埋深对软弱隧道围岩破坏影响机制试验研究

通过室内模型试验,研究公路隧道IV,V级围岩在不同埋深条件下全断面开挖时的围岩破坏情况,实现自重应力场作用下毛洞状态时隧道围岩破坏过程的试验模拟,得到拱形塌方和塌穿型塌方2种围岩破坏模式。试验结果表明:隧道围岩的破坏从拱顶开始,并逐渐向上发展;埋深越小,隧道越易发生塌穿型塌方,而当埋深小于某一值时,因隧道开挖后围岩应力未超过围岩强度,隧道反而能保持稳定状态;对塌穿型塌方,隧道埋深越大,开挖后围岩维持稳定时间越短,塌方程度越严重,塌方向地表发展得越快;对同一类型的塌方,隧道埋深越大,塌方后隧道周边应力变化幅度越大。     

深埋岩体隧道开挖面三维非线性挤出效应分析

深埋高应力覆存环境下的岩体隧道处于复杂真三维应力状态,围岩力学行为与浅埋隧道存在明显差异,传统的强度理论与分析方法已经不能满足深埋隧道围岩稳定性精细化分析的要求;开挖面三维空间效应问题在浅埋隧道设计与施工常被简化甚至忽略,但其对深埋隧道围岩稳定和施工安全的影响必须予以重视。为此,以西部典型深埋隧道为对象,建立精细的三维地质模型和隧道数值分析模型,采用三维GZZ强度准则对不同埋深隧道的开挖过程进行三维有限元模拟,分析开挖面三维非线性空间效应,揭示开挖过程复杂应力路径及非线性挤出变形的时效演变机制。研究表明:(1)采用现场三维照相、激光扫描和三维重构等数字化采集技术,可快速、自动、准确获取岩体GSI等GZZ准则输入参数,实现了深埋隧道围岩稳定性三维分析;(2)深埋隧道开挖面挤出变形比浅埋隧道更加显著,挤出变形主要为塑性变形,变形量随埋深呈现出抛物线变化,且开挖面进入塑性屈服状态早于洞周围岩;(3)开挖面前后3～4 m范围内具有显著的三维空间效应,3个主应力均发生了巨大变化,且伴随明显的应力主轴旋转,该现象主要由开挖面处急剧增加的切应力导致;(4)开挖面中心岩石应力水平I1远低于洞周围岩,开挖卸载导致的岩体不稳定性比处于加载状态的洞周围岩更加严重;(5)深埋隧道钢拱架扭曲变形和围岩非均匀纵向变形主要与σ_3和σ_2有关,且超过一定埋深时,σ_2的作用显著增加。     

超浅埋大跨偏压隧道双侧壁导洞法施工力学特性分析

超浅埋跨偏压隧道由于跨度大、埋深浅、地形偏压,加上施工期间各道工序的相互影响,围岩的多次扰动等因素,导致施工过程中力学行为复杂,极易发生失稳乃至坍塌事故。利用有限元软件ABAQUS建立三维模型,对超浅埋大跨偏压隧道双侧壁导坑法施工过程进行三维模拟计算,分析了隧道围岩在开挖过程中位移场、应力场及支护结构受力的变化特征。结果表明(1)同一断面上地表沉降与拱顶沉降比值接近于1,深埋侧地表监测点沉降大于浅埋侧沉降;(2)开挖过程中,围岩应力不断变化,拱顶、深埋侧拱腰及拱底部位主要承受较大拉应力,浅埋侧拱腰以及左右边墙承受较大压应力;(3)当左右导洞下台阶开挖时,中导洞核心土会出现围岩塑性贯通区。(4)初衬受力随着开挖不断变化,当全断面闭合后,主要在拱底和拱顶出现拉应力集中现象,而二衬则在拱底会出现较小拉应力。     

浅埋偏压连拱隧道施工工序优化研究

为了优化浅埋偏压连拱隧道施工工序,依托四川省某浅埋偏压公路连拱隧道工程,利用ANSYS建立了该隧道某代表性浅埋偏压断面的二维平面应变模型,模拟了隧道按照设计的8种中洞法施工工序施工的动态力学效应,结果发现:分台阶法施工的拱顶沉降、围岩最大压力和支护结构最大压应力均小于全断面法施工,并且先开挖较浅埋侧隧道的围岩最大压应力和支护结构最大压应力均较先开挖较深埋侧隧道的小,此外,分台阶法施工在缩短工期和节约成本方面更优于全断面法施工。因此,本隧道工程采用中洞法先进右洞分台阶法施工,取得了较好的施工效果。     

浅埋偏压小净距隧道的力学特性及方案比选研究

浅埋偏压小净距隧道的围岩位移及力学性能与一般隧道有显著的区别,施工中稍有不慎将发生塌方事故。该文结合重庆南山隧道出口端浅埋偏压段工程实际及现场监测数据,利用ANSYS建立浅埋偏压隧道二维有限元模型及施工监测数据对各工况围岩位移、应力场及锚杆轴力进行对比分析,研究了其施工力学特性。结果表明:两洞开挖顺序不同,最终位移和应力量值存在较大差异,通过增加深埋侧隧道锚杆长度,有效地改善了围岩的受力特性,提高了隧道施工的安全性。分析结果可为不同环境隧道施工选择合理开挖方案提供参考,具有重要意义。     

连拱隧道施工台阶错距对围岩影响分析

隧道开挖必然扰动或破坏天然岩体相对平衡状态的初始地应力场,从而在一定范围内引起地应力的重新分布,并且导致岩体发生变形。连拱隧道开挖、支护和衬砌施工相互交错影响,使得围岩应力和衬砌荷载转换变得更为复杂。结合云南大中山1号连拱隧道施工情况,利用MIDAS/GTS软件建立了隧道三维数值模拟计算模型,对连拱隧道V级围岩采用中导洞-台阶法开挖,不同台阶错距对隧道围岩受力状况及变形位移进行了模拟分析。结果表明,当浅埋侧主洞先行,上下台阶开挖错距为0.5D时,围岩受力及变形量较小。     

软弱围岩偏压连拱隧道正洞合理施工布局研究

浅埋偏压连拱隧道左右洞的施工顺序和布局对围岩稳定和支护受力影响较大,为了明确浅埋偏压连拱隧道合理施工顺序,本文依托广东省南山路连拱隧道工程,结合现场监测以及数值模拟方法,研究了软弱围岩浅埋偏压连拱隧道左右正洞不同开挖布局时初期支护受力变形规律。通过建立数值模型对先开挖浅埋侧正洞和先开挖深埋侧正洞两种分案下的拱顶沉降、初期支护受力、塑性区分布、中隔墙水平侧向位移及受力等模拟结果的分析,得出:(1)不管采用哪种开挖顺序,先行洞的拱顶沉降均小于后行洞的拱顶沉降;(2)后行洞上台阶开挖后为中隔墙倾斜最为严重阶段,隧道施工完成后中隔墙向浅埋侧倾斜;(3)先行洞的初期支护整体受力较大,后行洞的初期支护受力较小;受力较大的部位一般在先行洞上台阶与中隔墙连接处以及靠近中隔墙侧拱腰处;(4)先开挖浅埋侧正洞方案较优,该方案支护受力变形较小,有利于支护结构的稳定。研究结果指导了现场工程施工,现场监测数据与计算结果较为吻合,研究结论可为类似工程提供参考。     

浅埋双侧偏压小净距隧道衬砌荷载及其参数敏感性分析

为了研究浅埋双侧偏压小净距隧道开挖的破坏模式及衬砌荷载分布规律,通过现场调研和数值模拟的方法对4种典型计算模型进行分析,分别获得了该类型隧道先行洞开挖和双洞开挖后隧道的破坏模式。然后针对该类型隧道的破坏特点,在基本假定的基础上建立了浅埋双侧偏压小净距围岩压力计算的力学模型,并结合公路隧道设计规范中有关成果,推导出能够考虑隧道左、右洞先后施工过程的隧道围岩压力计算理论。此外,通过数值模拟的方法对该类型隧道的围岩压力计算参数进行敏感性分析,获得了各计算参数对该类型隧道围岩压力的敏感性影响规律。     

浅埋偏压小净距黄土隧道施工过程围岩压力分析

为解决在特殊地形条件下线、桥、隧的良好衔接和线路规划等问题,小净距隧道作为一种新型隧道结构能够适应比较复杂的地形,近些年来得到广泛应用。以某公路隧道为研究背景,通过建立浅埋偏压小净距隧道左、右洞相互扰动的围岩压力计算模型,结合相关规范推导了隧道施工过程中围岩压力计算公式以及适用条件,并对隧道各参数的变化对围岩压力的敏感性进行了研究。结果表明：(1)后行洞的开挖会使先行洞拱顶垂直压力变大,侧压力和水平压力减小;(2)双洞外侧围岩侧压力系数受围岩计算摩擦角、中间岩柱两侧摩擦角和偏压坡角的影响,而双洞内侧围岩的侧压力系数还受隧道埋深和净距的影响;(3)隧道拱顶垂直压力的分布受到隧道埋深、偏压角度和侧压力系数的影响,但是受到隧道埋深的影响最大;(4)隧道围岩水平压力的大小受到隧道侧压力系数和隧道埋深的共同影响,但是隧道埋深占主要作用,埋深越大,隧道受到的水平压力越大。     

基于离散元的浅埋偏压隧道施工细观机理研究

浅埋偏压隧道受力性质复杂,施工危险程度较高。以齐家庄隧道为研究对象,采用离散单元法模拟了浅埋偏压隧道开挖过程,分析了不同工况下围岩应力、位移的变化规律,并着重从微细观角度研究了开挖引起的围岩内部的裂隙发展、接触力分布和强弱力链演化规律,进而阐释了锚杆支护的作用机理。结果显示：隧道开挖引起围岩应力转移,使强力链产生了明显的拱效应,而弱力链仍表现为各向同性;系统锚杆的挤压加固作用促进了隧道附近拱效应的形成,提高了隧道的稳定性;拱效应引起隧道上部应力沿压力拱传递到隧道的拱腰和拱脚,使其附近颗粒接触力增大,主方向偏转;现场监测数据与模拟结果规律一致,且与有锚杆三台阶工况结果接近。     

变埋深下软弱破碎隧道围岩渐进性破坏试验与数值模拟

 以一定范围内埋深(25～60 m)的3车道公路隧道软弱破碎围岩(公路隧道IV级)为研究对象,研制相似模型材料和配套试验设备,再现开挖后围岩的渐进性破坏全过程,分析不同埋深下围岩的应力场特征。通过模型材料室内试验获取岩体相关计算参数,引入弹塑性损伤本构模型对试验工况进行有限元数值模拟,计算结果与模型试验吻合较好。综合模型试验和数值模拟结果,可以得出以下结论：(1) 围岩破坏区是隧道塌落荷载的来源,主要集中在拱顶上方区域,在两侧边墙下方和拱底也有局部存在;(2) 隧道埋深对围岩破坏区域大小有重要影响,随着埋深的增大,围岩破坏区域呈渐进扩大趋势;(3) 围岩内的周向应力在隧道开挖后先升高而后逐渐降低,其最大值所在位置即对应压力拱位置,且该位置随着破坏区域的扩大而不断向围岩内部移动,形成动态压力拱现象;(4) 通过对围岩内部周向应力最大值的测试来获取隧道压力拱范围,并进而确定围岩塌落荷载大小,这在理论上是可行的。     

管线渗漏水范围对浅埋隧道围岩变形和破坏的影响

 管线渗漏水是城市浅埋隧道施工安全事故的重要诱因,明确管线渗漏水对浅埋隧道围岩变形和破坏的影响规律是安全事故防控的基础。针对VI级围岩浅埋地铁隧道,采用平面应变模型试验研究管线渗漏水范围对围岩变形和破坏的影响规律。试验结果表明：(1) 管线渗漏水作用下,隧道尚未开挖就产生明显的地表沉降,随着渗漏水范围的增加,地表沉降值和沉降范围也随之增大,但当管线渗漏水范围到达拱顶后,其继续增大对地表沉降的影响程度明显减弱。(2) 管线渗漏水作用下,隧道开挖前地表即产生明显的竖向裂缝,随着地表沉降的增加,裂缝的深度和宽度均同步增加;隧道开挖后,地表竖向裂缝的深度和宽度随地表沉降的变化速率较隧道开挖前有所减小。(3) 管线渗漏水范围越大,隧道开挖后造成地层破坏的程度越剧烈;小范围管线渗漏水情况下,管线渗漏水范围对围岩破裂面形状的影响不大;中等范围和大范围管线渗漏水情况下,管线渗漏水范围的包络线和围岩破裂面高度吻合,且破裂面相对于无渗漏水影响的情况更为陡峭。     

大跨浅埋城市轻轨车站隧道施工力学数值分析

针对重庆轻轨大坪车站隧道大跨浅埋断面,运用大型有限元数值计算软件(ANSYS)模拟计算洞体分部开挖过程,分析了隧道开挖各阶段的应力和变形情况,以期能更好地了解大跨浅埋隧道开挖过程中支护结构以及围岩的稳定状况.     

浅埋偏压软岩隧道数值模拟及方案比选

围岩的应力应变是分析隧道开挖中围岩稳定性的重要依据。文中通过大型有限元软件ANSYS,计算了不同埋深、不同坡度角、不同覆盖层厚度条件下,马鞍形浅埋偏压软岩隧道围岩的应力应变,分析其规律进行方案比选,确定了此类隧道比较合理的设计方案。分析结果表明:以2倍洞径的埋深作为偏压隧道深埋或浅埋的判断依据是合理的;隧道内壁各点的应力应变规律可以为隧道开挖中支护结构参数的选取提供参考。     

深埋巷道地应力测量及围岩应力分布特征研究

 基于淮南矿务局潘一矿的水压致裂法地应力测量结果及围岩应力分布特征研究,可以得出如下初步结论：(1) －790 m高程东翼矸石胶带机大巷区地应力以构造应力场为主,其最大原岩水平主应力值大于28.33 MPa,岩石单轴饱和抗压强度与最大水平主应力比值为5.82,属高应力区;(2) 在高地应力作用下巷道围岩塑性区从洞周向深部逐渐扩展,同时围岩应力也在塑性区向纵深方向逐渐增大,受围岩弱化的影响,围岩应力在约2倍洞径处应力达到最大值,然后再降低并趋于原岩应力;(3) 底板轨道大巷对顶板围岩应力分布的影响范围大于6倍洞径,远远超过根据传统弹性力学计算的3倍洞径影响范围。研究表明,深埋巷道围岩应力分布特征有别于传统的浅埋巷道,可为类似巷道围岩的变形破坏机制分析以及巷道加固支护提供参考。     

软弱隧道围岩拱顶塌方及锚杆支护效应试验研究

为研究软弱岩体中隧道开挖引起的围岩失稳破坏特征以及锚杆的加固效应,以IV级围岩为参照对象,开展一系列无锚杆和有锚杆支护条件下的隧道开挖地质力学模型试验,并对拱顶围岩的位移、应力和宏观破坏形式的发展变化规律进行分析。研究结果表明:(1)隧洞开挖后,围岩破坏始自隧道两侧拱脚,渐次向上延伸并塌落成拱;(2)由于锚杆的悬吊挤压作用及其与岩层的组合梁效应,显著减少了拱顶岩体塌落范围;(3)锚杆通过对岩体施加黏锚力,提高了锚固范围内岩体的强度和韧性,有利于增强围岩的承载能力和抵抗变形能力;(4)锚杆支护对围岩应力分布起调节作用,使得围岩能在较高的能量状态下获得稳定平衡,并延缓了围岩进入"软化"阶段。上述研究成果可为软弱隧道围岩稳定性评价以及支护结构的设计与施工提供一定的借鉴和参考作用。     

浅埋公路隧道开挖围岩及支护受力分析

随着我国的经济发展,山区的交通迅猛发展,修建的浅埋公路隧道越来越多。浅埋公路隧道的围岩通常强度较低,在开挖后不易形成自然拱,很不稳定。文中根据邢汾高速公路赵家沟隧道为研究对象,依据其勘察资料,建立了四组埋深不同的隧道模型,应用FLAC3D软件进行数值模拟,对其在开挖过程中的围岩受力和变形进行对比研究,并且对支护结构进行了受力和变形分析。明确了隧道开挖过程中的围岩破坏形式、易破坏部位和支护的作用,以及埋深与应力和位移的关系。     

饱和土中考虑衬砌界面排水的浅埋盾构隧道开挖影响分析

盾构隧道施工引起的环境土工效应分析一直是隧道及地下建筑工程领域中研究的热点问题。由于目前该领域较少考虑饱和土质以及隧道衬砌与土体间界面排水工况所带来的影响,尤其是较少针对隧道施工长期变形影响以及衬砌应力进行解析分析。由此基于隧道开挖椭圆化变形模式,考虑衬砌界面完全排水以及完全不排水两种工况,提出了饱和土中浅埋隧道开挖引起的地层长短期变形和隧道衬砌应力计算方法。结果表明:椭圆化变形模式对地层短期变形和长期变形的影响均较明显,在此条件下得到的位移曲线与实测值吻合较好。在计算衬砌内力时,衬砌轴力和弯矩整体关于90°/270°轴即隧道竖轴线严格对称,其中轴力沿圆周呈上大圆下小圆的倒“8”字形分布;而弯矩沿圆周呈上下圆基本一致的“8”字形分布,其中下圆稍大。土质和界面排水条件显著影响衬砌内力值的大小,其中饱和土长期排水工况下衬砌内力值一般大于不排水工况解,且其与饱和土短期不排水解相比差距明显。分析成果可为正确预估饱和土浅埋盾构开挖变形提供一定的理论依据。     

基于连续介质模型的海底隧道渗流问题分析

 与普通山岭隧道不同,海底隧道的一个显著的特点就是有着无限的水源对海底隧道进行补给。海底隧道开挖引起的地下水渗流带来两方面的问题：一是结构水荷载的确定问题,二是涌水量的预测问题。将围岩看作各向同性连续介质,针对这两方面的问题进行研究。明确孔隙介质中水压力的实质;根据国内外最新研究成果,针对山岭隧道和海底隧道不同的边界条件,对各向同性渗透系数下平面半无限含水空间圆形隧道稳定渗流的涌水量和水压力分布的解析解进行分析;以青岛胶州湾海底隧道为工程背景,采用数值方法比较应力场对渗流场的影响,以及围岩渗透系数、水深、注浆圈渗透系数和注浆圈厚度的改变对围岩孔隙水压力和洞内涌水量的影响。分析结果表明：隧道开挖的成拱效应对围岩孔隙水压力的分布和洞内涌水量的大小影响不大;在不考虑渗流场和应力场耦合作用、水深一定条件下,渗透系数的改变不会影响毛洞孔隙水压力的分布;隧道洞内涌水量随着围岩渗透系数或围岩上覆海水深度的增大呈线性增大;注浆圈渗透系数的减小和注浆圈厚度的增大都可以达到减小隧道洞内涌水量的目的,在实际施工中应该在注浆的经济性和其堵水效果两方面进行综合分析,确定最优化的注浆参数。     

浅埋偏压条件下隧道围岩稳定性研究

浅埋偏压条件下隧道软弱围岩破坏程度的合理评价对于隧道工程的设计和施工具有重要意义。以红石沟隧道为依托,应用数值模拟方法,结合现场监测数据,深入分析不同侧覆土厚情况下,偏压隧道开挖后围岩应力场、塑性区、变形场的分布规律及支护结构的受力特征,揭示围岩的失稳破坏机制。所得结论可供红石沟隧道及类似隧道浅埋偏压段的施工和支护设计参考。