隧道围岩变形及其衬砌内力特征研究

位于土层和岩层交界地层中的隧洞,其力学特性和水文地质条件均发生显著的变化,从而导致塌方或者围岩变形过大等。利用数值计算方法,建立二维有限元模型,对某工程隧洞土、岩接触地层中隧道开挖围岩变形和衬砌受力特性进行分析,并采用不同施工方法进行比较。结果表明,土、岩接触地层中隧道开挖围岩沉降位移场是非对称的,沉降位移最大位置在拱顶30°处,正是需要加强支护的位置;先墙后拱开挖在隧道三种施工方式中围岩最大沉降位移最小,正台阶开挖方法围岩沉降位移最大,留核心土开挖方法介于二者中间。合理的支护方式和开挖方式是土、岩层交界地层中隧洞周边岩体稳定的基本条件。     

黄土隧道双侧壁导坑法施工围岩力学性状及变形界限值

黄土特殊的工程性质给大断面黄土隧道设计中围岩变形控制量与预留变形量值的确定带来了困难。本研究以大断面马蹄形黄土隧道为对象,采用ＦＬＡＣ3Ｄ数值计算软件,建立三维数值模型,依据黄土物理与力学指标,研究了不同支护强度条件下黄土隧道围岩应力、变形变化规律以及拱顶监测变形极限值。结果表明:开挖扰动作用下黄土隧道地层应力由地面到拱顶距离先增大后减小,地层沉降位移随与地面距离增大而增大。隧道拱顶最大沉降随支护模量的减小先缓慢增长,随后迅速增长,不易控制。因此需要找到拱顶沉降加速增长的临界点,对应的极限值作为拱顶沉降的控制条件。由于隧道拱顶最终沉降由掌子面开挖前拱顶沉降和掌子面开挖后可检测出的拱顶监测沉降组成,可结合位移释放率得出监测沉降极限值,确定拱顶监测沉降控制条件。研究成果为黄土隧道围岩稳定性监测提供理论依据。     

公路隧道断层破碎带围岩变形规律数值模拟

为研究断层破碎带隧道施工围岩变形规律,采用数值模拟方法分别考查了台阶法、预留核心土法和三台阶法施工时围岩变形及地表沉降情况。结果表明:断层破碎带隧道施工围岩变形量随着荷载步增加趋于稳定,台阶法造成的拱顶沉降值较大,三台阶法和预留核心土法能较好的控制隧道拱顶沉降;隧道周边收敛值也随荷载步增加逐渐稳定,台阶法周边收敛值最大、三台阶法周边收敛值最小;地表沉降随荷载步增加逐渐达到稳定,台阶法施工造成的地表沉降最明显,三台阶法次之,预留核心土法地表沉降控制效果最好;预留核心土法隧道上方横向形成明显的沉降槽,随着荷载步增加沉降槽趋于明显,最终达到稳定。     

软岩引水隧洞施工开挖过程围岩变形规律研究

以云南省滇中引水工程某段软岩引水隧洞建立实体模型,应用三维显式有限差分法程序FLAC3D对其施工开挖过程进行三维数值模拟。计算结果表明,软岩隧洞受到开挖面的空间约束效应,围岩应力逐步释放,相应围岩位移也逐渐增加;在横断面上,拱顶围岩沉降位移沿竖直径向的空间效应主要影响范围在3倍洞径(3D)左右,而拱腰围岩水平位移和拱底隆起位移在1.5D左右;掌子面向前推进过程中,掌子面的空间效应逐渐消失,拱顶、拱底位移在施工开挖面后方约2.5D~3D处趋于稳定,拱腰位移在约2D左右趋于稳定,围岩变形收敛:软岩隧洞需要及时施作初期支护,以提高围岩自承能力,限制位移的增长速度。     

软岩隧道丢失变形规律模型试验研究

通过隧道开挖模型试验,研究不同应力条件下软岩隧道拱顶和拱腰的变形及丢失位移变化规律。拱顶和拱腰丢失的变形量随测点与掌子面距离的增加出现先增大后逐渐趋于稳定的趋势,拱顶比拱腰的变形量丢失状况严重。增加衬砌后可有效减小拱顶竖向沉降和拱腰横向变形的最终值,力学性质表现得更为稳定。随着地应力的升高,拱顶和拱腰丢失位移逐渐增加,丢失位移与地应力呈正相关关系。     

基于流固耦合的富水软岩地层隧道排水方案研究

为研究富水软岩隧道最优排水方案,以甘肃省道S304线关山隧道为研究对象,基于流固耦合分析理论,建立了应力场和渗流场作用下的隧道开挖模型。借助SoilWorks有限元软件对隧道全排水、全封堵及堵水限排三种施工方案进行了模拟,并对孔隙水压力及水位线、位移场及应力场、围岩塑性区的分布规律进行了研究。结果表明:富水软岩隧道开挖时,采用堵水限排方案可以有效减小对地下水位的影响,经济效益显著;三种施工方案中,堵水限排方案隧道的拱顶沉降、隧底隆起以及地表下沉量最小,但围岩的应力最大,仰拱最大拉应力为全排水方案的2.2倍;全排水方案与全封堵方案围岩塑性区主要产生在仰拱,堵水限排方案围岩塑性区主要产生在边墙两侧,塑性区的范围较小。研究结果可为富水软岩地层同类工程排水方案的确定提供借鉴。     

隧洞大型机械化配套施工及围岩-支护体系力学响应研究

基于郑万高铁湖北段高家坪隧道试验段,开展了三阶法、两台阶法和全断面(带仰拱)开挖工法的全方位现场监控量测试验研究,并采用接触问题的罚函数法对初期支护和围岩间界面效应进行了围岩-支护结构数值分析。结果表明,台阶法开挖虽然有利于围岩稳定性的控制,但全断面带仰拱法开挖对围岩累积变形控制更好;不同工法条件下围岩开挖屈服破坏范围相近,其中全断面法开挖拱顶处受力较小而边墙下部至拱脚受力弯矩和轴力较大,但均能满足施工安全及结构受力要求;大型机械化配套施工的全断面开挖对围岩扰动次数少,施工进度更快,特别是对于IV、V级围岩可有效控制施工质量并提高施工效率。     

输水隧洞穿越典型断面围岩结构安全分析

复杂地质条件是影响TBM输水隧洞结构安全的重要因素，以某引水工程中输水隧洞为研究对象，理论推导了渗流—应力全耦合作用的数学模型，针对TBM输水隧洞穿越断层和最大埋深段，建立三维有限元模型，计算分析围岩初始地应力场、渗流场，以及不同工况下围岩位移、塑性区和应力的分布规律，研究结果表明：初始地应力和孔隙水压力随着埋深的增加而增大，最大埋深处和断层处初始地应力分别达到1.342MPa、0.680MPa,孔隙水压力分别达到0.260MPa、0.200MPa;开挖过程中，断层和最大埋深段隧洞拱顶沉降量基本接近，相对差值仅为0.11%,而拱底抬升量差值较大，达到31.28%;断层处围岩塑性区主要出现在隧洞两侧，最大深度为2.920 m,最大埋深处围岩塑性区主要出现在隧洞拱顶，最大深度为8.627 mm;围岩最大压应力在断层和最大埋深段分别为7.987MPa、6.510MPa;内水压力作用，围岩位移和最大压应力相对于开挖阶段均有一定程度的降低。     

开挖方式对山岭隧道稳定性影响研究

以某小净距山岭隧道建设为例，采用有限元数值模拟手段分别建立了三台阶七步法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法三种施工方法的数值模型，并从位移、应力和塑性区方面进行了分析介绍，得到以下结论:采用三台阶七步法时拱底隆起量和拱顶沉降量最大，其次是单侧壁导坑法，最小的是双侧壁导坑法；采用双侧壁导坑法时拱顶位置处主应力最大，其次是单侧壁导坑法，最小的是三台阶七步法；采用三台阶七步法时隧道开挖以后围岩应力释放较大，围岩变得较为松散，且拱底围岩易出现应力集中，容易发生岩爆等危险；采用双侧壁导坑法施工时围岩塑性区最小，其次是单侧壁导坑法，最大的是采用三台阶七步法。最后，通过对比可知该工况下采用双侧壁导坑法时隧道的稳定性效果最好，采用三台阶七步法时效果最差。     

碳纤维筋加固隧道衬砌效果模拟及施工工艺探讨

为了更好地分析碳纤维筋对隧道衬砌的加固效果,以南瓦隧道工程为依托,借助有限元软件ANSYS对衬砌不同病害部位及不同裂缝深度的加固方案进行数值模拟,并给出相应的施工工艺及建议措施;结合现场检测数据,分析了该隧道病害产生的原因,提出碳纤维筋补强加固修复技术。分析发现:隧道仅拱顶存在不同深度裂缝(方案1)或拱顶及边墙均存在不同深度裂缝(方案2)时,使用碳纤维筋加固前,随着裂缝深度的增加,衬砌变形量明显增大,方案1最大位移位于仰拱中心,为5.81 mm,最大应力位于拱脚处,为18.80 MPa;使用碳纤维筋加固后衬砌变形减小较大,拱顶最为明显,方案1最大位移由5.81 mm减小至3.36 mm,减小了42.2%,方案2最大位移由6.17 mm减小至3.64 mm,减小了41.0%。结果表明碳纤维筋加固工艺对南瓦隧道具有良好的加固效果。     

软弱围岩浅埋隧道施工工法研究

针对浅埋公路隧道的软弱围岩地质情况,基于三维有限差分软件FLAC3D,建立软弱性围岩浅埋隧道变形预测模型,采用预留核心土法对现场施工过程进行仿真模拟,将模拟结果与现场监控量测数据进行对比,验证预测模型的合理性。基于预测模型,计算并分析不同工法下洞周围岩在掘进过程中的变形规律和开挖面稳定性等。结果表明:CD法施工时的拱顶沉降与开挖面最大内空位移是3种工法中最小的,但由于其开挖过程工序繁多,对围岩造成的扰动效应与开挖引起的收敛位移较预留核心土法大,综合经济效益,在实际工程中采用预留核心土法是非常合理的。     

浅埋富水隧道施工大变形原因分析与应对措施

为解决富水条件下隧道洞口浅埋段大变形问题突出、施工难度大的问题,依托在建福州市董奉山隧道项目,对隧道断面大变形的破坏特征及原因进行了详细分析,并提出针对性应对措施。结果表明：洞口浅埋富水地段受地层、地形、水环境及施工等因素影响,大变形以拱顶沉降为主,且在开挖后较短时间里变形急剧增加;隧道大变形表现为“急剧增长-缓慢增长-趋向稳定”3阶段变化规律,急剧增长阶段主要集中在下台阶开挖之前,其围岩变形量约占整个沉降变形的75%～80%。根据大变形分析情况提出：开挖前采用“超前帷幕注浆+井点降水”的辅助加固措施,改善掌子面前方围岩施工环境;开挖中采用钢架型号加强、中下台阶大直径锁脚及上台阶大拱脚等措施,可较大程度地控制隧道大变形发展,保证洞内施工安全。相关经验可供类似工程借鉴。     

黄土暗穴对近距隧道施工的影响研究

为研究黄土暗穴对隧道施工的影响,采用数值模拟方法分析了不同尺寸暗穴对隧道施工过程中的地层位移及围岩和支护受力情况。结果表明:暗穴位于左边墙对隧道围岩水平位移影响明显,暗穴尺寸越大,围岩水平位移值也越大,同一暗穴尺寸,中部断面位移值比端部断面大;暗穴导致隧道周边围岩水平应力变化明显,靠近暗穴一侧的左边墙水平应力尤为明显,右边墙次之,形成一定偏压效应,拱顶和仰拱转变为拉应力;暗穴存在使得隧道支护受力不均,暗穴处应着重加强左右拱脚处支护强度;无论大尺寸暗穴还是小尺寸暗穴断面,二衬整体受力相对较小,满足作为安全储备的要求。     

施工工法对下穿公路隧道的影响探究

施工工法对下穿既有公路的隧道工程能否顺利施作起决定性作用。为探究施工工法对下穿公 路隧道的影响作用，基于ＡＢＡＱＵＳ平台有效模拟了采用上下台阶法、ＣＤ法和ＣＲＤ法三种工法时隧道围 岩的应力、变位规律及地表沉降特征。结果表明:采用ＣＲＤ法施工时，拱顶沉降为5ｃｍ，底部隆起为6 ｃｍ，围岩变形控制效果较上下台阶法和ＣＤ法好；右幅隧道施工时左幅隧道围岩位移基本保持不变，左 右幅隧道施工相互影响不大；隧道开挖对上方既有公路有影响，采用上下台阶法时地表最大沉降为5．80 ｃｍ，ＣＤ法为2．70ｃｍ，ＣＲＤ法为2．65ｃｍ。     

隧道洞口浅埋段大管棚受力分析

以溪洛渡水电站交通工程某公路隧道洞口浅埋段采用大管棚预加固为分析实例,通过有限差分法数值计算,研究了掌子面开挖时不同位置管棚的内力、位移变化规律及围岩内塑性区变化。分析表明：上台阶掌子面开挖影响管棚内力及位移明显,下台阶开挖影响较小;掌子面开挖至一定时,拱顶管棚的剪力值最大,从拱顶向左右侧管棚上的剪力逐渐减小;管棚轴力和弯矩最大值位于掌子面开挖处;根据围岩内塑性区可获得管棚搭接长度及系统锚杆设计长度。     

断层破碎带公路隧道超前支护效果研究

公路隧道穿过断层破碎带时的超前支护措施研究是隧道开挖过程中的一个重要课题。以某穿过断层破碎带的隧道为例，采用有限元分析软件ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳＮＸ进行隧道开挖工序的数值模拟。模型着重分析研究超前小导管、超前小导管注浆以及双层超前小导管注浆对隧道软弱围岩开挖时的支护效果。结果得出双层超前小导管注浆法对隧道周边围岩变形量的综合影响相比其他措施更大，其对隧道拱顶的围岩改善效果又明显优于拱腰处。方案研究可对相似地质条件下的公路隧道施工措施提供科学的参考依据。     

软弱围岩隧道开挖方法比选及数值模拟研究

以云南云县至临沧高速公路中某一隧道为例,探究软弱围岩隧道的适宜开挖方式,运用MIDAS GTS NX软件建立有限元模型,模拟接近实际条件的CD开挖法、环形开挖法和台阶开挖法对隧道稳定性的影响,将模型导入FLAC 3D 5.0中利用强度折减法计算不同开挖方法开挖后隧道的安全系数.结果表明,环形法开挖的隧道其拱顶沉降和拱腰...     

岩体隧道拱顶稳定性数值分析

岩体隧道的侧压力系数是评价围岩拱顶稳定性的重要参数。该文结合工程实例,运用有限差分软件FLAC3D建立隧道数值模型,对11种侧压力系数作用下直墙圆拱隧道拱顶的稳定性进行数值模拟,分析围岩的侧压力系数λ∈[0,1]变化过程中拱顶岩体的应力场与位移场的变化规律。结果表明,当侧压力系数λ0.15时,拱顶围岩的最大主应力和最小主应力都是拉应力;当0.15λ0.38时,拱顶围岩的最大主应力为压应力而最小主应力为拉应力;当λ0.38时,拱顶围岩的最大主应力和最小主应力都是压应力。围岩的侧压力系数λ由0~1变化时,拱顶围岩分别经历了双向受拉,拉压共存和双向受压3种状态,拱顶最终沉降值随着围岩的侧压力系数λ的增大而减小。     

断层倾角与相对位置对隧道衬砌地震动力响应的影响分析

以江西都九高速公路断层破碎带区域温泉隧道为工程背景,采用有限单元和反应时程分析方法,研究了断层与隧道相对位置对衬砌结构地震响应的影响规律。结果表明衬砌加速度和位移响应峰值随着断层倾角的减小呈非线性增大,断层倾角为30°时的衬砌加速度、位移和应力响应峰值最大,其拉应力峰值为7.35 MPa,比无断层情况下的要大许多,出现在左拱肩位置。断层相对位置对衬砌位移响应影响较小,对衬砌加速度和应力响应影响较大,隧道穿越断层时,衬砌应力峰值最大,隧道位于断层下盘时衬砌应力峰值最小。     

珠藏洞隧道施工安全监测与评价

为了保证谷城至竹溪高速公路珠藏洞隧道开挖过程中的施工安全,在优化围岩变形的监测方案与预警方法的基础上,对典型监测断面位移量测数据进行了回归分析。分析结果表明,隧道监测断面拱顶沉降和边墙收敛位移累积值均明显小于警戒值,隧道开挖后围岩稳定性较好;隧道围岩变形量和稳定时间与隧道埋深和地质条件密切相关,埋深越大或岩体质量越差,变形越大。