公路隧道下穿煤层采空区开挖过程相似模型试验

隧道下穿煤层采空区施工将不可避免地对采空区地层产生扰动,破坏其原有的平衡状态,使既有采空区"活化",进而影响隧道围岩及初期支护的稳定性。开展隧道下穿煤层采空区开挖的室内相似模型试验分析,考虑隧道与采空区不同间距的影响。通过埋设位移计、土压力计及电阻应变计,研究隧道开挖过程中采空区及洞周地层的移动和初期支护的内力特征。测试结果表明,隧道开挖引起的采空区地层移动受采空区与隧道间距的影响显著,间距越小,采空区地层沉降越大、沉降槽曲线越窄、越陡,上台阶开挖引起的地层沉降占总沉降的比例越高,而初支闭合后收敛越快。当间距小于1D时,采空区地层大致处于隧道开挖引起的松动范围以内,并使松动范围进一步扩大,从而增大初期支护上的荷载。钢拱架最大弯矩主要发生在拱脚处,当间距很小时,钢拱架拱脚处弯矩显著增大,同时轴力水平降低、偏心距增大,大大增加了初期支护的失稳风险。试验揭示了隧道下穿煤层采空区开挖过程中地层的移动规律和初期支护受力特征,对指导类似工程施工具有积极意义。     

公路隧道下穿倾斜煤层采空区室内开挖模型试验

开展了公路隧道下穿倾斜煤层采空区室内相似模型试验,考虑了不同开挖进尺和初期支护参数的影响,通过埋设位移计、土压力盒及电阻应变片,测量了隧道开挖过程中采空区附近地层的移动和初期支护的内力。试验结果表明,增大隧道开挖进尺,地层最终沉降量、隧道施工过程中的沉降速率均显著增加,沉降槽变得更窄、更陡。减少钢拱架数量也会引起地层沉降的增加,但增加幅度相对较小。增加开挖进尺或减少钢拱架数量还将引起钢拱架弯矩增加,使得拱部最大弯矩向右侧移动,并改变轴力分布,降低初支结构稳定性。研究结果表明,隧道下穿倾斜煤层采空区地层时,可以不对采空区进行加固,但需要降低围岩级别进行初期支护设计,并采用较短的循环进尺进行隧道开挖,同时缩短上台阶初期支护时间,尽早使初期支护闭合成环,从而降低开挖引起的地层的沉降,保证初期支护结构的稳定性。     

软弱围岩偏压连拱隧道正洞合理施工布局研究

浅埋偏压连拱隧道左右洞的施工顺序和布局对围岩稳定和支护受力影响较大,为了明确浅埋偏压连拱隧道合理施工顺序,本文依托广东省南山路连拱隧道工程,结合现场监测以及数值模拟方法,研究了软弱围岩浅埋偏压连拱隧道左右正洞不同开挖布局时初期支护受力变形规律。通过建立数值模型对先开挖浅埋侧正洞和先开挖深埋侧正洞两种分案下的拱顶沉降、初期支护受力、塑性区分布、中隔墙水平侧向位移及受力等模拟结果的分析,得出:(1)不管采用哪种开挖顺序,先行洞的拱顶沉降均小于后行洞的拱顶沉降;(2)后行洞上台阶开挖后为中隔墙倾斜最为严重阶段,隧道施工完成后中隔墙向浅埋侧倾斜;(3)先行洞的初期支护整体受力较大,后行洞的初期支护受力较小;受力较大的部位一般在先行洞上台阶与中隔墙连接处以及靠近中隔墙侧拱腰处;(4)先开挖浅埋侧正洞方案较优,该方案支护受力变形较小,有利于支护结构的稳定。研究结果指导了现场工程施工,现场监测数据与计算结果较为吻合,研究结论可为类似工程提供参考。     

浅埋偏压连拱隧道施工优化及支护结构安全性分析

两江连拱隧道所穿区域地形偏压严重,且岩体破碎,连拱隧道施工开挖对围岩扰动大,不同的施工方案及施工工序隧道支挡结构受力影响较大,本文结合穿越严重偏压地层的两江连拱隧道为例,基于数值分析方法,对在不同施工工序方案下隧道结构内力、变形及偏压支挡结构力学特征进行分析。研究认为:对于复杂地质条件下浅埋偏压连拱隧道,先开挖浅埋侧隧道后开挖深埋侧隧道的施工顺序,比先开挖深埋埋侧隧道后开挖浅埋侧隧道的施工顺序更有利,先开挖浅埋埋侧右洞时,隧道初期支护结构内力、变形及偏压支挡结构桩的内力均比先开挖深埋侧左洞时小,但不管是采用哪种开挖顺序,深埋侧隧道拱顶位移均大于浅埋侧隧道,内排桩的所受弯矩也均大于外排桩。     

上软下硬地层隧道开挖三维有限元分析

上软下硬地层大断面隧道受力结构复杂,分步开挖对围岩扰动大、风险高。为分析大断面隧道开挖受力特性,探寻分步开挖变形规律,利用MIDAS/GTS NX岩土分析软件建立三维有限元模型,对隧道开挖过程中地表沉降、隧道收敛、锚杆轴力、初支应力受力特性进行研究。通过分析得出,上软下硬地层大断面隧道开挖地表沉降主要发生在上台阶施工阶段,上台阶开挖引起的地表沉降占总体沉降量的97%;硬岩地层大断面开挖台阶间距对地表沉降、隧道收敛、初支结构受力影响不大。研究成果可为上软下硬地层大断面隧道开挖提供借鉴和参考。     

层状围岩中管片衬砌受力特征的模型试验研究

深部层状围岩结构强度具有各向异性特点,此类地层中修建盾构隧道,管片衬砌易受偏压作用,对结构安全构成挑战。开展层状围岩与盾构管片衬砌相互作用关系的相似模型试验研究,研究不同层理倾角下管片衬砌壁后围岩压力、管片衬砌内力和变形分布规律。研究结构表明:管片衬砌受力和变形特征受层理面控制明显,管片衬砌受力极不均匀,弯矩、轴力和变形呈现非对称分布;管片衬砌壁后围岩压力最大值集中在强度最弱的层理面法线方向,该方向上管片衬砌的弯矩最大,轴力最小,变形最大;层理倾角对管片衬砌的受力和变形影响显著,层理倾角不仅影响管片衬砌壁后围岩压力分布形状还影响其量值大小;均质地层中,管片衬砌裂缝主要出在封顶块接头处和其他环向接头处,层状地层中管片衬砌裂缝出现位置受接头位置影响减弱,而受层理倾角影响明显,管片衬砌裂缝出现位置主要集中在层理面法向。研究结果对层状围岩中修建盾构隧道的支护结构型式设计具有一定参考价值。     

浅埋暗挖CD法施工改全断面法施工的隧道计算分析

以沿海某环岛城市商业广场下穿隧道为依托,采用有限元数值模拟的分析方法,分析因下穿隧道开挖而导致的地表沉降、通道衬砌变形、既有管线变形的影响,得到了隧道初期支护轴力图、弯矩图、安全系数图、位移分布图,以及地表处土层沉降位移图。计算结果表明：除上部两个拐角处安全系数低于规范要求,初期支护整体安全系数基本满足规范要求,初期支护的位移满足规范要求。     

既有公路山岭隧道扩建技术及数值模拟研究

依托芜合高速公路试刀山隧道改扩建工程,介绍了改扩建施工方案。通过建立有限元模型模拟开挖过程,分析隧道改扩建过程中围岩的变形,扩挖完成后的拱顶沉降、周边位移的特征,初支的应力变化规律。结果表明,隧道扩挖完成后最大竖向位移12.7mm,初期支护最大弯矩116.2kN·m,中隔撑的最大弯矩为119.2kN·m;采用加中隔撑的扩挖方案可保证施工安全。隧道扩挖施工后隧道开挖量较大的一侧围岩产生的竖向位移大,初期支护弯矩、轴力、剪力均表现出不对称性,扩挖过程中应及时支护、加强监控量测。     

浅埋偏压隧道CRD法施工方案优化研究

浅埋偏压隧道CRD法施工中隔壁偏向和施工工序直接影响到隧道的结构应力分布和变形,甚至影响隧道施工安全。基于隧道施工监控量测对隧道CRD法施工进行反分析和数值模拟分析,结果表明:中隔壁偏向于围岩压力较小侧时,围岩扰动小,塑性区范围小,先开挖隧道浅埋一侧时,隧道的收敛和沉降较小,中隔壁轴力和弯矩较小,有利于隧道的安全施工;当隧道中隔壁偏向围岩压力较大侧或先开挖深埋侧时会对隧道顶部围岩和中夹岩柱产生较大扰动,围岩的收敛和沉降速率增加,中隔壁轴力和弯矩也明显增加,不利于隧道施工安全。因此建议浅埋偏压隧道CRD法中隔壁应偏向围岩压力较小一侧,同时应先开挖浅埋侧。     

超浅埋偏压隧道加固前后施工力学分析

以广东梅河高速公路三断岭隧道超浅埋偏压段为实例,通过有限差分法分析了该段不加固和采用地表钢管注浆并上覆钢筋混凝土盖板加固的施工力学差异。研究结果表明:加固后,初期支护的轴力、弯矩和洞周位移明显减小,但是初期支护的安全系数却增大;加固前后初期支护上最大轴力的位置发生变化,而最大弯矩位置不变;加固前围岩的塑性区出现在隧道的洞周及隧道左侧,极易发生滑坡,而加固后塑性区变小;通过加固前后的施工力学分析,位移监控的重点为靠山侧,而结构内力的重点监控为靠河侧。