饱水土质隧洞变形特性分析及影响因素研究

基于新疆库尉引水隧洞现场监测资料,对饱水土质隧洞变形特性及影响因素进行深入分析。根据其主导影响因素将土质隧洞的变形分为3个阶段:横向空间效应影响阶段→纵向空间效应+时间效应影响阶段→时间效应阶段,横向空间效应影响为开挖时出现塌方、冒顶的主要因素,可通过超前支护、减小横向空间面积等方式降低其影响;纵向空间效应+时间效应主导着第二阶段的变形,其合理的分离可为参数反演提供依据;第三阶段的时间效应主要为流变变形。对不同埋深、围岩类型以及支护强度影响下监测的变形数据的分析可知:低液限粉(黏)土整体性较好,主要发生与埋深有较大关系的形变变形,埋深越大,变形越大,且具有一定的流变特性;粉土夹砂层和粉细砂夹砾石排水量大,开挖过程中易发生小范围塌方,其变形主要以洞周一定范围内的松动变形为主,且与夹砂层的位置有较大关系,埋深对其变形影响不显著,在采取强支护措施及分步开挖方式下,监测到的变形量值均较小。支护结构在拱顶和边墙部位的变形特性有很大差异:拱顶变形稳定时间短,变形量小;低液限粉(黏)土围岩边墙处围岩塑性区范围随埋深增大,应力释放时间效应明显,形变压力不断增长,收敛变形量大。对于土质隧洞,钢拱架在限制围岩变形方面比钢格栅更为显著,考虑造价等因素,应根据不同地质条件、埋深合理选择支护方式。     

隧道下穿采空区围岩变形规律研究

为了研究下穿煤矿采空区条件下隧道围岩变形规律,以太原—焦作高铁控制性工程——皇后岭隧道为工程背景,通过开展数值对比试验,分析采空区与隧道不同距离、不同围岩强度、不同支护强度影响下拱顶位移变化规律。结果表明：随着隧道顶部与采空区距离的逐渐增大,拱顶沉降逐渐减小,即距离越大,采空区对隧道围岩稳定性的影响越小,采空区对隧道的有效影响范围约1.7倍的隧道洞径。随着围岩强度等级的降低,拱顶位移呈现指数式增长,隧道围岩稳定性受围岩强度等级影响显著。隧道拱顶位移随着支护强度的增大,位移不断减小,围岩等级越低,支护强度对隧道变形的有效控制效果越好。     

软弱围岩浅埋大断面公路隧道支护结构参数比选

以乐汉高速为工程背景,借助有限元软件MIDAS分别构建地层结构模型和荷载结构模型,研究不同支护参数下隧道围岩变形及结构受力特征,结合结构安全系数,比选出隧道最为合理的支护体系。研究结果表明,不同初支厚度下结构受力均呈现边墙>拱腰>拱顶的分布规律,围岩变形呈现仰拱>拱顶>拱腰>边墙的分布规律,随着初支厚度的增加,结构受力及围岩变形均逐渐降低,但跌幅较小,在15 cm厚初喷C25支护下结构受力及围岩变形均满足工程要求。对于软岩浅埋公路隧道,结构安全系数最小值位于隧道拱顶,且随衬砌厚度增加而逐渐提高,采用45 cm, 55 cm, 65 cm厚C30钢筋混凝土结构安全系数及裂隙宽度均满足规范要求,为了节省经济,减少工程投资,二衬可选择45 cm厚C30钢筋混凝土。     

隧道穿越软弱破碎带超前支护加固效果分析

为研究管棚支护在软弱围岩中对隧道的影响，文章依托亚曲滩隧道穿越软弱围岩的浅埋暗挖工程进行模拟分析。研究结果表明：拱顶管棚挠度沿隧道纵向逐渐减小，洞口位置处挠度较大，末端挠度最小。拱腰管棚的挠度值相对较小，约为拱顶管棚挠度的1/2，且变形由两侧拱腰向拱顶递增。拱顶管棚轴力沿隧道纵向先受压后受拉，拱腰管棚轴力也是先受压后受拉，但拱顶轴力约为拱腰轴力的两倍，并且轴力由拱顶向拱腰两边递减。随着管棚直径的增大，隧道拱顶、拱底和拱腰逐渐减小。管棚直径对拱顶沉降的控制效果最好，其次是拱底，最后是拱腰。随着直径的增大，隧道拱顶、拱底受直径的影响逐渐减弱，变形速率逐渐下降。间距的增大导致隧道拱顶、拱底的变形增加，变形速率逐渐上升。管棚加固区厚度的增大使得隧道拱顶、拱底和拱腰的变形逐渐减小。管棚加固区厚度增大对拱顶沉降的控制效果较好，其次是拱底，最后是拱腰。在管棚加固时，应特别关注隧道拱顶的情况。该研究结果可为类似工程提供一定的借鉴作用，对隧道结构的安全有积极作用。     

TBM自重对围岩变形影响的数值模拟研究

为研究双护盾全断面隧道掘进机(TBM)自重对围岩变形的影响,基于FLAC3D有限差分软件,通过改变隧道的埋深与围岩条件,建立3种工况数值模型,并对每个工况分别进行了考虑TBM自重与不考虑其自重的数值模拟,以对比各种工况下有无TBM自重作用的隧道围岩纵向位移曲线(LDP曲线);研究了TBM自重对围岩变形的影响。模拟结果表明,TBM自重可抑制隧道围岩的径向位移,并随着开挖隧道的围岩等级升高、埋深变浅,其自重对围岩变形的影响越大,且与不考虑TBM自重的围岩变形相比,边墙洞壁的径向位移减小率最大,仰拱与拱顶次之。这些认识对研究TBM与围岩的相互作用和预测卡机有重要意义。     

隧道开挖过程中地层变形的统计分析

 以70余座浅埋暗挖法修建的隧道的实测数据为基础，对影响地层变形的各种因素进行统计分析，提出浅埋暗挖隧道的最大沉降量计算公式。同时还得到几点地层变形规律，如：最大地表沉降和拱顶下沉值的概率分布近似成正态分布；随着围岩稳定性由好变坏，地表沉降和拱顶下沉值也呈逐渐增大的趋势；隧道跨度为5～10 m时，II，III，V类围岩条件下的最大地表沉降值与上覆土层厚度关系呈凸形状，II，III类围岩的最大拱顶沉降值在埋深25 m范围内随隧道埋深增大而增大；拱顶沉降与地表沉降比值多为0.5～1.5；在埋深小于20 m范围内，沉降槽宽度多为(8～12)R(R为等效半径)。最后对50余座产生塌方隧道的坍落高度和塌方量进行统计，并对影响隧道塌方的主要因素进行分析。该研究成果为隧道进一步的设计、施工提供科学的参考依据，具有重要的实用价值。     

软弱地层浅埋大跨双连拱隧道支护结构变形研究

软弱地层浅埋大跨度双连拱隧道施工对围岩多次扰动,围岩稳定性差,施工过程支护结构变形和受力变化复杂,施工难度大。文中以南山路双连拱隧道为背景,通过现场监测和三维数值模拟研究双连拱隧道左右洞各施工步序中支护结构的位移变化规律,着重观察并分析拱顶沉降、边墙收敛的量值及变化稳定过程,研究表明:(1)支护结构变形以竖向沉降为主,水平收敛较小;(2)后行洞的施工对先行洞围岩扰动较大,导致先行洞变形明显变大;(3)缩短台阶长度,及时使支护结构封闭成环能有效改善结构受力,抑制隧道结构变形。     

基于现场监测统计的隧道围岩压力特征分析

利用现场监测结果反分析隧道结构受力特性已逐渐成为隧道动态施工和稳定性评价最常用的方法之一;在总结隧道受力分析发展历程的基础上,通过对近20年来39座隧道71个监测断面围岩压力的统计分析,研究隧道围岩压力的总体分布特征及其与隧道岩性、施工方法、隧道埋深、隧道跨度等因素的关系,讨论隧道支护结构的受力规律及围岩压力的时空分布特征;总体而言,围岩压力值分布范围大致为15~600 kPa;围岩压力随隧道埋深增大而增大,埋深越大,围岩压力分布越离散;且围岩压力沿洞周呈拱肩→拱腰→拱顶→拱脚→仰拱逐渐减小的分布规律;围岩压力有明显的时间效应,一般在隧道开挖后40天左右趋于稳定。研究结论可作为完善隧道结构支护方法及分析围岩压力作用机制的参考。     

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。     

大埋深高地应力硬脆性围岩隧道施工工艺研究

随着我国隧道工程的迅速发展,隧道建设不断向大埋深、高地应力和破碎围岩地带延伸.针对大埋深高地应力硬脆性围岩的地质特性、应力作用与围岩变形规律认识不足,不利于施工安全的问题.本文依托天平铁路关山隧道,对大埋深高地应力硬脆性围岩隧道控制变形施工工艺进行研究.研究表明:采用大曲率边墙优化结构断面,可有效改善隧道结构受力;合理...     

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。     

承压溶腔对隧道开挖稳定性影响的模型试验

以某三车道公路隧道为依托,开展临近承压溶腔隧道开挖的室内相似模型试验,获得在一定的溶腔大小和内压下,不同位置处溶腔对隧道开挖过程中的洞周位移、钢拱架内力、初支背后围岩压力及洞周围岩应变等影响的特征和规律,并和无溶腔工况进行对比。结果表明:隧道最终拱顶下沉量大小顺序为无溶腔时下沉量溶腔位于拱顶时下沉量溶腔位于隧道边墙处时下沉量溶腔位于仰拱处时下沉量,边墙最终水平收敛量大小顺序为溶腔位于仰拱时的收敛量溶腔位于拱顶时收敛量无溶腔时收敛量溶腔位于边墙时的收敛量。相对于无溶腔而言,临近溶腔存在使得钢拱架的弯矩增大,并增加了轴力分布的不均匀性及偏心距,不利于初期支护结构稳定。同时,溶腔的存在还会减小局部的地层抗力或围岩压力,增大初期支护受力的不均匀性,并在溶腔周围形成一定范围的应力集中区,极大地改变了溶腔与隧道之间围岩的应变分布,对该区域的围岩稳定也较为不利。     

浅埋偏压隧道进洞施工力学特性研究

隧道进口段围岩常常具有浅埋、偏压、风化严重等特点,若施工处理不当,极易造成洞口边、仰坡滑动和洞内塌方等事故,从而影响隧道正常施工和人员安全。结合具体工程,对浅埋偏压隧道进洞施工开展了三维数值模拟,并结合监测数据分析了施工对围岩和支护结构力学特性的影响,主要结论如下:围岩变形具有非对称性,浅埋侧围岩变形量要小于深埋侧;随着隧道的逐步开挖,隧道深埋侧拱脚和浅埋侧拱肩处围岩易于发生剪切破坏,而且围岩的塑性区也主要位于这两个区域,并逐渐向拱顶上方贯通;初期支护结构的受力状态受偏压地形影响显著呈非对称性,而超前支护受偏压影响较小;现场实测围岩变形与计算结果较为吻合,且变形在22天后达到稳定状态。     

单裂隙隧洞类岩模型力学特性的数值模拟

为了研究隧道围岩中裂隙分布形态对临空面岩体力学特性的影响,对不同裂隙长度、倾角和空间位置的类岩模型进行单轴压缩颗粒流数值模拟试验,并进行了不同试验工况的对比分析。结果表明：模型中裂隙长度与隧道拱顶围岩内部水平拉应力基本呈反比关系,并在拱圈附近一定范围处存在水平拉应力稳定区,进一步得出隧洞拱顶围岩中垂直应力随着隧道埋深的增大而增大,裂隙长度对其影响程度更大。而模型中裂隙倾角与隧道拱顶围岩内部拉应力、拱肩附近围岩内部压应力呈正比关系。此外,随着裂隙空间位置H增加,拱顶围岩内部拉应力与拱肩围岩内部压应力均出现先减小后增加的变化规律,并进一步得出围岩待加固区宽度(系统锚杆长度最小值)与裂隙长度、拱圈半径之间的相互关系式,可为隧道锚杆设计提供一定的理论依据。     

浅埋矩形隧道围岩压力上限分析及可靠度计算

考虑浅埋暗挖法施工矩形隧道,由于隧道埋深浅,一般会受到建、构筑物等地表荷载的影响,采用极限分析上限法推导出受地表荷载和孔隙水等荷载作用下的围岩压力表达式。结合序列优化法和Matlab优化工具,计算得到围岩压力的上限解。考虑土体参数以及荷载的离散性,运用可靠度方法对支护力进行失效概率分析。分析了侧压力系数、黏聚力、内摩擦角、埋深、孔隙水压力及地表荷载对围岩压力的影响,通过计算表明,侧压力系数对拱顶、边墙的围岩压力有较大的影响,并且差异性很大,建议区别计算拱顶和边墙的围岩压力。此外,参数的统计特征对浅埋矩形隧道支护力也有较大的影响,特别是变异系数,应提前做好勘测、统计工作。并针对3种不同的安全等级,给出了浅埋矩形隧道的最小安全系数和最小支护力,为其支护设计提供参考。     

基于现场监测数据的隧道围岩变形特性研究

 隧道变形是衡量隧道结构体系稳定性的重要指标,该指标可以科学、及时、可靠、便捷地反映隧道工程的安全性。在收集、整理我国103座山岭隧道836个拱顶沉降数据、806个水平收敛数据的基础上,系统分析围岩变形量、围岩变形稳定时间与围岩级别、隧道开挖面积等因素之间的关系。研究表明：隧道围岩变形数据主要集中在低值区间,中高值区间数据较少但分布范围较广,随着围岩级别增大,围岩变形值增大,数据集中区间增大,变形分布区间增大;隧道断面面积对隧道围岩变形影响较大,随着隧道断面面积的增大,变形值增大;实测数据表明,隧道围岩变形与隧道埋深并没有明显的联系;隧道围岩变形稳定时间主要集中在中低值区间,高值区间的数据相对较少,随着围岩级别增大,围岩变形稳定时间增大,分布区间增大。根据统计结果,提出不同围岩级别下,隧道变形的建议控制值以及变形稳定时间参考值。     

大跨小净距隧道衬砌力学行为现场测试研究

综合采用现场测试及数值计算方法,对深圳市南坪快速II期双洞八车道小净距隧道施工中二衬受力分布规律,以及不同间距下近邻隧道施工后行洞对先行洞二衬结构受力的影响进行研究。研究结果表明:二衬各点轴力和弯矩值均较小;拱顶处、远离中岩柱侧的边墙和中岩柱侧拱脚部位有可能出现较小拉力,应注意防止混凝土开裂;Ⅳ级围岩、30 m净距条件下,后行洞开挖对先行洞支护受力的影响范围为掌子面后方40 m内,围岩越好,影响范围越小;仅拱顶处主应力表现为受拉,其余部位表现为受压,其中左、右拱脚处主应力压力值最大。随着净距的逐渐增大,拉应力与压应力值变化很小,没有一致增大或减小的趋势,净距变化对支护的应力影响不明显。     

软岩隧道大变形外因探讨

明确隧道软岩大变形的破坏特征成为了进行稳定性分析的先决条件。通过数值仿真手段研究影响隧道变形的外因,即隧道的尺寸、形状、埋深及施工技术等,对隧道的尺寸、形状、埋深等提出优化措施。研究结果表明:洞径越小,拱顶沉降量和边墙收敛值均越小;在施工时尽量采用不分部方式;支护应该及时,以保证支护的时效性。     

超大断面隧道软弱破碎围岩渐进破坏过程三维地质力学模型试验研究

为研究超大断面隧道围岩随埋深逐渐增加的渐进性破坏过程,通过大型三维均匀梯度加载地质力学模型试验系统和软弱破碎围岩及其支护系统相似材料的研制,开展大跨度隧道围岩随埋深逐渐增加渐进破坏过程的大比尺模型试验,真实再现全断面和台阶法开挖段周边围岩及掌子面保留段软弱破碎围岩渐进破坏的全过程。首先,以一定范围内埋深(200～1 020 m)的双线大跨度隧道软弱破碎围岩(铁路隧道V级)为研究对象,采用铁晶粉、松香、石英砂、重晶石粉以及聚四氟乙烯棒等原料研制出具有应变软化特性的软弱破碎围岩、初喷混凝土以及锚杆等相似材料,并配以能实现精细开挖和支护施作的微型设备及其配套工艺,通过可实现三面均匀同步加载的大型三维地质力学模型试验台架模拟隧道全断面和台阶法施工的全过程,并采用光纤光栅传感器、电阻式应变计、多点位移计以及微型压力盒全程监测隧道洞壁及其整数倍洞径(0～3倍)范围内围岩的应力、位移以及近区荷载的变化信息;然后,对隧道全断面和台阶法开挖段以及掌子面保留段围岩进行超载试验,按50 m埋深等荷加载改变隧道埋深,直至隧道全断面无支护段围岩开始出现明显破裂特征,然后再按20 m埋深等荷加载缓慢增加隧道埋深,直至隧道全断面和台阶法支护段初喷混凝土大面积破坏脱落。试验结果表明:(1)在埋深不断增加过程中,隧道围岩破坏区域呈渐进扩大趋势,全断面无支护段周边围岩最早发生破坏,然后依次扩展至全断面支护段初喷混凝土和台阶法支护段初喷混凝土,最终破坏区面积顺次由大到小;(2)无支护段围岩破坏区和支护段衬砌结构破坏区均主要集中在拱顶上方区域,是衬砌结构破坏和围岩塌落荷载的主要来源,两侧边墙也存在局部破坏区,自边墙上部至拱角部位破坏程度逐渐加剧;(3)在埋深增加过程中,支护段围岩位移增长率小于无支护段,应力和荷载增长率恰相反,支护结构承载效应明显;(4)超载过程中,围岩的破坏深度不断增加,尤其是拱部呈现动态压力拱现象,据此确定顶部加固范围在理论上具有可行性。研究的方法技术及结果将对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。     

软弱围岩隧道超前支护加固形式研究

以某软弱围岩隧道为背景,通过数值模拟分析不同超前支护加固形式对隧道结构和掌子面稳定性的影响,并对不同的加固形式进行对比分析。分析结果表明：地表注浆加固距离隧道拱顶接近1.2 m时,对隧道拱顶沉降的控制效果显著提升;管棚支护加固区厚度越大,对隧道拱顶沉降的控制效果越好;采用地表注浆加固、管棚支护加固和联合支护时,掌子面的挤出变形趋势基本一致,中部的挤出变形值最大;采用联合支护时,掌子面中部的竖向挤出变形值最小,相比未支护、地表注浆加固和管棚支护加固竖向挤出变形值分别减小了约38.5%、27.3%和9.1%;在同一水平线上,掌子面的横向挤出变形值基本相同,隧道开挖断面距掌子面3 m处,掌子面中部的横向挤出稳定变形值长度较长,而隧道开挖断面距掌子面6 m处,掌子面中部的横向挤出稳定变形值长度较短。相关研究成果可对软弱围岩隧道支护提供借鉴。