三维有限元分析隧道开挖收敛损失与纵剖面 变形曲线关系研究

采用实验室研发的三维有限元程序,运用隧道收敛-约束法的分析模式,针对岩体弹性参数、初始应力与隧道径向位移等影响因素,探讨有支撑与无支撑情况下的隧道开挖收敛损失与纵剖面变形曲线关系.采用纵剖面变形曲线的研究结果,并与三维有限元数值计算结果相比较,探讨收敛损失的影响.由隧道收敛-约束法理论分析结果与三维有限元数值计算结果可知:(1) 确立隧道开挖收敛损失与纵剖面变形曲线的关系;(2) 隧道纵剖面变形曲线的归一化处理方式,可消除岩体参数、初始应力和隧道收敛的位置等因素影响;(3) 在弹性条件下,隧道开挖面产生的前期位移量约为最终位移量的25%～36%;(4) 由二维纵剖面变形曲线的分布,可计算并获得隧道开挖收敛损失值、了解隧道开挖工作面效应的三维影响,进而能计算分析岩体结构的应力与位移等变化量.     

以隧道变形量测资料分析掘进效应与约束损失

 收敛–约束法理论为应用于隧道工程支撑设计的简化分析方法,所采用之约束损失更是此分析模式的关键因子。针对约束损失的计算与影响性分析,以隧道工程广泛使用的变形量测收敛资料为依据,以掘进效应函数探讨隧道因前进开挖引致工作面围岩变形与应力变化,并以反计算方法评估约束损失分布情况,进而应用于台湾八卦山公路隧道工程案例分析,以了解实际掘进效应的影响。研究分析结果包含：(1) 提出掘进效应函数描述隧道收敛资料与约束损失的关系;(2) 说明掘进效应函数的参数适用范围及其物理意义;(3) 提出约束损失方程用以预估隧道开挖引致前期与掘进距离的收敛值;(4) 反计算方法可以预估约束损失可能的重新分布趋势与前期收敛;(5) 掘进效应函数分析结果与三维有限元计算结果相近。     

考虑掘进效应的隧道变形有限元分析

通过数值模拟法对隧道施工全过程进行了三维弹塑性分析,尤其对不同施工条件下的隧道竖直位移变化进行了分析。结果表明:在掘进面到达前,围岩会产生前期位移收敛,本算例前期位移量为总位移量的32.7%;隧道变形受围岩级别、埋深及半径的影响,围岩劣化条件下的位移增量主要发生在隧道断面开挖前,半径增大条件下的位移增量主要发生在隧道断面开挖后;Ⅴ级围岩条件下,前期位移量显著增大;隧道变形稳定所需距离主要受半径的影响,稳定距离S与半径R关系式为S≈1.2R。     

高地应力软岩隧道开挖方案优化研究

麻竹高速公路黄家寨隧道围岩强度低,且属于极高地应力区。隧道现场监测数据显示,围岩整体变形速率快、累计变形量大且变形时间长,呈现显著的蠕变变形特点。采用Phase2软件对隧道开挖支护方案进行了模拟,分别计算在两台阶开挖不支护、两台阶开挖支护、预留核心土开挖支护、三台阶开挖支护四种工况下围岩的塑性区和位移。计算结果表明:通过初期支护可以有效减少围岩塑性区及位移,支护后围岩最大变形部位由拱顶转移到拱脚。对比不同开挖方案下的计算结果,可知采用预留核心土开挖方法时,隧道围岩塑性区深度和拱顶沉降小于其他两种开挖方案;采用三台阶开挖方法时,围岩最大位移最小,但拱顶沉降最大。由于该隧道水平收敛远大于拱顶沉降,因此建议黄家寨隧道采用对围岩水平收敛控制效果较好的三台阶开挖方案。     

港珠澳大桥拱北隧道施工变形规律分析

在地质条件复杂的沿海富水地层开挖浅埋超大断面隧道,面临诸多风险,暗挖施工易对围岩进行扰动,引起地层变形。新型"管幕冻结"支护可以有效控制暗挖施工引起的地表沉降过大问题,该工法下隧道开挖过程中地表位移变化主要受暗挖产生的地层损失和土体冻结膨胀以及隧道开挖卸荷后的上浮效应等因素影响。基于现场实测数据,对洞内拱顶位移、水平收敛和地表变形规律进行分析发现,拱顶位移与对应地表处的位移变化具有较强的一致性,纵向上在隧道中部段出现上浮,两侧洞口段出现下沉。受分层开挖扰动影响,隧道两侧土体向内变形导致洞内水平收敛增大,最大水平收敛为15.72 mm,约为隧道横向跨度的0.8%。新型管幕冻结暗挖施工工法可以很好地控制富水地层渗漏水问题,且极大地减小了隧道内部的位移变形,但其冻结膨胀引起地表隆起及解冻后的地表融沉问题仍需密切关注。     

类矩形盾构隧道开挖引起邻近地下管线变形研究

盾构隧道开挖环境影响的既有成果针对圆形盾构隧道施工效应做了较多研究,但针对类矩形盾构隧道施工效应的研究还较少。基于类矩形盾构隧道开挖面收敛位移变形模式,首先采用镜像法,提出类矩形盾构隧道施工诱发周围土体自由场位移的分析方法;其次,基于Winkler地基模型,将土体自由位移场施加于地下管线结构,提出类矩形盾构隧道施工诱发邻近管线变形的简化计算方法。通过工程实例分析,将土体自由场变形与实测数据进行对比验证;同时,采用有限元数值模拟方法,将管线竖向变形计算结果与本文简化方法进行对比分析。此外,针对隧道矩形长边宽度、隧道和管线埋深、管线直径、管线弹性模量、土体压缩模量、土体损失间隙参数等关键参数进行了影响分析。研究结果表明,采用类矩形盾构开挖面整体下沉收敛模式,镜像法解答得到的土体自由场位移与实测值吻合较好;提出的简化方法计算邻近既有管线变形的理论计算值与数值模拟值吻合较好。通过参数分析,可知隧道矩形长边宽度、管线埋深和管线弹性模量为敏感性参数。随着盾构矩形长边宽度的增大,管线变形曲线槽宽度显著增大;随着管线埋深的增加,管线变形显著增大;随着管线弹性模量的增大,管线变形显著减小。     

隧道开挖地层反应曲线的外显分析

收敛-约束法理论是应用于隧道支撑设计的简化分析方法,所使用的约束损失是该分析方法的关键因子.基于隧道开挖前进效应与约束损失的关系,建立隧道掘进效应函数,并采用约束损失的递增方法与简易试算表工具,同时依据应力-位移力学理论模式,推导在静水应力条件下圆形隧道开挖于弹塑性地层的解析解,进而提出模拟地层反应曲线弹塑性非线性行为的外显分析法.其分析结果包含约束损失递增方法的计算内容与步骤说明,以及约束损失弹性极限值、塑性半径、弹塑性区的径向应力与径向位移.此分析法与研发的有限元分析结果比较显示,二者呈现相似且一致的非线性趋势.     

带衬砌浅埋隧道开挖受非对称收敛变形影响的地层位移和衬砌应力分析

 盾构隧道施工引起的环境土工效应分析一直是城市轨道交通安全控制的关键课题。由于目前该领域较少考虑隧道衬砌与土体相互作用带来的影响,尤其是较少针对衬砌应力进行分析,由此提出带衬砌浅埋隧道开挖受非对称收敛变形影响的地层变形计算方法;同时考虑地层与衬砌之间的非对称收敛协调变形模式,建立带衬砌隧道开挖的Airy应力函数解析解答。通过实例研究,得到带衬砌隧道非对称变形模式下的地层沉降和水平位移曲线,并与实测数据进行对比验证;通过参数分析,获取土体和衬砌的材料特性、隧道几何特性以及隧道埋深等主要参数对浅埋隧道开挖地层变形和衬砌应力的影响规律。结果表明：非对称收敛变形模式对地层位移的影响明显,在此条件下得到的沉降槽和水平位移曲线与实测值吻合较好,地表最大沉降值更接近于实际;隧道半径或土层硬度对土体沉降最大值有较大影响,减小半径和硬化土层对减少土体沉降量效果显著,而衬砌几何参数的改变对沉降量的影响不大;衬砌轴力和弯矩整体关于90°/270°轴即隧道竖轴线严格对称,其中轴力沿圆周呈倒“8”字分布,而弯矩随着k值的增大,沿圆周方向由“8”字形向“0”字形过渡,最大轴压力和最大负弯矩发生在拱腰位置,土体侧压力系数k的取值对衬砌轴力和弯矩的分布和大小影响明显。分析成果可为正确预估软土浅埋盾构开挖变形提供一定的理论依据。     

等值地应力下岩质圆形隧道位移释放系数比较及应用

 隧道前期变形是利用收敛约束法确定支护压力和围岩稳定变形的关键,在分析隧道开挖面空间效应机制的基础上,总结具有代表性的深埋岩质圆形隧道位移释放系数公式,对其进行分类、适用性及空间效应的比较,得到不同位移释放系数、不同支护施作距离和不同控制目标下的收敛约束差异。研究结果表明：以围岩塑性区最大半径为基础的位移释放系数对弹性围岩和各种弹塑性围岩均适用,具有广泛的工程应用前景;弹性位移释放系数仅适用于弹性围岩,常用塑性位移释放系数仅适用于相对半径为2的隧道围岩;不宜将依据距开挖面较远处得到的支护压力而设计的支护结构随意前移构筑,应依据实际工程的围岩特性,合理选择位移释放系数公式,适时施作不同刚度的支护。     

软土地层深基坑开挖支护结构稳定性数值模拟分析

在进行软土地层地铁施工时，深基坑支护是重要的施工技术。为有效控制软土地层深基坑开挖支护结构变形，保证其稳定性，本文模拟分析了软土地层深基坑开挖支护结构稳定性。以某地铁工程为例，依据地层损失理念，构建深基坑开挖支护结构变形计算模型，计算支护结构各个参数，获取支护结构变形结果。在此基础上，采用FLAC3D软件模拟深基坑开挖支护结构数值，利用ANSYS软件处理前期数据，建立三维深基坑开挖支护结构模型，结合该地铁施工区域的实际土质情况，完成深基坑开挖支护结构的数值模拟分析。研究结果表明，在软土地层下，开挖深度逐渐增加，支护桩桩体位移以及基坑附近地表沉降，均会发生较大侧向位移。土体深层水平位移则随着与灌注桩距离的增加而降低，最大位移量超过控制标准，造成深基坑开挖支护结构变形，影响支护结构的稳定性。在实际施工时，可根据分析结果，采取相应措施，有效控制深基坑开挖支护结构变形，保证其稳定性。     

马鞍子梁软岩隧道围岩变形规律及支护技术模拟分析

结合马鞍子梁隧道工程,采用FLAC数值模拟方法对该隧道上下台阶法施工全过程进行模拟分析,完成了现场监测研究,与数值模拟预测的结果进行了比较,得到了软岩隧道的围岩变形规律,提出合理的支护方案。结果表明,该开挖方法适用于此软岩隧道,竖向位移主要集中在拱顶和拱底处,拱顶位移比较大,水平位移主要集中在隧道两肩和两脚处。现场监测表明:隧道开挖初期拱顶下沉与水平收敛变形速率比较大,处于不稳定状态,随时间变形速率较小,曲线趋于稳定状态。FLAC数值模拟预测结果与实测结果基本一致,一次支护和二次衬砌的合理间隔时间为30d。     

郑西客运专线铁路张茅隧道近饱和黄土体初期支护应力变形特征研究

 黄土的特性是其工程性质受含水量的影响很大,郑西客运专线铁路张茅隧道穿越含水量20%的近饱和黄土体,施工难度大。通过系统分析张茅隧道的施工地质条件,确定具有针对性的隧道开挖步序。针对施工需要快速封闭开挖面的特点,结合隧道断面规模特征,研究三维非接触变形观测方法,对开挖后初期支护的拱顶下沉和两壁收敛等特征变形量进行现场长期测试;结合布置在初期支护上的土压力盒与表面应变计的测试,对初期支护的土压力特征和表面接触力特征进行研究,获得近饱和黄土体在三台阶七步开挖条件下的变形和应力特征,总结出该类开挖施工方法下黄土隧道初期支护的极限变形量指标特征,为类似工程提供参考。     

超大断面浅埋隧道开挖施工监测分析

以广东省某沿海公路隧道为依托,通过现场监测地表沉降、拱顶下沉和净空相对位移(收敛),分析超大断面浅埋隧道在开挖过程中地表变形及对围岩稳定性的影响。结果表明:隧道开挖导致地表出现了明显的下沉和隆起不均匀变形,但竖向位移并不大,地表竖向位移呈先下沉后抬升的趋势;拱顶下沉与抬升变化转折点取决于一台阶开挖支护速度,速度越快,抬升越早;下部台阶的开挖对上部的支护结构的收敛变形存在影响。     

隧道临近下伏承压溶腔开挖稳定性施工工法比选

临近承压溶腔对隧道开挖不利影响显著,合理的施工工法对保证隧道开挖稳定性至关重要。以某3车道公路隧道为依托,对隧道临近下伏承压溶腔时,运用全断面法、上下台阶法等6种工法开挖进行模拟。监测隧道洞周位移、隧道与溶腔间围岩竖向位移及初期支护内力,分析不同施工工法对隧道开挖稳定性的影响。计算结果表明:工法不同,拱顶下沉、水平收敛增大趋势不同,出现小幅增大的次数也不同;当前溶腔尺寸及内压条件下,最终拱顶下沉与水平收敛量大小顺序为全断面法上下台阶法三台阶法侧壁导坑法弧形导坑法双侧壁导坑法;地层与隧道间距越大,隧道开挖对地层的影响越小,影响范围向左下、右下方扩散,隧道与溶腔间围岩的稳定性最差;双侧壁导坑法控制拱顶下沉、水平收敛、隧道与溶腔间地层竖向位移效果最好,且能降低仰拱处弯矩与初期支护偏心距,有利于洞周围岩及初支结构稳定性。     

北山坑探设施开挖全过程围岩内部位移现场量测试验研究

为研究硬岩条件下巷道开挖围岩内部位移变化特征,以高放废物地质处置地下实验室北山坑探设施为试验平台,设计原位试验方案,开展围岩内部位移现场量测试验,分析巷道开挖全过程围岩内部位移的演化特征,采用Lee方程、Hoek方程、V-D方程3个典型LDP曲线方程进行掌子面空间效应分析和损失位移求取。研究结果表明:北山花岗岩地质条件下,巷道爆破开挖全过程中,围岩内部位移变化随掌子面的推进呈现初始增长、快速增长和稳定收敛3个阶段;量测断面附近的围岩内部位移时态曲线呈现出阶跃特征,与分级加载下岩石蠕变试验曲线的形态特征相类似;距离巷道侧壁较远的测点受掌子面空间效应的影响范围较小,且在掌子面前方产生的位移释放量所占比重较大;采用Hoek方程求解的损失位移与实测值更为接近,为最优求解方程;在距掌子面2 m远设置量测断面,其损失位移已占总位移的50%以上。研究结果可为后续地下实验室开挖过程中的围岩内部位移量测和分析提供借鉴与参考。     

基于监测分析的隧道围岩与支护力学响应

结合具体工程实际,研究了复杂地质背景下围岩变形与初期支护受力特征,并基于现场监测数据,从隧道水平收敛监测、拱顶沉降监测两个角度,分析了施工期隧道围岩的受力状态及围岩与支护的力学响应规律。结果表明,隧道围岩位移-时间曲线图呈"台阶型",曲线类型可分为三个阶段:增长和急速增长阶段,该阶段一般出现在开挖的1~10d左右;缓慢增长阶段,该阶段一般出现在开挖的11~30d左右;趋于稳定阶段,该阶段一般出现在开挖的31~42d左右。"台阶型"曲线与实际相符,当开始开挖隧道时围岩变形速率急速增大,随着围岩变形速率逐渐减慢,然后受下一步开挖的影响,围岩变形仍然处于缓慢增长,最后随着开挖步骤的减少,围岩变形逐渐趋于稳定。     

基坑施工对邻近运营隧道变形影响全过程实测分析

既有运营地铁隧道因邻近基坑施工发生变形,对地铁隧道正常使用和安全运营带来不利影响。根据基坑施工期间邻近运营地铁隧道变形监测数据,对隧道变形从基坑围护结构施工开始至开挖结束进行了全过程分析。研究结果发现:TRD施工对邻近隧道存在挤土作用,隧道呈现"水平收缩,竖向拉伸"变形模式;三轴水泥搅拌桩施工引起隧道向基坑方向位移;地下连续墙施工对邻近隧道相当于侧向卸荷作用,隧道呈现"水平拉伸,竖向收缩"变形模式。围护结构与基坑开挖施工间隙产生的道床沉降量占总道床沉降量比例最大,达到了70.24%;隧道水平位移在围护结构施工阶段增加量最为突出,占总水平位移量43.81%;隧道收敛在基坑开挖阶段增加量最大,占总隧道收敛量的55.26%。建议类似工程根据隧道变形发展规律,制定不同施工阶段变形控制措施,使邻近隧道各项变形处于安全、可控范围。     

浅埋铁路隧道下穿高速公路施工沉降分析

甬台温铁路新建前黄隧道下穿甬台温高速公路,该段隧道覆盖层薄弱,围岩较差,采用三维有限元方法对该段隧道下穿高速公路施工时的围岩变形及公路路面沉降进行数值模拟.分析结果表明,软弱围岩下浅埋铁路隧道近距离穿越高速公路时采用大管棚超前支护以及选用双侧壁导坑法开挖对路面及隧道拱顶的沉降都起到了很好的控制作用,而且隧道拱顶沉降和水平收敛位移受隧道纵向开挖空间效应和覆盖层厚度的影响相当大.公路路面的沉降值呈近似倒漏斗型分布,路面最大沉降位于隧道正上方路面中央.计算结果为铁路隧道的设计施工提供了一定的理论依据.     

浅埋铁路隧道下穿高速公路施工沉降分析

甬台温铁路新建前黄隧道下穿甬台温高速公路,该段隧道覆盖层薄弱,围岩较差,采用三维有限元方法对该段隧道下穿高速公路施工时的围岩变形及公路路面沉降进行数值模拟。分析结果表明,软弱围岩下浅埋铁路隧道近距离穿越高速公路时采用大管棚超前支护以及选用双侧壁导坑法开挖对路面及隧道拱顶的沉降都起到了很好的控制作用,而且隧道拱顶沉降和水平收敛位移受隧道纵向开挖空间效应和覆盖层厚度的影响相当大。公路路面的沉降值呈近似倒漏斗型分布,路面最大沉降位于隧道正上方路面中央。计算结果为铁路隧道的设计施工提供了一定的理论依据。     

软岩公路隧道全断面开挖下拱顶沉降和掌子面挤出变形研究

为研究软弱围岩隧道在全断面开挖方式下的施工安全,对隧道的拱顶沉降变形进行现场实测,并通过数值模拟研究隧道的拱顶沉降、掌子面挤出变形及其相互关系。得出隧道的现场监控量测数据比数值模拟结果小,因为实际监测数据仅监测隧道开挖支护后的沉降,未考虑隧道的先行位移;在隧道监控量测数据的处理中,只把拱顶沉降作为隧道围岩稳定的判定指标是不够合理的,还应该考虑到拱顶沉降的收敛速率;在隧道掌子面强度不足时,掌子面会发生水平左右大致对称、竖向中心偏下的"啤酒肚"形状的挤出变形;在掌子面上的各处的挤出变形均与该掌子面处的拱顶沉降变形大致呈线性关系。