隧道衬砌外水压力确定的渗流场-应力场耦合模型研究

论述了国内外计算隧道衬砌外水压力的折减系数法和渗流场计算方法。分析了公路隧道围岩渗流场-应力场的耦合机理,并以此建立了计算外水压力的数学模型。同时提出了一种简化模型来表示两场的耦合本构关系,并给出了计算公路隧道衬砌外水压力的有限元方法步骤。     

围岩空洞对公路隧道渗流力学特征的影响分析

以雅安至西昌高速公路土山岗2号隧道工程为依托，基于流-固耦合作用机理，运用有限差分软件FLAC3D进行数值模拟分析，探究了二次衬砌背后不同位置出现空洞情况对二次衬砌应力场、二次衬砌背后孔隙水压力以及围岩渗流场的影响规律。研究结果表明:隧道衬砌背后存在空洞时，渗流场不均匀分布，围岩孔隙水压力较无空洞状态明显减小，折减幅度与空洞位置无关。空洞处的二次衬砌主应力增大，当空洞位于隧道拱顶、拱脚位置，增加幅度最大。其衬砌结构的最大主应力位置从仰拱内侧转移到了空洞位置处。衬砌结构的最小主应力均出现在隧道拱脚内侧，未受空洞位置影响。     

Elastoplastic Analysis of Surrounding Rocks of Subsea Tunnel Considering Seepage

基于双剪统一强度理论,推导圆形海底隧道围岩在流固耦合作用下的应力场、位移场、塑性区半径、围岩特性曲线方程的解析解.通过计算表明:由于海底隧道通常位于高水压富水区,很高的孔隙水压力和渗水压力会降低隧道围岩的有效应力,使地层的成拱作用和稳定性降低;中间主应力对海底隧道围岩的应力场、位移场、塑性区半径都有一定的影响,考虑中间主应力效应有利于充分发挥围岩的自身强度;在海底隧道的围岩稳定性分析和衬砌结构设计中,合理地考虑渗流作用以及围岩材料的中间主应力效应是必要的,选用符合岩体自身实际的强度准则是正确进行岩石工程力学分析的基础.通过选用不同的中间主应力效应系数和不同的有效孔隙水压力系数,可以使本研究结果适用于各种工程实际情况,并对海底隧道围岩稳定性的判别、支护结构的设计以及预注浆范围的确定具有一定的工程实用意义.     

安平隧道衬砌水压力分析

湖南龙琅(涟源市龙塘镇—新化县琅塘镇)高速公路安平隧道地质构造复杂,施工中屡次出现岩溶突水。为保障隧道的安全,文中对该隧道衬砌水压力分布进行分析。结果表明,隧道衬砌结构承受的水荷载和静水压力荷载的作用机制不同;隧道渗流场与围岩和衬砌材料的渗透系数相关,同时受围岩加固圈及加固体渗透系数的影响;荷载大小因渗透系数的改变而改变,渗流场的分布与水压头有关。     

高压富水区山岭隧道施工注浆堵水技术研究

为了保障高压富水区山岭隧道施工安全,现场经常采用注浆堵水措施,而目前隧道注浆堵水时地下水渗水量和支护结构外水压力变化特性尚有待于进一步研究。依托南大梁高速公路华蓥山隧道工程,基于复合式衬砌山岭隧道"堵水限排"的防排水理念,采用理论分析和数值模拟方法,分析了高压富水区复合式衬砌山岭隧道围岩注浆堵水时地下水渗流场特征,推导了高压富水区山岭隧道采取注浆堵水时隧道渗水量和支护结构外水压力的计算公式,得到了隧道渗水量及支护结构外水压力与注浆圈厚度、围岩和注浆圈渗透系数之比及围岩和初期支护渗透系数之比间的关系。研究结果表明:高压富水区山岭隧道注浆堵水时,隧道渗水量和支护结构外水压力的主要控制因素为:注浆圈厚度、注浆圈及初期支护的渗透系数;隧道渗水量和支护结构外水压力随着注浆圈厚度的增加及其渗透系数的减小而降低,综合考虑注浆堵水效果及施工成本,建议注浆圈厚度为6～8 m、围岩与注浆圈渗透系数之比为100～200时较优;高压富水区山岭隧道防排水系统设计,需要考虑注浆圈和初期支护堵水作用以及横纵向排水管排水效果,即综合防排水设计才可以减小排水量,有效降低支护结构外水压力。研究所得隧道注浆堵水的相关参数成功应用于实际工程,为高压富水区隧道工程注浆堵水设计与施工提供了一定的参考。     

黄土公路隧道富水段支护结构的受力特性分析

为了解黄土公路隧道浅埋富水段围岩压力及衬砌受力的特性,对甘泉隧道富水段一次衬砌和仰拱围岩压力、钢拱架应力、一次衬砌和二次衬砌接触压力以及仰拱和二次衬砌混凝土的应力应变随时间变化规律进行施工检测.结果表明:围岩与一次衬砌接触压力分布不均匀,边墙底部表现出了较大压力,钢拱架受力分布不均,但总体上受力很大,最大应力已接近钢材...     

注浆压力作用下隧道围岩变形规律与安全控制

注浆是隧道围岩加固与涌水封堵的主要技术手段,当围岩较为破碎且自稳能力较差时,注浆过程中若采取了不合适的注浆压力,极易造成围岩大变形甚至塌方等次生灾害。基于渗流-应力耦合理论,选取典型隧道开挖断面,建立注浆作用下渗流场与应力场数学模型,运用COMSOL多物理场耦合软件分析注浆过程中注浆压力作用下隧道围岩的变形规律。结果表明,围岩等级为Ⅴ时,注浆过程中注浆压力不断向隧道周围地层中扩散与传递,渗流场、应力场分布随注浆孔深度增加呈现衰减趋势; 随着注浆压力的提高,应力发生急剧变化,并不断地向围岩深部转移; 注浆初期,围岩变形速率急剧上升,注浆后期围岩变形速率下降,且变形量趋于稳定。依托具体工程实例,提出了合理选择注浆压力的控制技术,保证了围岩的稳定和安全。     

不同应力场下软弱围岩公路隧道的力学特征试验

运用自行研制的用于地质力学模型试验的隧道开挖工具,系统地开展了基于先加载后开洞思路的不同应力场公路隧道模型试验,研究了开挖对不同应力场公路隧道围岩应力分布的影响,分析了不同初始应力场公路隧道结构的受力特点.试验结果表明:隧道开挖后,不同应力场洞周各部位径向压力松弛程度不同;施作衬砌之后,不同应力场洞周各部位径向压力回升程度也不同;除在拱顶、拱底方向围岩与衬砌接触压力随着侧压力系数的增大而略有减小外,其他各方向均随侧压力系数的增大而增大,且影响较明显;应力场对衬砌结构切向应力影响也很大.     

富水区城市公路隧道中隔壁法各开挖步力学特征研究

以深圳东部过境高速公路连接线工程为依托,基于应力场-渗流场耦合的数值模拟方法,研究富水区城市公路隧道中隔壁法各开挖步力学特征。结果表明:中隔壁法各开挖步骤的围岩主应力变化特征明显,隧道目标面围岩总体受压,在隧道两侧拱腰至拱脚处存在较为明显的压应力集中现象,而拱底及掌子面则出现少量拉应力集中;不同开挖步拱脚处初期支护应力最大,拱腰、拱肩和拱顶处应力量值较为接近,而拱底处应力最小;初期支护受力随隧道开挖进程变化幅度较小,初期支护具有一定的安全储备;各径向特征点水压力均呈现从注浆圈外侧至初期支护外侧逐渐减小的趋势,而各环向特征点水压力由拱顶至拱底逐渐增大;对于作用于初期支护上的水压力值,数值计算结果稍大于不考虑开挖影响的理论预测值,表明中隔壁法隧道施工各开挖步对衬砌背后水压力大小及分布规律有一定影响。     

隧道穿越富水断层围岩稳定性流固耦合研究

围岩稳定性和结构安全一直是富水区山岭隧道修建过程中的热点问题,长期受到学术界和工程界的关注。以罗汉坡公路隧道穿越F5富水断层为依托,建立三维流固耦合数值力学模型,模拟施工全过程,研究围岩变形特性、力学响应、渗流场、能量集聚,以及衬砌结构位移。研究结果表明:掌子面前方围岩出现高水压积聚现象,应进行超前1D(D为隧道跨度)钻孔排水,降低掌子面前面水压集聚程度;掌子面前方有效影响挤出变形的距离为0.5D。由于断层及其前后围岩刚度差异,衬砌沿纵向发生不均匀变形,断层前、后10 m范围内衬砌应加大配筋,防止结构压剪破坏,提高衬砌整体稳定性及降低运营阶段风险。研究成果直接指导罗汉坡隧道F4断层的施工,也可为今后富水地层类似隧道及地下工程设计、施工提供参考和借鉴。     

含水率差异对膨胀性红黏土隧道施工力学行为的影响

膨胀性红黏土因其特殊的水敏性,使得自身遇水膨胀,是造成隧道围岩失稳的重要原因。 为建立含水率与膨胀率的关系,从 而明确含水率变化对大断面膨胀性红黏土隧道及支护结构受力变形的影响,以银西高铁庆阳膨胀性红黏土隧道为研究背景,通过 现场监测确定围岩含水率波动范围;结合室内试验建立含水率与膨胀性和抗剪强度的对应关系;将土体含水率变化条件下的膨胀 关系同材料受热膨胀特性进行联系,利用ABAQUS内置的温度应力场模拟湿度应力场,分析不同含水率作用下隧道围岩压力、衬砌 结构内力与变形量值的重分布规律。 结果表明: 开挖后不同含水率最终趋于饱和时,随着初始含水率的降低,围岩及支护结构受 力增大,仰拱与拱脚处相对位移提高,拱顶、拱腰与边墙处相对位移降低,整体安全系数逐渐降低;对开挖后洞周平均含水率20.7% 而言,最终趋于饱和时围岩压力安全系数为2.2,衬砌安全系数为1.1,围岩相对位移为0.97%;相比于围岩压力和衬砌结构受力, 含水率变化对洞周围岩变形影响最大;基于特殊地质情况,建议将隧道预留变形量提至150~180 mm。     

青岛海底隧道围岩应力场与渗流场相互作用数值模拟

青岛海底隧道工程海域段穿越断裂破碎带,岩体呈碎裂结构,岩质软硬不均。为对岩体渗流场与洞周围岩开挖二次应力场二者间进行相互作用分析,应用非线性有限元程序ABAQUS检算施工期海底隧道开挖和衬护结构施作后,围岩体渗流场与隧道开挖二次应力场间的相互作用,得出围岩体渗流场、应力场的分布规律、洞周围岩塑性区的分布和范围,为海底隧道工程提供设计、施工依据。     

引水洞爆破施工对既有隧道衬砌的影响分析

某铁路隧道建成运营后,受溶洞区域水压大的影响,岩溶核心段出现衬砌渗漏水现象。为了解决衬砌渗漏水问题,通过在正洞顶部施作引水洞,截取岩溶水,减小作用在隧道衬砌周围的荷载。本文结合某铁路隧道引水洞爆破施工,通过从爆破震动、结构变形等动态监控和土压力、型钢应力、混凝土应变等静态监控,分析引水洞施工期间正洞衬砌结构受力和变形情况,得出爆破震动速度和结构受力都控制在允许标准以内,并且隧道结构变形很小、结构受力相对稳定,说明引水洞施工对正洞衬砌结构影响小,保证了运营线的安全。     

深埋隧道注浆加固围岩非达西渗流场及应力场解析

深埋高水压地质环境下,隧道围岩内部往往伴随出现非达西高速渗流现象,且新奥法理念下的注浆加固围岩是隧道支护体系的重要部分,这2个因素对围岩内部渗流场及应力场的影响不可忽视。为此,建立含有注浆加固围岩的两场耦合解析模型,基于有效应力原理严格推导隧道围岩非达西渗流场及有效应力场解析解,通过与达西渗流的对比说明非达西渗流特征并验证解析解的有效性;根据解析理论对非达西渗流效应及注浆加固对围岩有效应力场的影响规律进行分析。研究结果表明:非达西渗流效应的主要影响范围为隧道开挖半径至3倍注浆半径内围岩,注浆加固范围内围岩有效应力相比达西渗流偏大,尤其是环向有效应力;注浆加固前后围岩力学和渗透性质发生改变,使得环向有效应力在加固边界处突变,指向隧道方向大幅增加,注浆范围内围岩有效应力随着加固后弹性模量的增大而升高,随着加固后渗透系数的减小而有所下降;针对需要严格控制排水量的隧道,注浆设计时建议优先降低注浆范围内围岩渗透系数,其次再适当加大注浆范围。研究结果可为深埋高水压隧道注浆加固设计提供理论依据。     

石膏质岩隧道新置换衬砌结构受力特征研究

为分析石膏质岩隧道衬砌结构置换施工后的受力特征,依托杜公岭隧道病害处治工程实例,在隧道病害处治施工阶段和运营阶段对6个不同病害现象的典型断面新置换衬砌结构的初期支护变形、初期支护钢架应力、初期支护-围岩接触压力、初期支护-二次衬砌接触压力等进行为期2.5年的现场测试。测试结果表明:在新置换初期支护单独承载的3~5个月时间内,初期支护的变形速率和变形量均较小,其中5个测试断面的拱顶沉降和周边收敛量最大,其分别为6.8,6.4mm;新置换初期支护钢架应力较小并且在二衬浇筑后较短时间就达到稳定状态,其中64处测点(总计72处)应力小于100 MPa;边墙芯样发现石膏、硬石膏成分的断面在二次衬砌浇筑后的26个月内,其边墙或拱顶测点的初期支护-围岩接触压力和初期支护-二次衬砌接触压力仍有明显变化,其中个别测点经过10~20个月才能达到峰值,另有个别测点在3~8个月到达峰值后受干湿交替环境影响会出现变化;综合分析认为,杜公岭隧道衬砌结构主要受到围岩中硬石膏的膨胀作用,石膏的吸水软化作用不明显,其围岩压力具有缓慢发展的特点,新置换二次衬砌承担了主要的围岩压力,新置换初期支护安全性较高;建议石膏质岩地层隧道二次衬砌不宜过早施作或者初期支护与二次衬砌间设置缓冲变形层,以充分发挥初期支护的承载力、减小二次衬砌承担的围岩压力。     

基于现场实测的深埋风积沙隧道围岩压力计算方法研究

风积沙作为一种黏聚力低、自稳能力差的不稳定围岩,给隧道设计和施工带来很大困难。 为探究风积沙围岩压力大小和分 布规律,依托蒙华铁路王家湾隧道开展现场量测试验,根据实测的围岩压力分布特征,得到深埋风积沙隧道的围岩压力计算模式, 并通过数值计算分析与现场量测数据对比验证其合理性。 研究结果表明: 深埋风积沙地层围岩压力分布很不均匀,但普遍拱部较 小,初期支护大部分处于受压状态。 计算分析得深埋风积沙隧道围岩压力采用太沙基计算公式是较为合理的,进一步优化得深埋 风积沙隧道垂直方向围岩压力计算图示采用“双峰”形分布,水平方向围岩压力计算图示采用“阶梯”形分布,相比铁路隧道设计规 范的传统模式更安全,与实际衬砌受力状态更符合。     

大断面上新统红色泥岩（NCr2）隧道支护受力特征研究

甘肃庆阳新近纪上新统红层由于特殊的成因,其工程力学特性与南方红黏土有较大差别。为系统研究穿越该地层大断面隧道支护结构的受力特征，以银西高铁庆阳隧道为研究对象，通过现场实测和有限元模拟获得衬砌结构内力、围岩压力、5~10 m围岩深部位移、支护收敛变形的时空分布特性，对现场监测结果体现的衬砌-围岩复合结构受力状态产生的原因进行分析，并利用ABAQUS软件模拟隧道开挖过程以对比验证衬砌结构受力规律，得出该地层隧道地应力、围岩压力、衬砌结构内力特征。研究结果表明： 1）围岩各项指标属于极硬土-极软岩临界范畴。2）该地层衬砌结构围岩质量较好，水平地应力为垂直地应力的2倍，可优化为Ⅲ-Ⅳ级围岩进行设计的同时增大侧压力系数。3）未闭合的初期支护不能有效限制围岩变形，可通过设置临时仰拱等措施改善受力状态；数值模拟结果与现场实测规律相符。4）该地层变形剧烈区为洞周开挖界限向围岩内1倍洞径范围，变形区域主要集中在拱顶；延迟开挖仰拱可有效减少仰拱内衬砌结构受力。     

富水隧道施工期及运营期衬砌结构力学特性研究

以米亚罗3号隧道为依托工程,首先通过现场实测应力监测数据,对米亚罗3号隧道施工期支护结构应力的演变规律进行了分析研究;然后进一步借助数值分析软件,对不同初始水头高度下,米亚罗3号隧道运营期间围岩和衬砌结构的力学特征进行了研究。应力监测结果表明:隧道上台阶开挖后,拱顶和拱肩处的围岩-初支接触压力、钢拱架应力和外水压力迅速增大,约在30~40d后趋于稳定;下台阶开挖后,拱腰处的接触压力、钢拱架应力和外水压力快速增长,约在30~50d后趋于稳定;随着下台阶的开挖,拱肩处的围岩-初支接触压力再度缓慢增长,而钢拱架应力则明显下降;二衬施作后,其内力快速增长,并在20d后趋于稳定。数值模拟结果表明:当初始水头高度增加时,运营期间米亚罗3号隧道的洞周位移、二衬内力和外水压力均成一定比例的增加;隧道变形主要为竖直和水平方向的挤压变形,最大位移发生在拱底;相对于无地下水的情况,地下水的存在会影响衬砌弯矩分布,导致弯矩最大截面从拱顶转移至拱脚;衬砌所受外水压力在拱底处最小,其余部位分布较为均匀;随着初始水头的增大,拱腰和拱脚背后围岩的塑性区范围会明显增加。