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。     

柔性支护结构对软弱围岩隧道的支护效果研究

将格栅拱架和系统锚杆连接成整体可形成一种柔性支护结构,而这种柔性支护方式在软弱围岩隧道中应用较少。为研究该支护结构在软弱围岩隧道中的支护效果,通过FLAC 3D数值分析软件研究了该支护方式下隧道软弱围岩的应力和位移发展情况。得到如下结论:①得到了隧道各部位主应力发展规律,在新型支护结构下围岩主应力下降幅度较大,后期应力回升最大值约为其下降幅度的1/5,围岩稳定后,拱腰位置围岩应力最大;②新型结构支护围岩塑性区稍大于传统支护方式,但该支护结构更有利于围岩成拱,更大地发挥围岩自承载力;③得到了各施工阶段围岩位移发展趋势,并通过围岩特征曲线展示了该新型支护结构对围岩的作用方式,结果表明该支护结构对软弱围岩支护效果稳定。     

彭水电站地下厂房开挖支护全过程的数值模拟

地下厂房洞室群的开挖,势必引起洞室群围岩位移场和应力场的调整,过大的变形和应力集中都会造成围岩的破坏,对洞室的稳定产生影响,因此围岩稳定分析一直都是地下工程领域中的研究重点和难点.基于彭水电站地下厂房的开挖,首先分析了开挖后围岩位移与变形规律,并与监测资料比较,计算结果与监测情况十分吻合;分析了不同开挖步下厂房周边的应力分布规律,研究围岩塑性区的空间分布特征;定量分析了开挖支护前后塑性区方量的变化,评价支护的有效性.     

巴基斯坦某特大断面导流洞台阶开挖优化研究

导流洞开挖方案设计直接关系到导流洞的施工方法、施工速度及施工安全。以巴基斯坦某特大断面导流洞为例，通过数值模拟方法，对导流洞的台阶开挖方案进行对比分析。结果表明，在Ⅳ类围岩下，不同开挖方案下的收敛均能满足规范要求；将前两步开挖合并为一步时，隧道收敛性较分步开挖有所提高，增幅为4%；合并开挖后，塑性区较分步开挖塑性半径增大1%；锚杆最大内力最大降低了5.65%。合并方案成功应用于导流洞实际开挖支护中。     

黄土地层盾构隧道长距离下穿湖泊安全性研究

为评价盾构隧道下穿湖泊的施工安全性，依托西安地铁 8号线曲江池西路—曲江池寒窑区间工程，采用多物理场耦合软件建立黄土地层盾构隧道下穿曲江池的隧道开挖模型，并选取四种典型工况从盾构开挖面稳定性、盾构施工地表沉降以及盾构管片结构安全性三个方面进行分析。研究结果表明:随着盾构隧道开挖，围岩塑性区范围逐渐增大呈现“水平椭圆”状，且四种典型工况下未出现贯通盾构开挖面与地表以及贯通左线与右线围岩的塑性区，即盾构施工过程中开挖面相对稳定；四种典型开挖工况下的施工地表沉降量最大值为 20．42ｍｍ，出现于隧道线正上方地表，满足规范要求；管片结构的最大主应力与最大剪应力数值较小，均出现于隧道前半段的拱腰处，盾构管片受力相对安全。研究成果对于保证盾构下穿湖泊安全施工具有重要工程意义，也可为类似工程的建设和运营提供借鉴和参考。     

软弱围岩隧道施工力学特性研究

结合某公路隧道工程，通过有限元数值模拟对全断面法、台阶法以及CRD法共3种不同开挖条件情况进行仿真分析。通过对比得到CRD法开挖引起的地表沉降可降低7.4%,引起的围岩应力变化最小。CRD法适用于围岩破碎、裂隙发育围岩的最优施工方法。围岩变形过大时，增加管棚和锚杆支护能够有效的提高整个支护体系和围岩体系强度。     

隧道围岩应力和塑性域的双剪强度理论的分析

针对隧道开挖围岩产生塑性屈服的应力条件变化及稳定性问题,根据隧道围岩的平衡条件和统一强度理论塑性条件,求解得到了圆形隧道的径向应力和环向应力。分析了平面应变条件下统一强度理论的强度参数及围岩支护压力与隧洞半径之间的关系。探讨了平面应变下中主应力参数和统一强度理论次主剪应力系数变化条件下圆形隧道围岩径向应力和切线应力随径向半径的变化规律分布。考虑了支护压力和平面应变统一强度理论中主应力参数和次主剪应力系数对塑性域半径的影响,分析结果表明引入中主应力参数的塑性计算结果更加符合实际。     

考虑渗流影响的隧道开挖支护力分析

在计算富水地层中隧道开挖稳定性时,同时考虑开挖面空间效应与渗流场效应具有重要意义,可更加贴合实际施工情况。为了研究在二者同时作用下,隧道稳定性的变化规律,基于统一强度理论推导了考虑渗流体积力影响的隧道开挖弹塑性解答。并运用Ｈｏｅｋ拟合方程求解了空间效应影响下隧道的洞壁位移,以此建立了因空间效应而产生的围岩附加位移场、应力场力学模型。进而推导出了在渗流影响下,开挖隧道时渗流体积力、支护阻力、径向位移与掘进面间纵向距离的关系式。根据隧道径向位移以及支护阻力的变化规律,对实际施工中支护时机的选择提供了一定参考。结果表明:在考虑渗流体积力影响时,空间效应作用下的支护结构所受压力较小,可适当提前支护时机,充分发挥支护结构作用,从而有效降低围岩变形,有利于隧道保持稳定。     

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。     

大型洞室分层开挖围岩位移释放率与支护效用探讨

针对大型洞室从上往下分层开挖和每一层从一端到另一端沿水平方向分步开挖的空间开挖特点,基于应力反转法研究了大型洞室分层分步开挖过程中不同部位围岩位移释放规律,基于摩尔应力圆法提出了围岩支护效用的定量评价方法.工程实例研究表明,大型洞室顶拱和边墙不同部位围岩在当前层开挖前、开挖过程中和开挖后的位移释放率都不一样;开挖过程中围岩屈服区体积演化是一个与应力释放系数相关的非线性变化过程;不同位移释放率条件下,支护系统对提高围岩强度的作用效用可通过支护前后围岩摩尔应力圆到强度特征曲线的距离来定量表述.     

某水电站地下厂房喷锚支护数值模拟

建立某水电站地下厂房洞室群区域三维数值模型,利用FLAC3D软件模拟无支护和喷锚支护两种工况下分层开挖的施工过程。对两种工况下围岩应力、位移和塑性区分布特征进行分析,认识喷锚支护对围岩稳定性的影响。分析结果表明,喷锚支护能够有效地控制围岩变形和塑性区分布深度,减小应力集中区的范围,提高围岩整体稳定性。     

蓄集峡水电站深埋调压井施工开挖数值仿真

蓄集峡水电站调压井表层岩体风化严重,开挖深度大,下部岩体卸荷作用较强,施工期围岩稳 定性问题突出。为探究施工方案对调压井围岩稳定性的影响,结合工程地质条件,利用三维非线性有限 元技术对调压井的开挖与支护进行精细模拟,得到无支护条件下围岩的变形特征和力学行为规律,以及 喷锚支护措施对围岩的应力变形及塑性区的影响。随着开挖的进行,围岩变形和应力逐渐增大,最大值 分布区也不断变化。受开挖卸荷影响,围岩均向井内发生变形,最大水平位移主要分布在表层风化围岩 和井筒底部围岩附近。连接管与井筒衔接处围岩应力集中十分显著,井筒深处围岩出现局部塑性松动 圈,围岩开挖稳定性较差。施工期围岩经喷锚支护后,围岩变形量显著减小,应力集中有所缓解,塑性区 发育得到有效的限制,调压井整体稳定性较好。     

地下厂房施工过程的三维非线性数值模拟分析

根据冗各电站地下厂房开挖支护的施工顺序,以隐式杆单元模拟锚杆,以壳单元模拟混凝土喷层,采用三维非线性有限元技术,对洞室群的开挖支护动态过程进行了模拟计算。通过三维非线性有限元计算分析得到:洞室群动态开挖过程中围岩应力变形的分布规律,围岩塑性区的发展规律,锚杆受力变化情况。计算结果表明:整个开挖过程中,洞周围岩位移变化规律正常,量值较小,塑性区主要分布在洞室周边,围岩稳定性较好;但在洞室交叉口处围岩的变形较大,出现较大范围的塑性区,在此基础上提出了支护措施优化方案,并对优化方案的效果进行了评价。     

乌东德右岸导流洞进口开挖方案评价与优化

乌东德水电站右岸3、4号导流洞进口段为薄层的大理岩化白云岩,并且存在大断层,地质条件较差。同时,由于导流洞施工具有开挖断面大、边墙高及中隔墙薄等特点,隧洞开挖过程中存在局部垮塌的隐患。在该区域选取了4个典型断面,借助数值模拟手段,在既有的支护方案下对比了导流洞进口段Ⅱ、Ⅲ层先左侧后右侧及先右侧后左侧开挖方式下各典型断面的松弛深度、位移、最大主应力及最小主应力的分布情况,同时给出了两种开挖方式下监测点处的位移增量情况。分析结果表明,先左后右的开挖方案更优。同时,受断层及Ⅴ类围岩的影响,3、4号导流洞中隔墙区域处于极不稳定的状态,应施加对穿锚索支护。现场开挖实践表明,采用先左后右的开挖方案并在3、4号导流洞中隔墙区域进行对穿锚索的加强支护保证了围岩的稳定性。      

某电站地下厂房硐室群分阶段开挖数值模拟

根据某电站地下厂房工程地质条件和开挖设计方案,采用ANSYS有限元软件进行三维地质建模,并以地应力实测结果为参照反演分析初始地应力场,在此基础上进行地下硐室群分阶段开挖数值模拟计算,进而分析硐室群开挖过程中分步开挖对围岩应力场、位移场和塑性破坏特征的影响。结果表明:受硐室集中开挖影响,最大主应力的高值出现在地下硐室群开挖集中部位,硐室拐角处也易出现应力集中;岩体开挖后围岩卸荷回弹,围岩最小主应力局部呈减小趋势;地下硐室围岩位移的高值与最大主应力高值部位基本重合,主厂房和主变洞开挖跨度大,在边墙中部可能出现较大的位移值,硐室底板围岩同样可能因卸荷回弹而出现较大的位移值。     

偏压小间距隧道施工力学行为及围岩破坏规律

为研究偏压小间距隧道施工力学行为及围岩破坏规律。在CD法施工下,通过建立偏压小间距隧道有限元模型,利用ABAQUS有限元软件在不同开挖顺序及不同隧道间距下对偏压小间距隧道施工过程进行了动态模拟与分析,基于强度折减法基本原理,探讨了不同隧道间距下围岩塑性破坏规律,确定了合理隧道间距。研究结果表明:①在不同开挖顺序下,先行左洞开挖方式要优于先行右洞:②随着隧道间距的增加,左洞围岩位移不断减小,右洞围岩位移先减小后增加;③随着隧道间距的增加,沿中间岩柱竖向中心线的水平位移逐渐减小;竖向应力则表现为先减小后增大的规律;④右洞开挖完成后,两洞初期支护中右拱腰处的弯矩明显大于拱顶处,而轴力则反之;⑤随着隧道间距的增加,中间岩柱塑性贯通程度逐渐弱化,安全系数不断提高,等效塑性应变逐渐减小。研究结果可为偏压小间距隧道的设计与施工提供依据。     

丽香铁路中义隧道高地应力软岩大变形控制技术

在丽香铁路中义隧道围岩及初期支护变形、破坏特点归纳总结的基础上，结合隧道的区域地质条件，分析了围岩大变形的形成机制。研究表明:丽香铁路中义隧道围岩及初期支护变形、破坏特点是由隧址区地应力最大主应力为水平方向且与隧道轴线接近垂直的特点决定的；围岩大变形主要是由于隧址区强烈的地质构造使围岩完整性遭受严重破坏，围岩破碎，地层赋存较高的构造残余应力引起的。现场实验及施工实践表明:按围岩的工程地质条件、强度应力比及相对位移将大变形分级管理，根据大变形级别选用不同的衬砌断面、支护参数和预留变形量；采用上下台阶、下台阶带仰拱一次开挖方法施工，适当加长边墙系统锚杆和锁脚锚杆，适时进行初期支护补强。     

含水率对高地应力炭质板岩隧道围岩稳定性的影响研究

当隧道穿越高地应力富水软弱围岩区段时,易发生坍塌、初期支护结构侵限、钢架扭曲脱离等不良现象。针对这一问题,以渭武高速公路木寨岭隧道为实际工程背景,运用有限差分法软件FLAC3D分别建立了不同含水率下双侧壁导坑法和三台阶七步开挖法施工隧道的数值模型,分析讨论了两种施工方法下围岩压力、竖向和水平位移、塑性区随着含水率增大的分布规律和发展情况。结果表明：随着含水率的增大,炭质板岩强度降低,围岩自稳能力降低,进而降低了隧道的稳定性。隧道上部台阶开挖后,炭质板岩段各监测断面沉降和收敛变形较快,变形量较大;完成初期支护之后,沉降和收敛变形速度逐渐降低,待距离掌子面50 m以后趋于稳定。     

深埋高地应力引水隧洞节理围岩稳定性研究

在深埋隧洞开挖过程中,高地应力和结构面发育是控制洞室围岩稳定的关键问题。针对深埋高地应力引水隧洞节理围岩稳定问题,以新疆某深埋高地应力引水隧洞为工程依托,利用水压致裂法和三维水压致裂法对地应力进行现场监测与分析,采用离散元软件3DEC模拟围岩应力场、塑性区以及位移场的变化情况,研究了深埋高地应力下引水隧洞节理围岩的稳定性问题。结果表明:实测得最大主应力在12.4~12.9 MPa范围内,模拟得洞室附近出现0~2.1 m的塑性区,最大位移值为25.1 mm,最大压应力为13.2 MPa,最大拉应力为1.32 MPa,洞室的侧墙和拱底部位的塑性区、位移值较大且出现局部小范围拉应力。结合本文具体工况和实测地应力资料,通过强度理论的方法进行岩爆分析研究,由Russenes岩爆判别式得无岩爆发生,节理岩体处于稳定状态,但随节理裂隙发育,侧墙和拱底易出现破坏,建议采用2.5 m锚杆进行加固。模拟结果与实测结果较为一致,研究成果为工程施工提供参考。     

拉西瓦水电站地下厂房开挖分层及顶拱的开挖支护

拉西瓦水电站地下厂房位于高地应力区,厂区最大主应力达20-30MPa,为确保施工、运行期的安全及开挖质量,对围岩弹性释放能和能量释放率进行了计算分析比较,综合考虑其他因素后,合理确定了地下厂房开挖分层,并提出了厂房顶拱开挖方法及支护措施。观测数据表明,厂房开挖支护完成后,顶拱围岩已趋于稳定。