的安全性要远高于规范荷载下的情况。因此通过支护时机、支护措施以及必要时辅助工法的施作可以实现初支(和围岩)承受全部荷载,二衬结构作为安全储备。研究结论对深入了解高速铁路隧道二衬的受力特点,更加科学合理地设计二衬具有一定参考价值。     

局部破碎带渗水条件下海底隧道稳定性的有限元极限分析

 以存在局部破碎带的青黄海底公路岩质隧道为例，考虑到海水的渗透性，采用有限元极限分析法分析海底隧道岩体注浆加固前、后的稳定性。计算结果表明，隧道整体是安全的，此种情况下，隧道衬砌原则上可按无水压设计，衬砌厚度与采用全水头设计相比可以大大降低。但当存在局部破碎带时，隧道安全系数降低，破碎带越宽，注浆堵水圈厚度越小，安全系数越小。与完整围岩破裂面位于两侧相比，含倾角45°破碎带围岩的稳定性最差。因此，必须做好破碎带的超前注浆堵水加固，以减少其渗水量，并对破碎带进行局部加固，此种情况下，隧道衬砌原则上可按有水压设计。     

相邻洞室爆破施工对已有洞室的影响

 爆破施工振动对邻近已有洞室的影响及其控制是隧洞工程中的关键技术问题。新建隧洞在与已有隧洞间距比较小的情况下进行爆破开挖,爆破开挖产生的爆破波会危及已有隧洞围岩和衬砌结构的安全与稳定性。结合锦屏一级水电站左岸洞群工程施工爆破的相互影响分析课题,应用动力有限元数值模拟,研究不同的围岩类别、洞室间距、岩体阻尼比、单响药量情况下爆破振动对邻近已有洞室围岩和衬砌结构的影响问题。根据洞壁振动速度允许值与隧洞衬砌在邻近爆破振动波作用下的动拉应力值,得出施工爆破洞室的最小间距及单响药量控制：III类围岩、洞间距为(1.5～2.0)D时,单响药量应控制在15 kg以内;IV类围岩、洞间距为(1.5～2.0)D时,单响药量应控制在12 kg以内;V类围岩、洞间距为(1.0～1.5)D时,单响药量应控制在10 kg以内。研究结果为实际工程的施工和设计提供了参考和依据。