浅埋双连拱隧道曲中墙应力计算方法及施工模拟研究

在双连拱隧道施工过程中,中隔墙的应力大小及其分布非常复杂。针对目前计算双连拱隧道中隔墙应力尚无成熟的理论的问题,基于规范及普氏压力拱理论,推导出了埋深H满足h_qH2.5h_q的浅埋双连拱隧道曲中墙应力的计算公式。并通过有限元模拟分析了苏州凤凰山浅埋大跨度双连拱隧道复杂施工过程中中隔墙应力的分布及变化规律,鉴于开挖完成后中隔墙监测剖面应力值与计算剖面应力值变化趋势极其相似,根据模拟结果对计算公式进行了修正。通过与应力实测数据及其他工程实例的对比分析,验证了所提出的曲中墙应力计算公式的合理性,可为类似工程从设计到施工提供参考。     

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。     

基于模型试验与FEM的TBM圆形隧道压力拱成拱规律

不同于软土盾构隧道,TBM隧道多用于岩体条件下隧道的挖掘,传统土力学方法不适用于TBM隧道的荷载计算。在岩石隧道中,荷载的产生与压力拱的形成息息相关,通过对TBM圆形岩石隧道的压力拱分析来确定荷载大小及围岩开挖影响区。通过对围岩开挖后应力变化的理论分析与简化,得到便于使用、结果直观的岩石隧道压力拱范围的判别方法。随后采用大型模型试验,对隧道开挖的塌方情况以及洞周应力变化情况分析,以验证该方法的合理性。最后,将该方法用于TBM圆形岩石隧道中,与各规范计算结果进行对比分析,并对不同埋深下TBM圆形隧道的压力拱区域进行分析,得到盾构隧道压力拱成拱情况以及其对衬砌受力情况的分析结果,以指导工程。     

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。目前比较成熟的隧道施工力学方法主要是对隧道开挖过程进行数值模拟。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,分析其规律并进行方案比选,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;在保证围岩稳定不发生片帮冒顶的前提下,减小埋深和覆盖层厚度是比较合理的;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。     

浅埋隧道施工围岩变形及结构内力监测分析

结合VI级围岩浅埋偏压隧道CRD法开挖施工特点,布设了变形观测元件及应力观测元件,对施工过程中围岩变形及结构内力进行了监测和分析.变形测试结果说明CRD法各分部施工相互影响明显,隧道内侧围岩压力普遍大于外侧围岩压力,并且随着其他分部的施工具有明显加大的趋势.内力监测结果表明钢支撑轴力主要为压应力,并且拱腰位置轴力稍大于其他部位.测试结果分析表明,合理的工序应该是先山体外侧开挖并施工初期支护,然后山体内侧开挖施工.     

高地应力双隧道施工围岩应力变化规律数值模拟研究

以云县至凤庆高速公路隧道开挖工程为研究对象,采用数值分析和相似模拟相结合的手段,对其处于不同埋深岩层围岩变化规律展开研究。为保证隧道开挖施工安全,分别对隧道拱顶围岩压力、拱腰围岩压力以及上方围岩压力进行监测。基于监测数据分析围岩应力变化规律,明确了隧道开挖对其拱顶上部岩层影响程度和拱腰不同位置岩层应力在应力释放阶段所表现形式。研究表明,拱腰围岩竖向应力在左右隧道开挖整个施工阶段,应力变化曲线主要可分为3种类型,逐渐增大最终趋于稳定型、先增加后快速下降再缓慢增加型和先增加后快速下降至0型;根据拱顶及拱顶上方岩层竖向应力曲线,可将隧道拱顶上方岩层分为3种状态,拱顶上方0~50 m应力释放“高影响区”,拱顶上方50~150 m岩层属于应力释放“次影响区”,拱顶上方150 m以上岩层属于应力释放“缓影响区”。     

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。     

基于有限元法的隧道围岩压力计算与分析方法研究

隧道围岩压力计算,常规的公式法是假设应力为均匀分布,没有考虑应力集中现象,而有限元法适用于分析模拟围岩体和构造的各种特性,可以准确地计算出隧道围岩应力。据此,以实际工程为例,利用公式法对围岩压力进行计算,并运用有限元法的数值方法,采用专业软件对浅埋、深埋圆形隧道的围岩应力状态进行了数值模拟分析,得出其分析与计算结果对隧道围岩压力计算具有重要意义的结论。     

浅埋大跨地下硐室动态施工三维仿真模拟研究

利用有限元程序对青岛某浅埋大跨地下商场扩建工程的开挖支护过程进行了三维数值模拟，分析了围岩中的位移、塑性区、应力分布及支护的受力状态，从理论上验证了根据工程类比法确定的先拱后墙开挖方案及采用长锚索、短锚杆，以锚为主的锚喷网加固方案的合理性。     

超浅埋大跨连拱隧道施工技术

以龙山超浅埋大跨度连拱隧道的施工情况为例，详细介绍了连拱隧道的开挖、衬砌、防排水等施工工艺，对超浅埋大跨度连拱隧道施工工艺进行了探索与实践，对今后类似工程施工具有借鉴意义。     

Effects of the axial in situ stresses on the zonal disintegration phenomenon in the surrounding rock masses around a deep circular tunnel

A new non-Euclidean model in which effects of the axial in-situ stress with arbitrary value on the zonal disintegration phenomenon in the surrounding rock masses around a deep circular tunnel is taken into account is established. The total elastic stress-field distributions of the surrounding rock around a deep circular tunnel including effects of the axial in-situ stress were given out. The strength criterion of the deep rock masses is applied to determine the occurrence of disintegration zones. The numerical computation was carried out. It is found from numerical results that number and size of fractured and nonfractured zones are sensitive to the axial in-situ stress, tangential, radial and axial normal stress, the intermediate principal stress coefficient and the rock mass rating classification RMR.     

富水厚砾石层斜井围岩破坏机理试验研究(Ⅱ)

以新疆伊犁一矿为工程背景,设计了物理模型试验内容,建立了富水厚砾石层斜井围岩破坏机理模型试验方法。实现了加载作用下富水裸巷围岩破坏过程的试验模拟,并结合模型试验结果对围岩破坏过程中围岩压力、位移和孔隙水压力变化规律进行了分析。研究结果表明,在富水砾石层斜井开挖过程中,井筒围岩塌方破坏从拱顶开始,并逐渐向上发展;井筒开挖过程中,围岩应力总体呈下降趋势变化,围岩破坏过程中,拱顶和两帮垂直、水平应力均呈减小趋势变化,但底板和底角水平应力呈增加趋势变化;拱顶围岩位移变化量大于侧帮位移量,底板位移量最小;孔隙水压最大时,拱顶发生冒落,渗水是导致井筒围岩最终破坏的主要因素。     

深竖井围岩变形破坏规律及控制技术

随着浅部资源消耗殆尽,越来越多的矿山逐渐步入深采阶段,同时,深部围岩控制问题逐渐突显,亟需开展深井围岩控制技术研究,为深井开采地压控制提供理论和技术支撑。以某深竖井工程实际情况为 工程背景,运用FLAC3D数值分析软件,开展了不同地应力条件下竖井围岩变形破坏数值分析研究。在此基础上,通过高应力竖井围岩控制技术优选,开展了不同卸压孔布置条件下高应力围岩钻孔卸压技术研究,并进 行了现场试验。结果表明：随着原岩水平主应力差的增加,竖井围岩中塑性区范围逐渐扩大,首先向最小主应力方向发展,逐渐呈现为“X”形塑性区;在剪切塑性区范围外的最大水平主应力方向施工卸压钻孔,能将 围岩应力峰值向深部转移,降低井壁及围岩的收敛位移。通过工程应用,井壁位移总量小于2 mm,位移速率远小于预警阈值,井壁处于健康状态,并存有一定的安全余量。研究反映出,所采用的柔性初支+现浇混凝土 井壁支护配合钻孔卸压技术能有效保障高应力条件下井壁的安全性和稳定性,应用效果较好。     

煤矿TBM掘进巷道围岩时效变形分析及支护参数优化研究

针对煤矿TBM掘进巷道围岩长期稳定性问题,以淮南矿区张集矿TBM掘进某瓦斯抽采巷为工程背景,开展了巷道围岩时效变形分析及支护参数优化研究。通过在TBM掘进巷道施工现场钻取砂质泥岩岩样,开展蠕变试验,获得CVISC蠕变参数|在数值模拟软件中引入CVISC蠕变模型,对不同支护工况下TBM掘进巷道围岩进行为期100d的蠕变变形模拟,获得各支护工况下巷道围岩时效变形特征和应力场及塑性分布区的演化规律|基于数值模拟结果,将优化后的锚杆+钢筋网联合支护体系应用于TBM施工巷道,并对TBM施工巷道进行围岩变形监测和锚杆轴力监测,现场实测结果表明采用的优化支护方案可有效控制围岩变形,且巷道稳定性较好。     

动压巷道组合锚索的“应力柱”效应研究

为有效控制动压巷道围岩变形较大、支护控制困难等问题，以山西某矿8102工作面为工程背景，通过现场调研、数值模拟、现场试验等手段，对动载扰动条件下组合锚索的支护效果进行研究分析，并在现场进行了工业性试验。研究结果表明:通过对在动压巷道顶板施加组合锚索的数值模拟得知，巷道顶板应力比较集中，并出现“应力柱”效应，巷道变形较小。结合现场工业性试验，在动压巷道顶板施加组合锚索，巷道变形破坏情况明显好于未施加组合锚索段；组合锚索可以有效控制动压巷道围岩变形破坏情况。     

高围压下高孔隙水压对岩石蠕变特性的影响

为研究高应力作用下深部岩体开挖过程中孔隙水压对围岩时效变形特性的影响,选取重庆某深部细砂岩为研究对象,对其进行不同水压下分级加载蠕变试验,试验表明:孔隙水压增强了砂岩的变形能力,但随着水压的升高,加载初期的一段时间内,水压在一定程度上会延缓轴向变形;蠕变过程中黏弹性模量随时间呈指数函数变化,通过分析不同水压作用下指数函数中参数的变化规律,得到黏弹性模量随时间和水压变化的表达式,进而提出修正的广义Kelvin模型,该模型能较好的描述不同水压作用下岩石的非线性黏弹性蠕变特性。基于不同水压下加速蠕变试验曲线特征,采用拟合、类比的方法引入一个能反映不同水压作用时加速蠕变特征的二元件黏塑性模型,将该模型与修正的广义Kelvin模型串联组成一个新的非线性黏弹塑性蠕变模型。基于试验结果,利用优化分析软件1stOpt,对模型参数进行辨识,效果比较理想;对比试验曲线和理论曲线,二者吻合较好,验证了模型的正确性。     

邻近爆破下不同形状巷道围岩裂纹扩展规律

为了解巷道断面形状对爆炸载荷下邻近巷道围岩裂纹扩展规律的影响,采用模型试验和扩展有限元(XFEM)方法展开详细研究。试验研究表明:爆炸载荷下,当原有裂纹扩展通过邻近巷道围岩原有裂纹尖端影响区、应力波传播过程产生的环向拉伸区和自由面反射波影响区时,扩展方向有所不同;巷道断面形状主要影响原有裂纹后期扩展方向,巷道断面形状不同,自由面反射拉伸波的拉伸应力方向不同;由于拉伸应力方向一般垂直于自由面,直墙拱形巷道和圆形巷道围岩中原有裂纹扩展后期偏转向弧形自由面切向方向,近似"层裂"现象扩展;矩形巷道围岩原有裂纹扩展方向与直墙反射波拉伸应力作用方向平行,裂纹扩展不受影响,仍沿近似水平方向与自由面贯穿。     

高地应力巷道卸压控制技术ABAQUS模拟

高地应力软岩巷道地应力比较大,如果采用常规的支护技术无法满足巷道支护的要求,会造成巷道多次返修以及相应的安全隐患。基于大型有限元ABAQUS软件,建立高地应力卸压巷道控制技术有限元分析模型,应用Drucker-Prager岩体模型,分别分析了卸压巷道在不同位置、不同开挖顺序、不同相对距离等条件下保护巷道围岩体的应力应变。分析结果表明：布置了卸压巷道能明显改善高地应力巷道周围的应力集中,有利于巷道整体结构的稳定性。得出结论：①先开掘卸压巷道再开掘主巷道;②距离主巷道4 m左右支护效果最佳;③需要针对不同的来压方向选择卸压巷道相对位置等。模拟结果可为同类高地应力巷道支护设计提供一定参考作用。     

不同埋深条件下直墙拱顶巷道破裂的数值试验

为研究不同埋深条件下直墙拱顶巷道围岩破裂形态,采用RFPA2D软件进行了数值模拟试验。通过数值试验发现:不同埋深条件下的巷道围岩均从巷道的拱脚和墙角处最先发生破坏,且沿拱脚斜向下和沿墙角斜向上扩展,最终导致巷道两帮围岩破裂失稳;同时由于深部巷道围岩的荷载较大,破坏裂缝也从巷道两帮扩展到拱顶和底板。通过分析巷道围岩应变数据,发现围岩体内径向拉应变是造成巷道围岩破坏的主要原因。该数值试验结果与有关物理试验结果具有一致性,能进一步丰富深部岩体破裂方面的研究成果,更好地指导深部地下空间的开发和应用工作。