复杂硐室交叉口转向挑顶施工力学行为研究

长大隧道的辅助坑道与正洞交叉段施工工序繁多,围岩易受到开挖扰动,进而产生失稳破坏。以伏牛山隧道为工程背景,借助有限元软件PLAXIS3D构建三维数值模型,模拟了辅助坑道进入正洞的施工过程,研究了小导洞转向挑顶施工及正洞反向台阶法开挖的施工力学行为与三维空间效应,分析了施工过程中围岩应力、拱顶沉降、洞周横向收敛位移及围岩塑性区演化规律。结果表明:横向通道交叉口段施工会导致交叉口附近风机房正洞围岩产生应力重分布,在正洞拱顶及右拱腰处形成拉应力,沿风机房纵向影响范围约为1倍洞径; 风机房拱顶最终沉降量为3.7～3.9 mm,在交叉口及其附近,以小导洞爬坡挑顶阶段和风机房正洞反向开挖通过时引起的拱顶沉降量最大,小导洞转向挑顶施工引起的拱顶总沉降量相对较小; 联络通道左侧进洞使得正洞左侧横向位移增加,进而导致正洞左右两侧横向位移呈现不对称分布; 交叉口处联络通道与风机房产生了连续的塑性区,塑性点主要在开挖侧壁,拱腰处最为集中,向上延伸至拱肩,拱脚处向下发展至一定深度; 针对小导洞扩挖施工过程中交叉口、上台阶侧壁、底面出现的少量受拉破坏点,施工中应对这些部位予以重点关注,及时施作初期支护,防止局部掉块。     

松散堆积体隧道压力拱效应试验与数值模拟

以国道318线某堆积体隧道工程为背景,采用相似模型试验和有限元数值仿真相结合的方法研究松散堆积体隧道开挖引起的围岩应力扰动特征与压力拱形成机理,详细分析围岩径、环向应力变化及其压力拱的形成与稳定机制。结果表明:拱部围岩松动范围和松弛幅度均较大且已经延伸至地表,而边墙部位扰动深度较小但松弛幅度较大;拱部120°范围内围岩表现出明显的径向松动和环向成拱效应,边墙部位0～0.55倍开挖跨度范围内的围岩径向和环向应力显著增大形成高度应力集中区,承担着压力拱及其上的围岩荷重。围岩成拱系数具有显著的空间变化规律,其中拱顶成拱系数最大且随掌子面开挖近似呈线性增大,边墙成拱系数次之但受开挖空间效应的影响范围很小,30°～60°范围的成拱系数只在掌子面前后6m范围内开挖时增长较大但很快便趋于稳定;试验和计算压力拱形状均呈尖拱形,它的形成对于维持洞室的稳定和减小支护结构的受力具有十分重要的意义。     

隧道开挖时不同宽度断层对围岩扰动的影响

文章以宝鼎2号特长公路隧道为依托,建立3个三维数值计算模型,分析隧道穿过不同宽度的断层围岩以及二衬的变形规律。研究结果表明:隧道穿过不同宽度的断层,隧道拱顶,拱腰,仰拱围岩位移的变化规律一致,在靠近断层段,隧道拱顶、拱腰、仰拱都发生位移突变,收敛位移先快速增长然后又迅速减小,且洞周围岩收敛位移随着断层宽度的增加而增加,剪切破坏塑性区也相应增加;同时支护结构的位移突变区范围以及最大位移值也随着断层宽度的增加而增大,支护结构最大位移出现在隧道拱顶以及仰拱处,在施工过程中需要重点考虑。     

初始水平地应力对高地应力隧道施工稳定性的影响

高地应力是山岭隧道常见不良地质条件之一。文章以某典型高地应力硬岩公路隧道为例,基于有限差分软件FLAC3D,建立三维数值模型,在不同初始水平地应力条件下,对隧道开挖的稳定性进行了研究。结果表明:初始水平地应力的大小对高地应力隧道施工的围岩稳定有显著影响。当初始水平地应力逐步增加时,洞周围岩的最大位移位置从拱顶、拱底向拱腰处转移;隧道拱顶处围岩最小主应力近似呈线性增长;洞周形成的塑性区范围增大,在拱肩处尤为明显;二次衬砌内力均会有所增大,且显著高于非高地应力的一般情况。     

逐级加载下浅埋软岩隧道动力破坏振动台试验

浅埋隧道围岩的质量普遍较低,整体稳定性差,隧道震害表明强震作用下浅埋隧道极易发生震动破坏。通过开展V级围岩条件下浅埋隧道在小震下的震动响应和逐级加载下的震动垮塌振动台试验,研究了小震作用下围岩加速度沿地层的分布、衬砌结构的内力变化和围岩内部的水平位移变化规律,强震作用下衬砌结构裂缝开展和围岩震动垮塌。结果表明:围岩加速度随距地表距离的减小而增加,地表加速度约为拱顶处加速度的1.63倍,相同高度平面内靠近隧道的围岩振动具有一定的加强;隧道拱顶围岩内部的水平位移大约是拱腰围岩内部的1.23倍,围岩内部位移随着远离隧道而逐渐减小,随着震动烈度的增加而不断增加;隧道拱顶上方垮塌区形状近似漏斗,震动引起隧道衬砌结构拱脚处的轴力和弯矩变化最大,且拱肩和拱脚处裂缝分布最多,应加强拱肩和拱脚处结构的抗震性能。     

列车荷载作用下纤维混凝土材料隧道衬砌受不同裂缝特征影响的结构稳定性分析

基于3种不同纤维混凝土材料试验，结合数字图像相关(DIC)技术得到理论研究所需的损伤本构参数，通过建立围岩–隧道结构数值模型，采用以应力强度因子和稳定安全系数为解析理论基础的有限元位移法，分析隧道二衬为常规混凝土和不同类型纤维混凝土工况下，不同裂缝位置、深度、宽度、倾角、车速和围岩等级等参数对带缝衬砌结构稳定性的影响规律。结果表明：衬砌裂缝在车载下呈剪压受力模式，相比于常规混凝土，纤维混凝土可有效提高带缝衬砌结构在车载过程中的结构稳定性，降低裂缝尖端的应力集中现象，其中玻璃纤维能力最强，混合纤维其次，PVA纤维最弱。同时，裂缝从拱脚至拱顶对衬砌结构稳定性的影响呈爬坡趋势，且相比于裂缝宽度，裂缝深度和倾角对车载下带缝衬砌结构的稳定性影响更为明显，拱顶裂缝倾角θ=45°时结构稳定性最差，以此为分界线的0°<θ<4 5°区域比45°<θ<9 0°更为危险，且其危险程度都随车速的增大而增大。当隧道洞周围岩为强度较低的V级时，纤维混凝土对结构稳定性的强化效果大幅降低，此时θ=45°的拱顶斜裂缝在裂缝深度较浅时结构就容易进入危险状态，工程中需特别注意此类情况的裂缝修复。     

断层对隧道围岩稳定性影响的有限元分析

为分析断层与隧道相对位置及断层倾角对隧道围岩稳定性的影响,以石吉高速五峰山1号隧道为例,研究了基于断层特征下的围岩稳定性.结果表明,断层距离隧道2倍洞宽以内时,断层对围岩稳定性的影响较大.隧道两侧围岩位移的分布和变化趋势不再对称;隧道穿越断层对围岩稳定性影响最大,在拱肩时次之,在拱脚时较小;随着断层与隧道距离的减小,断层对围岩稳定性的影响增加;随着断层倾角的增加,断层上盘围岩测点竖向位移先减后增,下盘测点竖向位移先增后减.断层倾角为45.左右时,隧道围岩最为稳定.     

75°倾角逆断层黏滑错动对公路隧道影响的模型试验研究

 针对公路隧道正交穿越75°倾角逆断层的情况,通过模型试验得到逆断层黏滑错动对公路隧道的影响规律。由试验结果可知：在逆断层黏滑错动影响下,隧道衬砌结构的主要受拉区为下盘距离断层迹线0.3D～1.2D(D为隧道洞径)范围内的隧道衬砌底部,受压区主要在下盘距离断层迹线0.6D～1.6D范围内的隧道衬砌顶部。逆断层黏滑错动引起的围岩压力变化最大发生在隧道底部上盘距离断层迹线1D位置,增幅可达2倍的初始围岩压力。在逆断层黏滑错动影响下,隧道衬砌结构的破坏形式是弯曲张拉和直接剪切组合破坏,其中在断层迹线附近的2条倾角为50°和45°斜裂缝为隧道结构破坏的主控因素。     

暗挖隧道穿越杂填土地层数值模拟研究

以西安市地铁8号线某标段暗挖隧道为背景,采用FLAC3D软件建立暗挖隧道穿越杂填土地层三维数值计算模型,并分析了围岩应力和变形、衬砌结构应力和变形以及地表变形特性。研究结果表明,围岩应力呈层状分布,埋深越大应力越大,在隧道洞径约1倍范围内区域为隧道开挖扰动区;暗挖隧道开挖时,围岩影响范围和变形逐渐增大并趋于稳定;衬砌结构两侧壁以及拱顶有应力集中和扩散现象,表现为压应力和拉应力。隧道侧壁水平变形最大,竖向变形拱顶表现为沉降,拱底表现为隆起;隧道中轴线处地表水平变形为零,呈中心对称分布;隧道中轴线处地表竖向变形最大,呈轴对称分布。相关结论可为类似暗挖隧道施工提供参考。     

双连拱隧道模型试验研究

结合某双连拱隧道实际工程,利用相似模型在Ⅱ、Ⅲ类围岩条件下,采用三导坑法、双导坑法和中导坑拓展法三种施工方法进行模型试验研究。得出：最大的周边径向位移发生于拱顶,其次为拱腰部位,径向位移收敛警戒值的范围不能超过10 mm；从洞室的失稳特征分析,衬砌最容易在隧道边墙及中墙与衬砌搭接处出现裂缝；通过模型试验得出了连拱隧道在Ⅲ类围岩中采用中导坑拓展法施工,对围岩扰动较小,有利于隧道稳定的结论。     

单层洞桩法暗挖车站初支扣拱拱顶应力应变规律研究

为研究单层洞桩法暗挖车站初支扣拱拱顶应力应变规律,本文以某单层洞桩法暗挖车站为例,介绍了初支扣拱期间导洞拱顶围岩压力、初支格栅钢筋内力、初支及二衬拱顶竖向位移的监测方案设计,并对监测数据进行了分析总结。得出了单层洞桩法施工期间的三次围岩应力重新分布节点,初支拱顶竖向位移不代表拱顶围岩的竖向位移,只有施工扰动造成的松动围岩应力作用在初支结构上,设计过程中采用的"全土柱法"进行结构荷载计算安全系数较高,并进一步得出施工过程中控制松动围岩范围是风险管控的根本等观点和结论,可为类似工程提供参考依据。     

“红层”软岩隧道进口段CRD法数值模拟及现场实测研究

受岩体赋存条件、隧道设计和施工方案等因素的共同影响,软弱围岩在隧道开挖应力重分布过程中较易发生塌方破坏,尤其是在隧道洞口段部分。本文结合具体工程实践,对软岩隧道进口段CRD法施工过程进行了非线性数值仿真模拟和现场实测分析,在此基础上开展了隧道围岩和支护结构的施工力学行为和变形性状的研究。研究结果表明:(1)由于隧道围岩较为软弱,隧道施工对周边围岩变形影响较大,纵向约2倍洞径、横向一倍洞径为施工的强烈扰动区域,施工时应加强支护;(2)隧道施工后,拱顶处围岩应力由于围岩变形释放使得其值大幅度减小,而拱腰处岩体应力上升,并出现塑性破坏,故在实际施工时应对该部位加强支护;(3)采用CRD法施工后,实测围岩变形在隧道开挖约20天后趋稳,而围岩压力、钢拱架和初期衬砌受力均在隧道开挖后的前10天内受力增幅最为明显,之后才逐渐趋稳。     

纵向裂缝对隧道衬砌承载力的影响分析

 基于隧道衬砌拱顶结构1∶1的荷载试验,建立衬砌裂缝深度与衬砌刚度的关系,提出裂缝处衬砌刚度计算的梁弹簧模型。基于梁弹簧模型分析裂缝位置、裂缝深度和地层抗力对衬砌结构承载力的影响。计算结果表明：隧道拱顶安全系数随裂缝深度增加呈线性降低,裂缝深度为衬砌厚度的50%时,安全系数则降低78%;相同裂缝深度情况下,裂缝在拱顶时最不利,裂缝在拱腰、边墙以及拱脚时对结构安全系数影响较小;地层抗力对拱顶、边墙以及拱腰的安全系数影响较大,对拱脚的安全系数影响较小。     

岩溶隧道拱顶局部水压作用下衬砌受力特征研究

岩溶地区岩体裂隙发育、溶蚀管道众多。在暴雨条件下受地表水补给影响,在役隧道顶部溶洞内水位快速升高,导致衬砌结构发生失稳破坏,严重影响行车安全。针对依托工程的地质条件,采用理论分析方法建立了圆形衬砌断面的顶部局部高水压与围岩压力联合作用下的内力计算模型,基于Mathematica编程进行了不同水压力大小和不同水压力作用面积下隧道衬砌结构的受力计算分析。结果表明:随着拱顶水压力值或水压作用面积的增大,位移/弯矩零点角度的大小均呈非线性变化,位移零点变化比弯矩零点变化明显,位移零点均非线性增大,弯矩零点则减小;拱顶和边墙的位移值均呈线性增大,拱顶增幅大于边墙增幅;负弯矩出现在拱顶和仰拱处,正弯矩出现在边墙处,其中拱顶弯矩增幅最大,边墙和仰拱处弯矩增幅几乎一致。     

逆断层铰接式隧道衬砌的抗错断效果试验研究EI北大核心CSCD

以棋盘石工程为依托,采用1∶50的相似比,开展模型试验。针对75°倾角逆断层黏滑错动的情况,研究上覆地层的错动变形规律与跨断层隧道的结构受力、损伤特征,并对衬砌结构的破坏模式与破坏机制进行分析。研究表明:随着断层上盘抬升,断裂传播至地表,形成一个倒置的三角剪切带。在2.5D埋深处剪切带的宽度约为0.635D(D为隧道洞径),在隧道拱顶位置处剪切带约为0.315D。地表位移变化与断层传播规律基本一致;断层破碎带处隧道与土体的接触压力的变化最大,是下盘接触压力变化值的3~5倍;断层上盘隧道承受负弯矩,下盘承受正弯矩;在断层破碎带中,错动位移量为0.34D时,衬砌变形缝处发生剪切、挤压引起的开裂,局部伴有张拉裂缝。设置变形缝后,铰接式隧道仅在变形缝处发生严重破坏,节段衬砌损伤轻微,抗错断效果明显优于未设变形缝隧道。     

千枚岩深埋隧道支护参数对结构受力与变形的影响

为探索成武高速2号隧道支护参数对结构受力与变形的影响,以室内试验、原位试验和现场测试为主要手段,研究了隧道围岩工程特性、初期支护围岩压力、二次衬砌接触压力、拱顶下沉、周边收敛-时间曲线的变化规律; 提出增加单层初支刚度、采用双层初支、增加双层初支刚度3种支护参数方案,再利用FLAC3D有限差分软件分析,以原始支护方案和3种支护参数方案为基础建立4种工况来确定不同支护参数对隧道结构受力与变形的影响。结果表明:在原始支护方案模拟结果中,拱顶竖直位移和拱脚水平位移趋于稳定时分别为185.57 mm和330.51 mm,与现场测试结果相对误差分别为5.5%和7.5%; 采用单层初支时,钢拱架间距由75 m调整为60 m,钢拱架型号由I18调整为I22,拱顶处的竖直位移为161.45 mm,相对于原始设计模拟结果减少了13%,拱脚处水平位移为273.21 mm,减少了17.3%,右拱腰处应力集中值为11.18 MPa,减少了9.1%; 采用双层初支时,2层中钢拱架间距与型号均与原始支护设计相同,为75 m与I18,拱顶处的竖直位移为130.58 mm,相对于原始设计模拟结果减少了29.6%,拱脚处水平位移为227 mm,减少了31.3%,右拱腰处应力集中值为8.24 MPa,减少了33.0%; 采用双层初支时,2层中钢拱架的间距均为60 m,型号为I22,拱顶处竖直位移为80.56 mm,相对于原始设计模拟结果减少了56.6%,拱脚处水平位移为159.34 mm,减少了51.8%,右拱腰处应力集中值为6.13 MPa,减少了50.2%,此工况下隧道支护结构的受力变形限制最好,拱顶沉降为80 mm,周边收敛为160 mm。     

逆断层铰接式隧道衬砌的抗错断效果试验研究

以棋盘石工程为依托,采用1∶50的相似比,开展模型试验。针对75°倾角逆断层黏滑错动的情况,研究上覆地层的错动变形规律与跨断层隧道的结构受力、损伤特征,并对衬砌结构的破坏模式与破坏机制进行分析。研究表明:随着断层上盘抬升,断裂传播至地表,形成一个倒置的三角剪切带。在2.5D埋深处剪切带的宽度约为0.635D(D为隧道洞径),在隧道拱顶位置处剪切带约为0.315D。地表位移变化与断层传播规律基本一致;断层破碎带处隧道与土体的接触压力的变化最大,是下盘接触压力变化值的3~5倍;断层上盘隧道承受负弯矩,下盘承受正弯矩;在断层破碎带中,错动位移量为0.34D时,衬砌变形缝处发生剪切、挤压引起的开裂,局部伴有张拉裂缝。设置变形缝后,铰接式隧道仅在变形缝处发生严重破坏,节段衬砌损伤轻微,抗错断效果明显优于未设变形缝隧道。     

60°倾角正断层黏滑错动对山岭隧道影响的试验研究

通过1∶50室内模型试验,模拟了60°倾角正断层黏滑错动下,与之正交的隧道结构的受力变形破坏过程,并布置传感器监测了隧道顶部和底部的地层压力、隧道轴向的应变和隧道环向的应变。试验结果表明,地层的永久变形和地层-结构的相互作用,导致了围岩压力在剪切带附近发生显著变化,上盘和剪切带范围内拱顶压力显著增大,下盘拱顶压力次之,上盘和剪切带隧道底部压力减小,下盘底部压力显著增大,隧道与下部围岩可能局部脱空以适应断层的剪切位移;上盘和剪切带范围内纵向弯矩为正,下盘范围内为负,隧道偏心受压;以原型混凝土压坏来判定衬砌破坏,初步确定原型结构破坏所容许的最大断层位移D=0.3m,理论上该值略偏大;隧道衬砌破坏区域,在剪切带和下盘范围分别为0.75和1.5倍隧道宽度。     

软弱围岩隧道预衬砌法实施效果模型试验研究

开展软弱围岩隧道预衬砌法大型三维地质力学室外坑内模型试验,对比分析常载和超载条件下设置预衬砌、不设置预衬砌预收敛变形、收敛变形、掌子面挤出位移、径向围岩压力及失稳破坏过程。结果表明:全风化V级花岗岩地质条件下铁路双线隧道采用预衬砌法,预收敛率减小20%～30%、拱顶沉降和水平收敛分别降低25%和80%、洞周径向围岩压力增大1.1倍;不设置预衬砌段开挖过程对超前核心土纵向影响范围约为0.7D(D为隧道跨度),设置预衬砌段影响范围缩小至0.3D、降幅近60%;超载条件下隧洞失稳过程为:边墙、拱顶、掌子面岩体"剥离–滑移–垮塌",最终形成深度分别为2,1.4,1.2m的塌穴;隧道稳定性判定参考极限位移值可取拱顶沉降157mm、水平收敛93mm、掌子面挤出位移225mm。研究成果为新意法理念下预衬砌全断面大型机械开挖提供一定的理论依据。     

软弱围岩隧洞位移和应力释放规律研究

软弱围岩强度低、自稳能力差,在隧洞施工中易引起不同程度的塌方,造成生命财产的损失。因此,研究及时支护情况下软岩隧洞围岩的位移和应力释放规律显得尤为重要。笔者采用三维数值方法系统研究了隧洞开挖过程中的位移变化规律,并结合二维数值分析方案研究了围岩应力释放系数随工作面推进的关系。研究表明:(1)埋深、洞径和洞型等对拱顶位移释放系数影响较小,而岩性对其影响显著;(2)拱顶位移释放随应力释放变化过程大致可分为3个阶段,且岩性越差达到相同位移释放率时所需的应力释放率也越大;(3)研究断面前后一倍洞径是围岩应力调整的主要阶段,且应力释放率随岩性的弱化而增强;(4)初期支护对岩性较差的隧洞效果更明显。