不对称连拱隧道施工工序优化数值模拟分析

为了研究不对称连拱隧道的施工与受力情况,以兰海高速孟家磨不对称连拱隧道为工程背景,通过对隧道施工过程进行数值模拟,以及对两种不同施工工序下围岩和支护结构的受力及变形情况进行对比分析,结果表明,先施工小断面隧道时的拱顶沉降、初期支护应力、中墙水平位移及应力、二次衬砌的应力基本都小于先施工大断面隧道时产生的位移及应力值,并且大断面隧道一侧的中隔墙与拱脚相接处的压应力比较大,先施工小断面隧道较为安全可靠,可为今后类似工程设计及施工提供参考和借鉴。     

大断面隧道双侧壁导坑法数值建模及力学特性分析

依托广西百色达康隧道实际工程,简化隧道施工模型,通过FLAC 3D数值模拟软件构建了隧道施工动态三维模型,模拟了大断面隧道采用双侧壁导坑法施工流程,得到在不同施工步骤时隧道围岩应力、变形,以及隧道衬砌的轴力、弯矩变化情况,探究动态施工过程中围岩变形规律和支护结构受力变化规律,并且分析了隧道向前掘进时距掌子面不同距离的断面拱顶、拱底的变形量,分析了其变化规律,对双侧壁导坑法施工时超前支护与施工量测具有参考作用。数值分析结果表明,隧道开挖过程中隧道拱顶底达到竖直位移极值,左、右拱腰处产生水平位移极值;隧道开挖对前方围岩影响范围大约为隧道跨度;隧道衬砌轴力与弯矩最大值均出现在左侧导洞初期支护中期支护中部偏上,二衬拱脚两侧和隧道洞室顶部和仰拱处,所受内力较大。     

半成岩隧道斜井结构受力分析及参数优化研究

结合某隧道斜井穿越半成岩的建设背景,采用数值模拟手段对隧道斜井支护结构初支钢构件受力、初支混凝土受力及二衬结构受力进行系统分析,进而提出相关参数优化的建议,结果表明,受施工工艺影响,初期支护在钢构件接头位置存在相对明显的应力集中现象,为结构的相对软弱薄弱点,宜采用锁脚管棚进行加强;受结构拐角影响,初支混凝土在拱脚位置可能出现外表面局部拉裂现象,施工过程中宜采取加劲肋等形式加强该部位的拱架连接质量;隧道斜井初支钢构件未屈服、初支喷射混凝土未产生横向贯缝、二次衬砌的安全系数在规范允许范围内,隧道支护结构的整体可靠性有所保障。     

砂卵石隧道施工力学效应数值分析

为了研究砂卵石隧道施工过程中支护结构的受力特征,本文借助数值模拟手段,对砂卵石地层隧道力学效应进行了详细分析。研究发现:(1)初期支护在施工过程中出现了应力集中,拉应力集中主要发生在拱顶、拱腰位置;压应力集中主要发生在拱脚、拱顶和拱腰位置。(2)随着施工的推进,应力一直在积累增加,同时压应力和拉应力最大值出现的位置主要在拱脚和拱顶处。其中压应力最大值由拱顶到拱腰再到拱脚,即由上往下转移,并且在下台阶支护施做后,拱脚处压应力突然增大。     

偏压隧道施工方案选型及地质灾害评价

针对偏压隧道施工方案会引发地质灾害的问题,结合某公路扩建项目偏压隧道区段,基于偏压隧道施工引发地质灾害的评价结果,采用FLAC软件模拟偏压隧道2种典型断面初衬施工工况,计算分析各断面隧道的竖向位移、水平位移、混凝土衬砌层弯矩与锚杆轴力。结果表明,偏压隧道进出口拱顶、侧脚部位和拱底受力较大,拱顶和拱底部位竖向位移最大,拱左下脚水平位移最大,施工时应加强这些部位的支护措施。     

黄土隧道洞口段支护结构的力学特性分析

为了解浅埋偏压黄土隧道洞口段支护结构的受力状况,对刘家坪2^#隧道洞口段围岩压力、钢架应力、喷射混凝土应力、纵向连接筋应力、锚杆轴力及拱部下沉进行施工监测,并采用有限元法对隧道支护结构进行计算分析。结果表明：在浅埋偏压条件下,黄土隧道拱部发生了平面偏移,拱顶下沉量大于净空收敛量;围岩压力分布呈不对称猫耳状;钢拱架左侧轴力大于右侧轴力,总体受力很大,在支护体系中作用很明显;拱部和边墙喷射混凝土处于受压状态,而底部多为拉应力;拱部系统锚杆对结构的稳定性作用不大,而锁脚锚杆对结构的稳定性有一定的作用;纵向连接筋受力非常大,对隧道整体的稳定性很有利;应取消黄土隧道洞口段系统锚杆,采用由钢拱架、钢筋网、锁脚锚杆、喷射混凝土、纵向连接筋组合形成的初期支护结构。     

高含水量土质隧道不设系统锚杆的试验研究

鉴于土质隧道施工方法、支护时机、施工工艺等对系统锚杆支护效果的影响,及高含水量土层中锚杆成孔困难、注浆效果差、抗拉拔力低等缺点,提出在高含水量土质隧道中不设系统锚杆,初期支护采用“型钢拱架＋喷射混凝土＋钢筋网＋锁脚锚管＋纵向连接筋”组成的新型支护结构。为了评价这种新型支护结构的受力、变形特性以及衬砌结构的可靠性,在天恒山隧道Ⅵ级围岩段设置了两个监测断面,对隧道初期支护的拱部下沉、净空收敛、围岩压力、喷射混凝土应力、型钢拱架应力、纵向连接筋应力等进行监控量测。监测结果表明,不设系统锚杆时,隧道支护结构的变形和受力均在允许范围之内,初期支护工作状态良好。不设系统锚杆,可缩短工期和降低工程造价,具有着显著的经济价值和社会效益。     

堆积体隧道围岩及支衬体系空间力学特性

为研究堆积体隧道围岩和支衬体系受力空间变化规律,采用三维弹塑性有限元法模拟隧道施工过程,得到了洞室周边围岩和支护结构应力随掌子面开挖的变化过程。结果表明,隧道开挖对不同部位围岩扰动大小存在较大差异,扰动后拱部围岩应力强度较小,拱脚和边墙围岩应力强度最大,仰拱围岩应力波动较大但量值总体偏小;管棚在隧道开挖前后受力状态发生明显改变,支护和衬砌过程中有微小波动;拱部系统锚杆对于维持围岩临时稳定发挥了一定作用,但其作为永久支护对围岩长期稳定作用不大,锁脚锚杆在下台阶开挖以及隧道长期稳定方面均发挥了重要作用;初支拱部受拉、边墙和拱脚受压显著,其中拱腰、拱脚分别为拉、压控制性截面;与钢筋混凝土强度相比,二衬受力较小,具有较大的强度储备。     

高地应力软岩隧道圆形断面扩挖施工围岩及支护受力特征研究

针对高地应力软岩隧道开挖时围岩大变形问题,以某隧道圆形扩挖段为背景,采用三台阶法施工和3层初期支护+小导管注浆+二次衬砌的复合结构支护,并通过现场监测、数值模拟和理论计算研究开挖过程中的围岩变形及支护结构受力。结果表明:上、中台阶开挖时的隧道围岩变形速率较大,在仰拱封闭和第3层初期支护施作完成后,隧道变形趋于稳定;采用3层初期支护结构可有效改善隧道周边围岩应力,3层初期支护基本都是受压结构,拱腰和边墙处竖向应力最大,拱顶处水平应力最大;二次衬砌拱腰、拱顶、拱脚和边墙处安全系数均大于规范要求,保证隧道结构安全。     

分水界隧道偏压段衬砌受力分析

高速公路隧道洞口段常存在浅埋、偏压等不利因素，在进行隧道结构设计时需要特别考虑。文中针对分水界隧道洪江端V级围岩浅埋、偏压段隧道衬砌结构，选取典型断面，运用有限差分软件FLA^2D进行数值计算，分析了隧道支护结构的受力特征，进行了支护参数的检算与调整。计算结果表明，除隧道拱脚处受力最为不利外，其余截面受力较小，设计采用的支护参数满足安全性要求。     

基于参数化建模思想的四心圆公路隧道洞形优化

合理的四心圆公路隧道断面形式有助于改善衬砌结构的受力状态,减少复合式衬砌的开裂病害,提高隧道结构的耐久性。该文通过Ansys软件APDL参数化编程平台,基于“曲率连续”的设计思想,构建了拱脚区局部洞形几何尺寸参数化建模方程,建立了锚杆加固区等效力学参数计算方法及数值模拟模型,揭示了四心圆公路隧道拱脚区域局部洞形参数设计对衬砌结构内力的影响规律,结合实际工程研究显示：隧道拱脚弧与中墙弧的半径和长度对于隧道复合式衬砌结构内力的影响较明显,增大拱脚弧半径对于抑制衬砌结构内塑性区发展的效果最为明显;为了减小衬砌结构的开裂风险,提出采用衬砌拉应力为控制目标进行局部形状优化思想,通过中墙弧圆心角θ₂、拱脚弧圆心角θ₃及中墙弧半径R₂对衬砌结构内力极值的敏感性及影响规律分析为皮家岭隧道洞形优化提供了理论依据。     

一种无中导洞连拱隧道衬砌开裂原因分析及结构优化

为解决传统连拱隧道中导洞法施工工序繁琐、结构受力转换复杂等问题,云南某隧道采用了一种无中导洞连拱隧道,其后行洞钢拱架焊接于先行洞钢拱架,使初期支护相互搭接形成了连拱隧道中墙,从而避免了中导洞开挖,但在隧道施工中,先行洞二次衬砌左侧起拱线至左拱腰出现了大量纵向与斜向裂缝。结合隧道实际地质和施工状况,运用Flac3d建立了地层-隧道结构数值模型,研究分析了初期支护各自独立封闭成环和初期支护搭接处界面特性对无中导洞连拱隧道衬砌开裂的影响。结果表明:后行洞初期支护独立闭合成环时,即使初支结构之间产生了一定的滑移,隧道衬砌结构仍处于安全状态;后行洞初期支护未独立闭合成环时,搭接处会产生较大的相对滑移,初期支护承载力不能充分发挥,难以有效控制围岩变形和塑性区发展,先行洞二次衬砌承受了较大的围岩荷载,其左拱腰内侧边缘拉应力远超过了衬砌混凝土的抗拉强度,由此造成了左拱腰处衬砌开裂。因此,为避免无中导洞连拱隧道衬砌出现裂缝,建议在设计中应使连拱隧道初期支护各自独立闭合成环,合理加强中墙位置初期支护结构,施工中对关键施工环节、关键受力部位采取有效控制措施,保证支护结构的整体承载力。     

逆断层错动对公路隧道影响研究

根据依托工程某隧道相关地质资料,运用FLAC3D有限差分软件建立穿越逆断层破碎带隧道数值模型,针对不同断层错距,分析逆断层错动作用下隧道衬砌受力与变形规律,得出衬砌破坏形式。结果表明衬砌强烈变形集中在断层两侧各20m范围内,衬砌受力集中位置在断层与上盘交界处,其中拱脚处压应力集中,拱腰处剪应力集中,拱顶和仰拱受到纵向应力方向相反,衬砌结构破坏形式是拉张—挤压和剪切组合破坏,研究成果可对类似工程设计与施工提供参考。     

弁山大断面隧道软弱破碎围岩加固技术

应用有限元方法对弁山隧道软弱破碎围岩加固效果进行数值模拟,对比分析了不同工况下隧道围岩与结构位移、围岩应力、围岩塑性区、初期支护和二次衬砌受力等指标。结果表明,应采取对拱圈和隧底围岩进行全面加固的技术方案,并对拱脚进行重点观测。研究成果可供类似大断面软弱破碎围岩隧道参考。     

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。     

水平泥岩砂岩互层隧道支护体系力学特性试验研究

公路隧道穿越水平泥岩砂岩互层施工过程中支护体系力学特性较为复杂,通过开展大梁峁特长公路隧道水平泥岩砂岩互层段支护体系现场试验,研究水平泥砂岩互层段隧道初期支护中的锚杆轴力、围岩压力,钢架应力、混凝土应力及支护变形,二次衬砌中接触压力和混凝土受力特征。分析表明：拱部锚杆作用明显,边墙锚杆受力较小,建议锚杆由拱部160°减少至拱部120°,同时适当增加拱部锚杆;围岩压力在断面开挖后7d时间内已基本达到最大围岩压力的80％左右,说明在该种岩层中隧道开挖后围岩压力释放较快;水平泥岩砂岩互层关键控制点在拱部位置,边墙部位的支护结构无论从受力还是变形来说均较小;研究成果可为水平层状岩层隧道及类似工程的修建提供参考。     

煤系地层公路隧道衬砌结构分析和设计

以高平至陵川高速公路郭家川2号煤系地层隧道为依托工程,利用ANSYS对衬砌结构进行了数值模拟,研究了煤系地层公路隧道衬砌结构的应力应变特征和变形规律。研究表明:煤系地层的地质构造和节理特征对隧道衬砌结构受力和变形有重要影响;隧道侧压力系数对衬砌结构的内力影响很大;衬砌结构拱脚和拱顶处弯矩很大,应力集中系数大,拱脚和拱顶处应作为结构安全性监控、隧道设计与施工控制性部位。     

无中导洞城市连拱隧道施工工法分析研究

为确定无中导洞城市连拱隧道施工工法的适宜性,基于工程地质条件,采用数值模拟手段,研究了无中导洞连拱隧道开挖过程围岩竖向位移及隧道水平位移情况,对无中导洞连拱隧道围岩、衬砌结构等在不同开挖步时的力学特征以及隧道加强区受力机理进行分析,并模拟了加强区底部锚杆注浆及拱腰拱脚处搭设锁脚锚杆并注浆等加固措施。结果表明:隧道开挖后中部加强区隆起明显,这对于隧道中部加强区混凝土的稳定相当不利,应该采取控制隆起的措施;上台阶开挖时,拱脚处衬砌受力较大,宜将直角改为圆角以减小弯矩。开挖完成后,中部加强区底部的衬砌几乎处于纯弯状态,有必要提高该区域初衬厚度;对加强区底部岩体进行锚杆注浆加固的效果较好,能有效减少拱底隆起和初衬受力,同时对保持中部加强区混凝土的稳定也有较好的效果;在拱底和加强区底部搭设锁脚锚杆,特别是在加强区底部的锁脚锚杆对维持混凝土加强区的稳定有较大作用。     

基于FLAC~(3D)的隧道单层衬砌结构力学特征研究

为了研究单层衬砌结构力学特征,采用了FLAC~(3D)有限差分软件,利用软件内置的接触面单元(interface单元)对不同结构层的层间接触效应进行了模拟。以巴哈高速公路东天山隧道2~#斜井工程为工程背景,建立了不同衬砌结构型式下考虑层间接触效应的数值仿真模型,分析了现场Ⅳ级围岩条件下的单层衬砌结构力学特征及其围岩稳定性,并与原复合式衬砌支护设计方案进行了对比。研究结果表明:(1)FLAC~(3D)模拟计算中采用接触面单元(interface单元)施加于不同结构层之间,可模拟衬砌结构不同层间接触形式的相互作用,较好地反映层间接触面的力学特征及位移特性;(2)对于受力性能而言,单层衬砌结构以组合梁承载模式进行承载,衬砌结构内力呈现"小弯矩、大轴力"的分布特征,衬砌结构截面应力以压应力为主,可充分发挥混凝土材料的受压性能;(3)由于单层衬砌结构具有良好的层间接触性能,不同结构层可实现"协同受力、共同变形",使其承载模式优于复合式衬砌,能以较小的结构厚度满足隧道支护要求,因此单层衬砌具有较高的经济性;(4)单层衬砌隧道拱腰、拱脚及边墙底部YAI值较小,围岩稳定性较差,易发生失稳,现场施工时应对上述部位加以防范。     

基于围岩浸水的黄土公路隧道衬砌开裂分析

针对甘肃省境内某黄土公路隧道的衬砌开裂现状,采用统计分析的方法对隧道衬砌裂缝的分布特征进行了系统研究;通过有限元数值模拟,详细分析了多种围岩浸水工况下隧道结构的变形规律和应力特征,并将数值模拟结果与隧道现场裂缝分布特征进行对比,给出了围岩浸水恶化条件下衬砌结构开裂的原因、规律和特征。研究结果表明:地表水通过土体裂缝入渗是衬砌开裂的主要原因,衬砌裂缝主要分布于拱部和边墙;围岩发生浸水后,浸水范围内的土体强度降低,失去承载力,隧道上部围岩下沉,挤压衬砌结构;随着围岩浸水范围的扩大,隧道结构的受力与变形状态逐渐恶化,结构呈压扁趋势且产生偏压,引起拱部内表面被拉裂,边墙内表面由于局部压应力过大产生开裂;拱部开裂先于边墙且开裂情况最为严重,隧道上下行线相邻两边墙衬砌开裂情况较另外两边墙严重,数值模拟结果与现场衬砌裂缝特征基本吻合;在相似工程条件的黄土隧道设计时,应加强隧道拱部结构的抗拉性能和边墙结构的抗压性能。