不同净距下小净距公路隧道的数值模拟研究

小净距隧道是目前公路隧道中最常见的一种型式，在我国还处于研究和发展阶段。采用有限元法和强度折减有限元法对不同净距下的小净距隧道进行了弹塑性数值模拟研究，对比分析了隧道围岩位移、应力、塑性区分布以及隧道安全系数随净距的变化规律。结果表明，小净距隧道围岩的各项指标与隧道的净距存在突变关系，最后提出了把围岩各项指标出现突变时的净距作为小净距隧道的合理净距。     

考虑σ2及围岩—支护结构相互作用的隧道力学模型

目前的隧道力学模型未能同时考虑中间主应力σ₂及围岩—支护结构相互作用对围岩塑性区等隧道力学特性的影响。为此,首先采用岩石统一强度理论替代目前常用的Mohr-Coulomb（M-C）强度准则以考虑σ₂对隧道围岩塑性区的影响。其次,针对Kastner方法未能很好地考虑支护前隧道围岩初始弹性位移及围岩—支护结构相互作用的不足,在其基础上,结合圆形隧道实际施工特点,提出了能够同时考虑σ₂、隧道围岩初始弹性位移及围岩—支护结构相互作用的圆形隧道力学模型。最后,通过算例研究了σ₂、隧道围岩初始弹性位移、原始地应力、支护结构刚度和岩石内摩擦角等对围岩塑性区、隧道洞壁位移和支护力的影响规律。研究结果表明：σ₂的影响不可忽略;一定的隧道围岩初始弹性位移可以减少支护应力,但会导致围岩塑性区和隧道洞壁位移的增加;支护结构刚度的增加可以有效减小围岩塑性区及隧道洞壁位移,但会增加支护结构应力;初始地应力的增加将增大围岩塑性区、隧道洞壁位移及支护结构应力;随着岩石内摩擦角的增加,围岩塑性区、隧道洞壁位移及支护结构应力均减小。最后,通过工程实例对模型的合理性进行了验证。     

小净距隧道施工方法优化研究

以河源洞小净距隧道为工程背景,通过模拟研究比较不同施工方法下的塑性区、位移、应力情况.研究结果表明:侧壁导坑法施工中对围岩开挖次数较多,围岩受到的扰动较大,塑性区范围比台阶法大;在相同的开挖次数下,CRD(中隔墙)法施工产生的塑性区范围又大于侧壁导坑法.对于围岩条件较差的情况,控制位移是施工中应该注意的一项重要工作,侧壁导坑法施工对于控制位移的增量有明显优越性,所以在软弱地层可以优先考虑采用.     

广州地铁广纺联区间隧道施工的有限元数值模拟

采用ANSYS有限元分析程序对广州地铁广纺联地段区间隧道施工方案进行了二维有限元分析。通过有限元计算，获得了在不同设计方案时围岩应力状态、围岩塑性区分布、地表沉降以及隧道支护结构中的内力变化情况，通过对比分析，得出一些结论，为广州地铁广纺联地段区间隧道施工方案提供了科学依据与技术指导。     

基于S.M.F的小净距公路隧道抗震性能分析

考虑围岩等级、隧道净距等因素,对小净距公路隧道的抗震性能进行了综合的分析。将S.M.F理论推广到Drucker-Prager材料,用以描述中岩墙的复杂应力状态,并基于此评价两隧道间的相互影响;以中岩墙的塑性区贯通作为临界条件,分析了Ⅲ级和Ⅳ级围岩小净距隧道的最小抗震安全间距。研究表明,地震波动在介质突变面上的反射、叠加导致小间距隧道的中岩墙处于非常复杂的应力状态,一旦两隧道间距过小,很可能导致中岩墙的破坏。根据计算,Ⅲ级围岩下的小净距隧道的极限净距不宜小于0.75B,Ⅳ级围岩下不宜小于1.0B(B为隧道断面的开挖宽度)。     

隧道开挖支护过程围岩变形机理的数值分析

对育王岭隧道出口段建立了三维工程地质模型,选取工程岩体力学参数,利用FLAC3D软件分析了四级围岩随着开挖及支护过程应力场、位移场的变化特征,模拟结果表明围岩的分步支护过程对围岩应力应变产生了调节作用,其中二次衬砌和仰拱施工对于围岩应力调整作用明显,施工后隧洞底部围岩由受拉状态转变为受压状态,最大拉应力分布区域转移到了仰拱处,有利于隧道稳定。     

混合岩地层大断面隧道施工安全步距优化研究

为满足隧道施工安全要求、施工中各工序协调运行和大型机械设备运作,故要找出合理的最大施工安全步距。采用FLAC3D有限差分软件,对深埋隧道Ⅳ级围岩安全步距进行数值模拟分析,并以实际监控量测数据相印证与参考,探求Ⅳ围岩及支护条件下的安全步距理论值。研究结果发现:当步距120 m时,隧道的竖向位移和水平位移都在限值之内,塑性区也没有扩展,而且支护后没有产生塑性区,并且隧道的竖向位移和水平位移与监控量测结果比较接近。     

软弱围岩并行隧道合理间距与超前地质预报研究

针对隧道间距和不良地质体对双孔并行隧道稳定性的影响,对软弱围岩条件下并行隧道的合理间距与超前地质预报效果进行了研究.以岩石力学理论为指导,对不同隧道间距工况下的双孔并行马蹄形隧道的开挖过程进行数值模拟,获得了围岩及中间岩柱的应力分布规律.试验结果表明:隧道间距大小对中间岩柱受力状态影响显著;Ⅴ 级围岩条件下,隧道间距应大于１．５倍洞半径;地质雷达图像能够有效反映出掌子面前方围岩中的不良地质体和隧道的衬砌情况.     

基于超前地质预报的隧道围岩稳定性靶向数值模拟研究

针对TSP超前地质预报技术的不足,通过对反射波信息的精细分析,结合地质勘查资料及现场施工情况,并通过TSP反射信息获取前方岩体部分力学参数,对隧道围岩的稳定性进行靶向超前数值模拟计算,对比分析不同施工工法下的围岩位移变化特征、塑性区及孔隙水压分布情况。结果表明,相较于二台阶法,三台阶法施工的围岩拱顶下沉、净空收敛及塑性区分布等均较小,二台阶法施工的围岩变化位移亦在规范允许范围之内,围岩状况稳定,对隧道高风险段施工工法转换及围岩稳定性的超前分析有一定的参考价值。     

下穿壁式采空区隧道施工力学及变形规律研究

以巴准铁路敖包沟隧道为依托,基于MIDAS-GTS软件,采用摩尔-库伦弹塑性模型,对壁式采空区开采过程和隧道下穿采空区施工过程中围岩应力分布和变形分布进行数值模拟,探讨二者相互影响。研究表明隧道下穿壁式采空区时,煤层开采使采空区底板下一倍开采长度范围内围岩垂直方向出现拉应力区;隧道开挖应力释放使隧道拱顶围岩拉应力区向上发展与底板拉应力区贯通,易造成隧道拱顶上部岩体受施工扰动而破坏;隧道下穿壁式采空区施工引起采空区底板与顶板竖向位移增大,造成三倍开采长度范围内地表沉降;并且隧道拱顶受采空区底板变形的影响是引起失稳的主要原因。     

综放工作面过空巷阻燃PVC混凝土柱支护技术研究及应用#br# #br#

为了预防综放工作面过平行和斜交空巷时出现冒顶压架事故,以漳村煤矿采区煤柱回收过空巷群为研究对象,采用FLAC3D对阻燃PVC混凝土柱支护过空巷柱净距进行优化,分析了空巷围岩应力、位移及塑性区分布特征。结果表明：综合考虑安全、成本和施工等因素,阻燃PVC混凝土柱净距为2m时相对较优|随着工作面向空巷不断推进,顶底板移近量先增大后趋于稳定|围岩垂直应力整体呈先增大后减小的趋势。阻燃PVC混凝土柱支护后,空巷围岩塑性区范围显著减小,塑性区主要分布在巷道顶部及靠近工作面一侧|同时,围岩应力向阻燃PVC混凝土柱转移,顶底板移近量显著减小,最大值为129mm,较支护前减小了70%。     

非对称连拱隧道不同开挖方案的比较分析

根据某高速公路非对称连拱隧道衬砌结构形式, 针对地表平、地表顺倾斜和地表逆倾斜等地表倾斜情况建立了相应的有限元分析模型, 选取围岩稳定性、衬砌安全性和偏压情况等反映隧道稳定性的性能指标, 采用数值模拟方法综合分析了不同地表倾斜情况下不同开挖方案对隧道稳定性的影响。结果表明, 地表倾斜状况显著影响非对称连拱隧道围岩和衬砌的受力和变形情况, 非对称连拱隧道地表平时应采用先大洞后小洞的开挖方案, 地表倾斜时必须综合考虑地表倾斜情况和大小洞的跨度差异, 才能合理确定开挖方案。非对称连拱隧道隧洞开挖时, 先开挖一侧的围岩应力释放会引起另一侧未开挖岩体的竖向应力增大, 导致另一侧岩体开挖时释放的荷载也相应增大, 使后开挖一侧隧洞的围岩位移和应力增大;开挖过程中应使左右洞的应力释放量尽量接近, 降低最终拱顶沉降和拱顶围压拉应力, 确保隧道围岩稳定及衬砌结构安全。     

浅埋连拱隧道施工动态响应特征研究

以实际工程为依托,针对浅埋连拱隧道暗挖施工稳定性问题,研究了隧道开挖过程中围岩、支护结构、中隔墙等结构的应力分布情况以及地表沉降等指标的动态响应特征。结果表明,中导洞开挖过程中,上台阶开挖对围岩应力影响较明显; 隧道施工完成后中隔墙上最大应力达7.03 MPa,侧洞拱腰及拱顶部位存在应力集中,大小为0.7~1.55 MPa; 侧洞靠近中导洞的上台阶初支结构拉应力达1.67 MPa,侧洞远离中导洞的上台阶初支结构压应力达4.48 MPa; 侧洞靠近中导洞侧台阶开挖时中隔墙应力增幅明显,掌子面远离监测面超20 m后施工对中隔墙无影响; 地表沉降最大部位位于隧道轴线处,沉降最大值为7.20 mm,沉降区域半径约25 m。     

V级围岩小净距隧道二次衬砌支护荷载分担比优化研究

以某V级围岩小净距隧道为研究对象, 借助数值分析手段寻求小净距隧道在多种荷载分担比组合下的力学行为特征, 研究了先行洞和后行洞围岩支护的荷载分担比优化问题。结果表明, 先行洞在围岩和初期支护共同荷载比不变的情况下, 围岩相对初期支护承担较小荷载为宜, 二次衬砌荷载分担比的优化值为从大往小趋向60%;后行洞在二次衬砌荷载分担比60%条件下, 二次衬砌支护对地表沉降抑制效果较差, 确定二次衬砌支护荷载分担比的优化值为从大往小趋向70%。研究成果为类似小净距隧道围岩支护荷载分担比优化提供了新的思路。     

考虑中间主应力和软化的圆形隧道围岩弹塑性分析

为研究中间主应力在圆形隧道围岩承载力所发挥的作用,根据统一强度理论和塑性增量的非相关性流动法则,提出了考虑中间主应力影响的应变软化围岩特征曲线的有限差分计算方法,并通过实例验证该方法的正确性。由于围岩的力学模型对特征曲线的影响较大,采用3种不同力学模型——弹塑性模型、弹脆性模型和应变软化模型,分别研究了中间主应力和支护力对圆形隧道围岩塑性区半径,应力分布和隧道洞壁处位移的影响。结果表明:当围岩采用弹塑性模型时,计算的塑性区半径和洞壁处的位移均较小,没有考虑岩体强度在塑性区的弱化,建议慎重选择;中间主应力对塑性区半径和洞壁处的位移发展均有抑制作用,特别是在无支护状态下弹脆性模型的抑制作用最显著;中间主应力对塑性发展的抑制作用随着支护力的增加而减小;弹塑性交界处围压,应变软化模型下软化区与残余区交界面的围压均与支护力无关,且随中间主应力影响系数的增加而减小。     

错动带对引水隧洞围岩稳定性影响的Flac3D模拟分析

引水隧洞是水电站建设中的重要构筑物。西南某水电站引水隧洞区域发育层间错动带,遍布节理裂隙地质条件复杂。以已开挖段引水洞隧洞为研究对象,基于Flac3D有限差分软件,采用数值模拟的方法,研究在层间错动带影响下隧洞开挖过程中围岩的变形规律与特征、围岩应力分布及其变化规律、塑性区范围。对保障施工安全、加快施工进度,指导相关隧洞设计施工均具有十分重要的意义。     

三台阶七步法台阶长度对岩堆体隧道稳定性的影响分析

基于某高速公路隧道穿越岩堆体的工程实践,建立了岩堆体隧道采用三台阶七步留核心土法施工的三维数值计算模型,分析不同台阶长度下岩堆体隧道围岩应力、拱顶下沉、围岩水平位移以及围岩塑性区的变化规律,并与现场实测结果进行对比。结果表明:合理的台阶长度能明显改善围岩受力状况,限制周边围岩位移。进行岩堆体隧道开挖时,建议采用短台阶,台阶长度控制在4m以内。所得结论可为岩堆体隧道施工提供有益参考。     

软岩巷道围岩变形力学响应特性分析

通过对软岩巷道围岩变形力学响应特性分析确定了弹塑性区应力、弹塑性位移、破碎区应力与破碎区半径的影响因素,并确定了与各因素之间的函数关系,为巷道支护提供了依据。结果表明,巷道围岩所受应力随着埋深的增大而增加,并且围岩产生的塑性范围和破碎区也相应增大。在巷道形成初期,需要立马对其进行支护处理,同时对围岩进行封闭。支护能够减小围岩所受应力,减小其围岩塑性范围和破碎范围的增加。在巷道围岩受力增加的起始时期,其塑性范围和和破碎范围增长速度相对平衡,当围岩受力达到一定程度时,围岩发生变形,塑性范围增长速度开始减缓,破碎范围扩大速度则相对增加。     

浅埋偏压隧道岩土体参数的位移正演反分析

以某浅埋偏压小净距隧道先行洞施工监测为工程依托,根据正交设计思想,确立实验方案,结合弹塑性非线性有限元计算构造训练样本,借助BP神经网络的超强非线性映射能力对隧道先行洞开挖所揭露的围岩变形模量E、泊松比μ进行了位移反演,及时掌握先行洞开挖后围岩物理力学参数,从而达到优化设计并指导后行洞施工的目的,以实现隧道的信息化施工与设计。     

确定小净距公路隧道合理净距的突变模型研究

基于突变理论非线性特性,通过对不同净距情况下小净距隧道的有限元计算,首先建立了小净距隧道中夹岩柱塑性应变能随净距变化的能量多项式函数,然后采用变量代换,得到判断其合理净距的尖点突变的理论模型。最后,把Ansys有限元程序和Matlab数学计算软件相结合,通过一个接口程序,把两个程序之间的数据互相调用,编制了一个基于突变理论的确定小净距隧道合理净距的智能系统。运用该系统,对某小净距隧道的合理净距进行了分析,得出的结果与现场实际量测反映出的结果一致,表明该方法是有很大实际应用价值的。