有衬砌隧道设计计算探讨——隧道稳定性分析讲座之三

利用有限元强度折减法结合基于有限差分原理的FLAC软件,探讨了隧道设计计算过程中初衬和二衬的计算问题以及隧道开挖的应力释放问题,并以黄土隧道为例探讨研究不同应力释放率以及不同初衬和二衬厚度情况下隧道的受力特征,计算围岩安全系数以及二衬安全系数,得出了以下结果:一是利用FLAC软件计算中的不平衡力来控制隧道开挖过程的应力释放是合适的与可行的;二是初衬作为隧道围岩的加固圈将承受较大荷载和产生较大的变形,初衬必将进入弹塑性状态;二衬作为隧道的强度储备或者承受不大的荷载,二衬视作弹性杆件可按结构力学的方法确定安全系数;三是如果初衬后围岩安全系数大于1.30,可以认为围岩和初衬都是稳定的,二衬作为安全储备;如果围岩安全系数在1.30~1.15之间或围岩为粘弹塑性材料时,表明二衬将承受一定荷载;如果初衬后围岩的安全系数小于1.15~1.20,则认为初衬不足,不能保证施工安全。最后建议对二衬后的围岩安全系数取1.3,二衬结构安全系数对无抗裂要求的混凝土衬砌取1.4,钢筋混凝土衬砌取1.35。两者综合的安全系数大约在1.8左右以供参考。     

软弱地层浅埋大跨双连拱隧道支护结构受力现场监测试验研究

由于跨度大,施工分步多,软弱地层大跨度连拱隧道支护结构受力规律难以把握,双连拱隧道设计施工难度较大。本文依托南山路浅埋大跨双连拱隧道工程,通过现场试验研究双连拱隧道施工过程初期支护和二次衬砌的受力,着重分析了围岩压力、钢架应力、初期支护与二衬接触压力、二衬钢筋应力的变化规律,结果表明:(1)由于后行洞的施工对先行洞围岩的扰动,使先行洞围岩发生多次应力重分布,使得先行洞受力比后行洞受力大且变化更为复杂;(2)拱顶和拱脚位置是整个结构受力最大的位置,仰拱封闭会使结构受力减小,因此及时使结构封闭成环有利于结构受力;(3)二衬承受了一定的围岩压力,且可以在较短时间内达到稳定受力状态,在现场二衬施做步距下,二衬不会发生屈服破坏。     

浅埋黄土隧道衬砌结构受力分析

 通过对三十里铺隧道的现场测试,研究浅埋黄土隧道一衬和围岩接触应力、锚杆轴力、喷射混凝土表面应变、二衬中钢筋应力和浇注混凝土应变随时间变化规律及分布特征。结果表明,围岩释放应力最大值在7～10 d,位置在拱腰处;锚杆轴力稳定时间为30 d左右,且在空间上出现压应力区;喷射混凝土表面应变较大且常出现跳跃性变化;二衬钢筋应力初期为拉应力;边墙处的稳定时间为6～8 d后,拱顶处30 d后仍然递减;二衬混凝土应变由初期的拉应变向压应变变化。隧道衬砌的受力分析结果为支护系统的优化提供依据,对同类工程的设计提供借鉴。     

浅埋黄土隧道衬砌结构受力分析

通过对三十里铺隧道的现场测试,研究浅埋黄土隧道一衬和围岩接触应力、锚杆轴力、喷射混凝土表面应变、二衬中钢筋应力和浇注混凝土应变随时间变化规律及分布特征。结果表明,围岩释放应力最大值在7～10 d,位置在拱腰处;锚杆轴力稳定时间为30 d左右,且在空间上出现压应力区;喷射混凝土表面应变较大且常出现跳跃性变化;二衬钢筋应力初期为拉应力;边墙处的稳定时间为6～8 d后,拱顶处30 d后仍然递减;二衬混凝土应变由初期的拉应变向压应变变化。隧道衬砌的受力分析结果为支护系统的优化提供依据,对同类工程的设计提供借鉴。     

基于安全度的黄土隧道结构承载性能分析

基于八仙峁隧道、麻塌隧道2组典型断面二衬混凝土应变监测数据,分析了二衬混凝土在黄土隧道中应变随时间的变化规律;通过换算得到二衬结构所受应力,将换算结果代入安全度应力表达式,得出该断面下黄土隧道二衬安全度分布,并与有限元数值模拟结果进行对比。结果表明:在黄土隧道的支护结构中,二衬混凝土结构不仅作为安全储备,而且往往需要承受大部分荷载,通过数值模拟确定二衬承受的荷载约为围岩荷载的40%;二衬混凝土结构作为受压构件,其最大应变出现在边墙底部位置;数值模拟与计算所得二衬安全度分布规律基本一致,拱顶、拱肩、边墙底部仰拱部位安全度相对较小但满足规范要求,仰拱底部所受压应力最大且安全度未满足规范要求。     

覆盖松散堆积体隧道二衬受力特性研究

以西部山区覆盖大量松散崩塌堆积体的某公路隧道(S隧道)为工程背景,利用振弦式传感器监测隧道初支与二次衬砌间接触应力和二衬混凝土应变,讨论隧道二衬受力特性,为相似隧道工程二衬设计、施工提供参考。结果表明:覆盖松散堆积体的S隧道二衬可有效承担围岩压力,且于二衬施作完成50d后应力基本保持稳定;二衬存在一定的偏压受力,其左幅所受应力大于右幅;隧道二衬混凝土应变起始为拉应变,随时间增长,应变转为压应变并逐渐趋于稳定;二衬混凝土所受较大压应变主要位于隧道拱腰肩位置,与初支和二衬间接触应力最大值位置具有一定对应关系;初支与二衬间最大接触应力0.1MPa,二衬混凝土最大压应变28με,各监测值均处于二衬结构安全受力范围内,该覆盖松散堆积体隧道施作的二次衬砌结构受力安全可靠。     

高速公路泥岩隧道围岩压力试验研究

以宝天高速公路天水过境段梁家山泥岩隧道为工程背景,通过现场测试,研究了围岩拱顶下沉、围岩与初期支护接触压力、钢拱架应力和初衬与二衬接触压力随时间变化规律及分布特征,并应用现有的理论和方法对实际工程安全状态进行评估。研究结果表明:以隧道开挖空间效应和Chern经验公式两种理论方法对拱顶沉降数据进行分析处理,所得到的隧道极限位移相差较小;围岩与初期支护压力的分布具有不均匀性特点;钢拱架外缘应力平均值大于内缘,拱顶处应力大于其他部位,按其推算得到的拱顶沉降极限位移更接近于实际情况;初衬与二衬间接触压力先迅速增加后逐渐较小最后趋于稳定,其稳定值整体偏小。     

郑万高铁苏家岩隧道应力应变施工技术研究

针对高铁隧道IV, V级软弱围岩采用的大断面开挖工法,为确保作业安全,现场在围岩变形量测的基础上,对围岩、锚杆、钢架、初期支护混凝土、二衬混凝土进行了应力应变监测,切实掌握隧道开挖后,围岩、初期支护结构、二衬的各阶段受力状态,通过二者数据的对比分析,掌握软弱围岩条件下围岩变形速率、受力状态及稳定性评价,从而判断施工是否安全,可为类似作业工法提供经验借鉴。     

隧道跨度对双侧壁导坑法施工围岩与支护结构的影响

依托广西百色达康隧道工程,简化隧道施工与结构模型,通过FLAC3D数值模拟软件构建了隧道施工三维模型,分别模拟了跨度为10,14,18.7m的隧道采用双侧壁导坑法施工时的围岩变形、围岩塑性区域分布及初支与二衬的内力分布。探究隧道跨度对双侧壁导坑法施工的隧道变形、围岩与支护结构应力的影响。数值分析结果表明:隧道跨度不同,竖向位移沉降极值均出现在隧道洞室顶部,水平位移极值均出现在隧道拱腰附近;最终沉降隆起值、初期支护轴力与二衬应力随跨度的增大而稳步增大;初期支护弯矩随跨度的增大而增长,但增长速度显著加快;围岩形成的塑性区域随跨度增大明显增大。     

考虑围岩蠕变特性的隧道二衬合理支护时机确定方法

 通过对考虑隧道围岩蠕变特性的初衬变形的理论公式的分析,利用现场实测数据的拟合公式,确定了围岩的流变参数。结合规范对于隧道二衬支护时间的确定准则,确定各级别围岩中隧道二次衬砌支护的合理时机,并利用已知的流变参数进一步求得不同初衬厚度、开挖跨度时的二衬合理支护时机。给出的流变参数和二衬合理支护时机,可为类似工程参考。     

无衬砌隧道压力拱的变化规律

结合衬砌与围岩的相互作用,分析无衬砌隧道开挖后压力拱的形成过程,根据隧道衬砌后应力位移的分布规律来研究衬砌施工时间对隧道压力拱的影响,得到如下结论:隧道开挖后,不进行衬砌施工,应力重新分布后顶部水平应力和侧边垂直应力增大,顶部垂直应力和侧边水平应力减小;随着时间的发展,形成的压力拱的垂直外界基本不变,垂直内界逐渐减小,水平内外界逐渐减小,压力拱拱体内最大应力均逐渐增大;隧道围岩较好时,衬砌时间选在稳定压力拱形成的时间,而围岩较差时,衬砌时间选在隧道压力拱开始形成的时间。     

隧道初支与二衬间接触压力统计分析

复合式衬砌一般由初期支护和二次衬砌共同组成,二者相互作用关系是隧道工程中的研究热点,本文通过对43座隧道79个监测断面初支与二衬接触压力的统计分析,探讨了接触压力的总体分布特征及其与围岩等级、隧道埋深、跨度等因素的关系,研究了二衬荷载分担比在洞周的分布规律,讨论了接触压力随时间的变化规律及其空间分布特征。结果表明:初支与二衬接触压力值分布在10~200 kPa之间;接触压力及其离散程度随隧道埋深增大而增大,Ⅴ级围岩增大趋势比Ⅳ级围岩更明显;二衬荷载分担比集中在0~20%范围内;接触压力有明显的时间效应,随时间的变化表现为快速增长至峰值之后减小,进而缓慢增大趋于稳定,稳定所需时间在二衬浇筑后30 d左右;接触压力空间分布规律为拱顶→拱肩→拱腰→拱墙增大,拱墙→拱脚→拱底减小。研究结论可为隧道结构受力分析与优化提供参考。     

大跨软岩隧道施工动态监测试验研究

以内蒙古金盆湾大跨软岩隧道为工程背景,通过现场监测及数值分析,探讨围岩拱顶沉降、钢支撑内力、围岩与初期支护之间的内力、初期支护与二衬之间的内力随时间及开挖距离的变化规律,并用现有的理论及方法对其进行围岩稳定性分析。研究结果表明:对拱顶沉降数据的拟合函数进行求导分析并判定出围岩的稳定状况良好;围岩和初期支护压力在距离上台阶开挖面65 m后逐渐稳定;钢支撑外侧应力平均值大于内侧应力,最大应力值小于钢拱架的屈服强度,开挖过程安全级别始终处于安全或者基本安全状态;初衬和二衬间的接触应力在二衬浇筑后2天左右达到最大值,随后减小趋于稳定,且稳定值都小于0.1 MPa;数值模拟的围岩变形规律和实测围岩的变形规律相同且沉降实测值与模拟值差别不大,证明了模型的合理性。研究结论可为类似条件下工程的设计、施工和监测提供指导。     

基于安全系数的地铁车站衬砌优化设计探讨

实际工程中初衬受力与变形很大因而初衬会进入塑性,应将初衬视作弹塑性加固材料进行设计计算。结合一个青岛地铁车站衬砌的设计计算,将强度折减法应用于隧道稳定性分析。考虑衬砌施作时的围岩应力释放率影响,利用强度折减法计算隧洞围岩及衬砌的安全系数。初衬后围岩安全系数不应小于1.15~1.20,如果围岩安全系数小于1.30,此时二衬将承受一定荷载。二衬安全系数与初衬后围岩安全系数的乘积应大于2,以确保二衬安全。通过计算可以定量的确定初衬和二衬的结构尺寸,确保隧洞安全并合理降低成本。     

软岩小净距隧道施工力学效应研究

以软岩小净距隧道在不同开挖方式下达到稳定后围岩和复合衬砌的力学效应为对象,重点分析不同开挖方式下锚杆、喷射混凝土层和二次衬砌的受力特点,考察不同净距对中夹岩柱塑性区的影响.结果表明：施工小净距隧道应慎重选择后继施工隧道的开挖方式;后继隧道施工的开挖方式直接对先行既有隧道锚杆、喷射混凝土层和二次衬砌应力状态产生很大影响;中夹岩柱塑性区大小与净距紧密相关,同时,隧道埋深和围岩类别也是影响塑性区大小的重要因素.     

采空区隧道二衬受力特性模型试验与耦合分析

由于采空区地层的非连续特征,下穿隧道衬砌往往处在偏心受压的不利状态,后期运营病害相对严重。为了查清不同采空区条件下的衬砌结构受力特性,采用室内物理模型试验和基于连续-非连续耦合数值模拟相结合的方法,开展了相关研究。结果表明:(1)采空区的存在会使二衬结构受到偏压荷载,远离采空区侧总体受力大于近侧,且倾角越大偏压越严重;(2)采煤层厚度、冒落带与初支距离的增大会引起围岩压力的降低,二衬内力减小,安全性提升,当采煤层厚度大于1.8 m时或冒落带与初支间距大于0.8倍隧道洞跨后,采空区对二衬安全性的影响很小;(3)喷层厚度的增加阻碍了围岩变形,引起围岩压力增加,不利于二衬受力和安全性。研究结论对于完善采空区隧道围岩压力计算理论和支护结构设计方法具有理论指导意义。