深埋老黄土隧道变形规律及初支受力机理

为了解决深埋老黄土隧道初期支护因围岩弱化挤压而破坏的现象,为隧道支护破坏整治提供依据,以阳山隧道出口深埋老黄土段为工程依托,对不同含水率下隧道变形规律进行了统计分析,然后综合采用变形反演、强度折减数值计算和实测支护内力规律对比的方法对初期支护的整体受力状态和受力规律进行了研究,最后通过数值计算对初期支护受力关键部位的破坏过程和破坏机理进行了分析。得到如下结论:(1)深埋老黄土隧道变形规律与围岩含水率相关,在围岩含水率低于老黄土塑限前,隧道的变形量小、稳定速度快、拱顶沉降大于水平收敛,含水率大于塑限后,隧道变形量显著增加、持续时间长、水平收敛大于拱顶沉降;(2)初期支护全环整体处于小偏心受压模式,受力关键部位为拱部,随着围岩的不断弱化,支护小偏心受压模式不变、内力逐渐增加,最大内力由拱腰转移至拱脚处;(3)在小偏心压力作用下支护结构为“压-剪”控制破坏,表现为混凝土表面压碎剥落、内部斜向剪切破坏,锁脚锚管的存在对结构破坏发展方向有引导作用,使得结构由“X”型对称剪切破坏转化为固定方向的斜截面剪切破坏。建议支护破坏整治方案采用可提高结构斜截面抗剪强度的加强措施,或采用限阻耗能型支护来释放围岩压力并减小结构内力。     

黄土隧道的湿陷变形规律及其对衬砌结构的作用

黄土围岩潜在的湿陷变形不利于隧道工后的安全稳定,为深入研究黄土围岩湿陷变形对隧道结构的影响机制,在已建黄土隧道场地开展大面积试坑浸水试验,研究湿陷性黄土围岩的渗水分布场、湿陷变形发展规律及隧道结构的受力变形规律。表明隧道开挖促使黄土围岩原生竖向节理、裂隙发育,易形成贯通地表的竖向裂缝,增大了深层黄土竖向渗水能力,地表水易于向深层土运移。隧道开挖扰动了黄土围岩原有结构,改变了深层黄土的湿陷变形特性,遭浸水作用后产生较原位土层湿陷变形更大的沉降变形。当水分入渗接近隧道埋深,围岩承载拱作用的减弱甚至消失,会显著地增大隧道围岩压力及传至基底的压缩应力,并在拱脚位置形成应力集中,引发拱脚下沉,而仰拱中部地基的弹性抗力抑制中部沉降变形发展,显著的不均匀沉降差导致仰拱中部开裂,形成纵向裂缝。对于埋深较浅的黄土隧道,应避免隧道上方地表出现长期浸水的情况;设计施工中应充分考虑拱脚地基承载能力不足的情况,可加强仰拱刚度以抵御不均匀沉降的发展。     

富水黄土隧道围岩软化对结构受力影响研究

以银百高速榆林子隧道为依托工程,通过有限元软件ABAQUS温度场模块摸拟隧道施工围岩软化过程,研究了富水黄土隧道围岩在不同软化阶段和软化范围工况下,隧道围岩、初期支护、仰拱填充层的位移和应力的变化规律。结果显示：拱顶沉降和仰拱填充层隆起随软化范围的扩大而增大,而隧底隆起减小,仰拱填充层隆起在软化范围3 m时趋于稳定;围岩软化对仰拱填充层中心影响最大,而仰拱填充层拱脚处几乎不受影响;围岩软化后在初期支护拱脚位置产生最大拉应力,拱墙和拱顶应力变化不明显;塑性区以内是围岩软化的主要影响范围,需特别关注塑性区内的地下水赋存状态。     

大厚度湿陷性黄土隧道现场浸水试验研究

对于穿越大厚度湿陷性黄土地层的隧道,其围岩湿陷变形会威胁隧道结构的稳定性。为了分析黄土围岩湿陷变形对隧道衬砌结构的影响机制,选取典型大厚度湿陷性黄土隧道场地,通过开展隧道场地地面浸水试坑试验及隧道仰拱浸水试验,测试了地面入渗和隧道基底入渗过程中不同埋深地层的湿陷沉降变形及地基的沉降变形、入渗过程中围岩的体积含水率变化分布、试坑周边地层的侧向位移、衬砌结构接触压力和轴力,研究了既有隧道黄土地层的湿陷变形特性及水分运移规律、隧道结构力学响应。结果表明,隧道开挖、衬砌作用扰动黄土结构,增大了围岩及深层黄土的渗透性;与天然黄土场地试坑浸水入渗比较,增大了竖向浸水范围,减小了水平向浸水范围。隧道围岩湿陷变形改变了围岩与衬砌结构的相互作用性状。围岩湿陷和地基软化作用增大了二次衬砌结构侧墙竖向荷载和侧墙围岩的挤压作用,引起拱脚地基承载力减小和沉降变形发展,拱顶、拱肩接触面呈受拉状态;仰拱中部地基土的抗力作用抑制其沉降变形,从而使得拱脚和仰拱中部出现显著的沉降差,导致仰拱混凝土开裂,形成纵向裂缝。此外,浸水范围内黄土的湿陷变形不仅引起竖向沉降变形,还会引起周围土体产生侧向水平位移;洞口边坡场地黄土的湿陷性和地层湿陷变形差异较大,反映了黄土山岭黄土场地地层条件复杂多变的特征。     

浅埋偏压隧道进洞施工力学特性研究

隧道进口段围岩常常具有浅埋、偏压、风化严重等特点,若施工处理不当,极易造成洞口边、仰坡滑动和洞内塌方等事故,从而影响隧道正常施工和人员安全。结合具体工程,对浅埋偏压隧道进洞施工开展了三维数值模拟,并结合监测数据分析了施工对围岩和支护结构力学特性的影响,主要结论如下:围岩变形具有非对称性,浅埋侧围岩变形量要小于深埋侧;随着隧道的逐步开挖,隧道深埋侧拱脚和浅埋侧拱肩处围岩易于发生剪切破坏,而且围岩的塑性区也主要位于这两个区域,并逐渐向拱顶上方贯通;初期支护结构的受力状态受偏压地形影响显著呈非对称性,而超前支护受偏压影响较小;现场实测围岩变形与计算结果较为吻合,且变形在22天后达到稳定状态。     

隧道开挖时不同宽度断层对围岩扰动的影响

文章以宝鼎2号特长公路隧道为依托,建立3个三维数值计算模型,分析隧道穿过不同宽度的断层围岩以及二衬的变形规律。研究结果表明:隧道穿过不同宽度的断层,隧道拱顶,拱腰,仰拱围岩位移的变化规律一致,在靠近断层段,隧道拱顶、拱腰、仰拱都发生位移突变,收敛位移先快速增长然后又迅速减小,且洞周围岩收敛位移随着断层宽度的增加而增加,剪切破坏塑性区也相应增加;同时支护结构的位移突变区范围以及最大位移值也随着断层宽度的增加而增大,支护结构最大位移出现在隧道拱顶以及仰拱处,在施工过程中需要重点考虑。     

深埋隧道仰拱边墙连接方式力学效应分析

在隧道结构中,仰拱是衬砌结构的重要组成部分,影响仰拱力学效应的因素较多。仰拱与边墙的连接是衬砌施作的关键环节,对衬砌结构以及围岩的力学状态有着至关重要的影响。以乌鞘岭铁路隧道斜井为例,通过数值模拟分析了仰拱与边墙的不同连接方式对深埋隧道围岩、支护结构的力学行为影响,结果认为铰接情况可以有效地减小弯矩,改善衬砌结构的受力状态,但对控制衬砌底部变形不利。所得结论以期能为将来的隧道支护结构设计及施工提供帮助。     

高边坡下浅埋偏压隧道施工动态监测与分析

浅埋偏压段隧道围岩稳定性较差,施工时易发生坍塌、冒顶等事故。针对晋祠隧道高边坡偏压段的浅埋暗挖施工问题,制定了施工监测方案,通过对隧道和钢拱架支护变形、围岩压力和边坡水平位移的监测,获得了施工过程中隧道围岩的受力与变形规律。结果表明,隧道拱顶沉降、水平收敛随着隧道施工逐渐增大;隧道左拱脚处有最大的围岩压力、右拱腰处有最大拱架弯矩;边坡水平位移随隧道开挖有明显的台阶式跳跃变化,当仰拱封闭后,隧道变形、围岩压力、钢拱架弯矩和边坡水平位移等监测指标均逐渐趋于稳定。研究可为偏压浅埋段隧道的施工提供实践经验。     

黄土隧道锚杆受力与作用机制

 为探讨黄土隧道锚杆作用效果及机制,对陕西省吴堡-子洲高速公路上3座黄土隧道中的48根锚杆应力进行现场测试和统计分析,结果发现：黄土隧道在钢架支护条件下,拱部系统锚杆受压且应力值较小;拱脚处锁脚锚杆以受拉为主,锁脚锚杆应力普遍大于拱部锚杆应力。从土体的变形和锚杆与土体的锚固效果2方面分析黄土隧道拱部系统锚杆的力学状态,分析认为隧道开挖后,浅埋黄土隧道拱部发生整体沉降,锚杆并不存在锚固段;深埋黄土隧道开挖后土体产生较大塑性区,目前以“短而密”原则设计的系统锚杆也不存在锚固段;锚杆与土体采用水泥砂浆或药卷式锚固剂黏结效果差,因而黄土隧道锚杆锚固力不大;锚杆锚固于初期支护上,并伸入土体中,从内部约束土体变形,在初期支护施作后,相对于土体的后续变形,拱部系统锚杆受到土体向下的摩阻力,相当于桩承受负摩阻力,因而拱部系统锚杆受压。综合以上分析表明,在黄土隧道中,钢架支护条件下的系统锚杆支护效果不明显,可以取消。工程实践证明,钢架支护条件下黄土隧道取消系统锚杆,可减少施工环节,更有利于隧道施工安全和结构稳定,可缩短工期和降低工程造价,有着特别显著的社会经济效益。     

浅埋黄土隧道洞身穿越岩土分界受力变形特征

靖神铁路横山隧道为黄土地区浅埋单线铁路隧道,围岩自稳性很差,地质条件极为复杂,隧道暗挖段洞身穿越岩土分界地层。本文以横山隧道为工程背景,运用FLAC3D的interface单元,通过数值模拟和现场试验研究隧道洞身穿越岩土分界的变形和受力规律,确定施工变形控制措施。研究结果表明:超前小导管、两台阶法+临时横撑+扩大拱脚+掌子面加固施工方法可有效控制围岩变形,保证隧道安全施工。进一步分析了超前支护和初支控制变形的作用,超前小导管起到了限制围岩变形的作用。掌子面全为黄土时围岩变形量、支护受力明显较大,应确保加强拱脚与墙脚支护,并及时施作仰拱,超前支护采取双层超前小导管,而当隧道穿越岩土分界线时,应当尤其注意加强拱脚支护。FLAC3D的interface单元可较好地模拟隧道穿越岩土分界线时围岩及支护的受力变形状况,计算分析和现场实测都表明:地表沉降、拱顶下沉和洞周位移均小于15 mm,控制隧道地表沉降及围岩变形效果较好,保证了隧道安全稳定。     

地震隧洞稳定性分析探讨

 为得到地震作用下无衬砌隧洞的力学规律,将有限元强度折减法和具有拉和剪破坏分析功能的大型有限差分程序FLAC相结合,并将其引入到隧洞的稳定性分析中。在黄土无衬砌隧洞静力分析基础上,提出地震作用下动力有限元静态分析以及完全动力2种稳定性分析方法,在分析时同时考虑隧洞的拉破坏与剪破坏,从而得出黄土隧洞在动力情况下首先是隧洞顶部出现局部拉破坏然后是侧边整体破坏的破坏机制,同时也验证有限元强度折减法不仅能够用于隧洞静力分析而且能够用于隧洞动力稳定分析,从而为无衬砌黄土人居洞室的抗震设计提供理论依据,也可作为有衬砌黄土隧道的地震反应分析的基础。     

特大断面连拱隧道中墙偏压机制及施工影响分析

 中墙作为连拱隧道的主要承载结构,自身的稳定性直接影响着隧道工程整体的稳定性,是连拱隧道设计和施工的重点。中墙失稳的主要力学原因是中墙受力不均而产生偏压失稳,因此,控制中墙稳定的关键是控制中墙偏压及其偏压程度。中墙偏压的出现源于隧道工程自身的地层偏压和非对称式施工产生的施工偏压,根据中墙受力状态可以确定地层偏压、施工偏压下中墙偏压的条件及偏压发生部位;利用有限元计算方法对地层偏压、施工偏压条件下不同施工工序进行计算,分析不同工序对中墙偏压的影响;根据得到的规律对施工工序进行优化分析;最后,给出双向八车道连拱隧道的工程实例。     

高地应力软岩隧洞衬砌结构受力及强度安全系数研究

深埋条件下的高地应力软岩隧洞衬砌结构受力与一般隧洞不同,为探明其力学响应特征,依托实际工程对锚杆轴力、钢拱架应力及初支与二衬之间的接触压力进行现场测试,基于强度折减原理,采用有限差分软件Flac3D分析围岩稳定性和二衬受力后的强度安全系数。分析表明:高地应力环境下边墙部位锚杆发挥拉拔力作用明显,锚杆中性点随围岩塑性区发展有向围岩深处移动的趋势;钢拱架以受压为主并能立即发挥支护作用;在保证围岩稳定的条件下,二衬将承担12%的围岩压力,且受力集中的墙脚处二衬强度安全系数最小。     

地下水渗流对巷道围岩稳定性影响的理论解

将巷道围岩视为多孔介质，考虑地下水渗流作用的影响，应用弹塑性损伤力学理论，导出了巷道围岩的应力分布规律以及巷道损伤区半径与孔隙水压力之间的关系：并根据极值点失稳理论，提出了巷道围岩稳定条件，给出了渗流作用下巷道围岩稳定的孔隙水压力的临界值。当巷道围岩中的孔隙水压力接近临界值时，巷道围岩处于非稳定平衡态，此时如受到轻微的扰动，巷道围岩将因失稳而坍塌，从而发生突水事故。     

甘肃北山旧井地段高放废物处置库深度初步探讨

 在对高放废物地下深地质处置库深度确定基本要求的概述基础上，结合甘肃北山旧井地段的地质特征、水文地质特征、岩石力学特征、地应力场特征等方面的情况，分析初始地应力场和二次开挖地应力，对开挖稳定性和发生岩爆的可能性进行计算和预测。研究结果表明，研究区岩体较完整，深度大于400 m时地下水补给匮乏且为还原环境，岩石单轴抗压强度较高，总体质量较好；深度小于700 m地应力为一般应力场，二次开挖稳定性分析和岩爆分析结果表明在此范围内岩爆发生的可能性不大，依据处置库深度确定的基本要求，初步认为旧井地段处置库的设计深度和地下工程布局应在400～700 m范围内进行。     

渗流-应力耦合作用下深埋黏土岩隧道盾构施工特性及其动态行为研究

基于连续介质大变形理论和损伤力学理论,将塑性损伤演化与渗流相互耦合的方法引入到Mohr-Coulomb准则,建立黏土岩弹塑性大变形渗流–应力耦合模型,以ABAQUS软件为平台对其进行二次开发。以比利时黏土岩核废料库工程为背景,在全面分析盾构施工影响围岩稳定性因素的基础上,建立反映施工质量的等代层模型,对不同施工质量时盾构掘进过程中围岩及开挖面的变形、孔隙压力及塑性区的演化规律进行数值模拟。计算结果表明,围岩变形在开挖面附近达到最大值,施工质量对围岩稳定性有明显的影响,施工质量越差,开挖扰动区的范围就越大,并且孔隙压力降低的幅度就越大。研究结果可为软岩隧道设计及施工提供参考。     

深埋隧道围岩损伤破坏模式的数值试验研究

 深部岩体具有内禀特性。在开挖过程中，由于应力重分布导致围岩损伤破坏，传统岩体力学未能有效揭示其破坏机制。随着细观损伤岩体力学的发展，采用损伤观点解决深埋隧道围岩破坏问题逐渐显示出其优越性，但目前仅在均质性假设的基础上对应力状态和破坏判据进行研究，缺乏对其破坏全过程的相关研究。采用RFPA2D软件对通渝隧道二叠系栖霞组岩性为石灰岩且埋深超过1 000 m的K22+029断面在开挖过程中围岩的渐进破坏过程进行模拟，使用EMS–2型工程多波地震仪实测围岩破坏前、后波速的变化，定量模拟计算围岩损伤度的变化，揭示深埋隧道围岩破坏过程的损伤演化特性及损伤破裂过程中声发射、剪应力及岩体纵波波速等因素的变化特性，得出深埋硬岩隧道以拉剪型破坏为主，围岩破坏顺序依次为拱顶开裂→左、右拱肩裂纹扩展→左、右拱肩围岩深部裂纹；损伤过程中声发射事件数与围岩损伤程度近似成正比关系；损伤围岩表现出明显的非线性特性和损伤局部化特征。所得结论对于隧道施工支护具有指导意义，也为揭示深埋隧道围岩破坏机制进行有益的尝试。     

隧道围岩位移智能化反演研究

在分析隧道工程特点及围岩位移反分析研究现状的基础上,着重介绍了三种位移智能反演方法的原理、特点及普遍存在的问题,经研究证实了隧道位移智能化反演结果的正确性,对隧道围岩稳定性评价、信息化施工及岩石力学反问题研究具有重要意义.     

岩溶地区公路隧道施工力学响应研究

岩溶地区公路隧道因受岩溶发育程度、岩溶位置等的影响，其施工力学响应与一般隧道存在较大区别。利用“公路隧道结构与围岩综合试验系统(CTSSSRH)”和有限元分析程序对岩溶地区公路隧道施工力学响应进行了一系列的大型相似模型试验和数值模拟研究，探讨了溶洞发育程度和位置对围岩施工力学响应的影响，总结了岩溶地区公路隧道围岩位移场、塑性区等的一些分布规律。     

盾构隧道穿越海堤环向受力案例分析

浙江沿海火力发电厂比较常见的是采用海水循环冷却的方法为发电机提供热交换,循环水管道一般采用盾构隧道。在新建工程的盾构隧道建设中,普遍会遇到隧道穿越新建海堤引起的管片变形受力问题。本文以浙江六横电厂排水隧道工程为例,采用数值分析的方法,通过对排水隧道穿越海堤段进行三维实体建模,分析评价了该段管片相互连接螺栓的受力、变形及稳定性,为项目设计提供依据。