新建隧道建设中下穿既有高速公路施工的力学探讨

基于河北某下穿高速公路的新建隧道工程,对其在施工过程中的受力及围岩稳定性进行了研究,通过围岩参数、围岩、覆盖层厚度、施工方法的二维和三维有限元计算。结果表明,各种计算工况表明支护结构和围岩稳定,能满足结构受力和围岩稳定的要求;采用三台阶法能能达到结构受力和围岩稳定的要求。随着开挖的不断增加,结构水平位移和竖向位移均随之增加,开挖时各台阶均有急骤增加趋势。围岩最小主应力和最大主应力随埋深的增大而上升,但是影响程度不大;初期支护最小和最大主应力均随埋深的增大而显著增大,围岩塑性区范围也随之增大,在埋深大于305 m后趋于稳定。通过现场监控量测,在施工过程中,对支护结构工作状态及时掌握,确保隧道施工质量及安全,现场监测表明隧道结构安全稳定。     

考虑地下水影响的软岩隧道力学特性及施工对策研究

为深入分析地下水影响下的软岩隧道力学特性及施工技术,本文选取某软岩隧道为依托工程,全面总结分析其工程特性,利用数值模拟手段对比分析自然状态和浸水状态下初期支护、围岩的应力应变特性,并有针对性的提出施工对策。研究结果表明:软岩隧道围岩中亲水矿物成分遇水后产生膨胀,导致隧道初期支护产生开裂、渗水、基底隆起、错台等病害;软岩隧道浸水状态下初期支护第一主应力、围岩塑性区、初期支护竖向位移有较大幅度的增加,其导致隧道支护结构受力分配极不均衡;采用增设锚注支护、调整支护结构参数等措施可有效控制初期支护、围岩的变形,提高隧道整体稳定性。研究成果可为类似工程的设计、施工提供技术支撑。     

基于现场实测的隧道初期支护受力模式分析

为研究隧道初期支护的受力模式,以蒙华铁路在建隧道为工程依托,开展隧道洞周位移和初期支护受力状态的现场测试。结果表明:1)初期支护普遍受压,结构处于小偏心受压状态;2)隧道洞周位移收敛值较小,且隧道整体向净空侧变形,与初期支护普遍受压的受力模式一致;3)洞周位移、锚杆轴力和初期支护的受力状态均不符合塌落拱式的受力模式,而符合围岩与支护相互作用而产生的形变压力特征;4)格栅钢架对结构的抗压-剪承载力贡献非常小,初期支护斜截面的抗剪强度主要由混凝土控制,格栅钢架的作用仅是在混凝土开裂后提供峰后韧性。     

隧道锚与隧道上下毗邻协同施工力学行为分析

为确定隧道锚与隧道上下毗邻协同施工最佳的施工工况,依托翁开高速四坪隧道工程,利用数字模拟手段对围岩竖向位移、塑性状态和初支内力进行分析,对比分析了三种不同工况下的围岩位移、塑性状态和初支内力的情况。结果表明：采用先施工主隧道再施工隧道锚,围岩的竖向位移最大;当采用先施工隧道锚再施工主隧道时,围岩的竖向位移最小还能有效减小塑性区范围,随着土体黏聚力的增大总体位移值和塑性区范围减小;上、中台阶支护连接部位内力较大,因此,应适当采取初支加强措施,保证在施工阶段支护的稳定性。     

浅埋双侧偏压小净距隧道开挖稳定性分析

为了研究浅埋双侧偏压小净距隧道开挖后围岩变形及支护结构受力分布规律,以某高速公路隧道为依托,采用数值分析方法对小净距隧道左右洞开挖支护完毕后的围岩塑性区分布、竖直和水平位移分布,以及初期支护结构的弯矩、轴力和剪力进行研究和分析。研究结果表明:浅埋偏压小净距隧道开挖后塑性区主要分布在隧道左右洞的两侧拱脚处,拱顶处竖向位移最大,拱腰处水平位移最大;初期支护结构在边墙处的弯矩和剪力均较大,轴力在拱腰处最大。建议该类型隧道设计与施工时需加强对隧道边墙及拱脚处的支护,并加强隧道内空变形监测。     

基于收敛-约束法和ZSI的隧道初期支护时机研究

为了解决隧道开挖后初期支护的时机问题,提出了基于收敛约束原理和围岩局部安全评价方法单元状态指标(Zone State Index,ZSI)的初期支护时机确定方法。该方法首先计算得到隧道的围岩特征曲线,结合围岩位移速率先对最佳支护时机对应的围岩应力释放率进行初步判定;然后再利用单元状态指标ZSI对围岩局部稳定性进行确认评价,增加了支护时机选择的正确性。最后以相同变量围岩位移为基础将围岩特征曲线和纵向变形曲线进行耦合分析,建立起应力释放率和掌子面与监测断面间距之间的对应关系,得出以支护与掌子面控制间距为依据的最佳支护时机选择。以甄峰岭2号隧道为例,建立FLAC~(3D)有限差分数值模型,采用该方法确定了多种工况下隧道合理的支护时机。研究结果表明,围岩特征曲线的形状和斜率受围岩级别和隧道埋深的影响较大;以单元状态指标ZSI与围岩位移速率相印证,可以增加支护时机选择的准确性,为隧道支护时机的选择方法提供了一种新思路;计算所得的支护与掌子面的控制间距对实际工程起到很好的指导作用。     

基于安全度的大断面黄土隧道施工方法对比分析

为研究大断面黄土隧道围岩和支护结构的安全与稳定,采用有限元软件ANSYS对弧形导坑法(AHM)和核心土加临时仰拱法(CSTIM)的施工过程进行了数值模拟,对比分析了2种施工方法引起的隧道周边围岩位移场、应变场以及初支和二衬的安全性。结果表明:1)采用CSTIM法施工可减小拱顶沉降40%左右,且沉降区域仅在隧道开挖跨度范围内;2)临时仰拱左右两侧安全系数最小仅为0.12,拱顶和左右拱腰安全系数均大于4.0,永久仰拱安全系数处于0.5~2.5之间;3)二次衬砌受力普遍较小,具有足够的安全储备;4)采用AHM法施工围岩竖向位移较大、支护安全系数分布不均、衬砌局部处于受拉状态。因此,从对围岩扰动大小、支护和衬砌安全性以及施工工序等方面综合考虑,CSTIM法均优于AHM法。研究成果可供黄土地区大断面隧道变形控制和施工方法的选择参考。     

片理化非均质大跨径隧道围岩稳定性分析与支护优化研究

以某高速公路大跨径隧道为例,应用有限元软件MIDAS/Gen模拟两种围岩条件下采用台阶法施工的隧道开挖支护情况.模拟结果表明对处于Ⅲ级与Ⅳ级之间的隧道围岩,当为片理化非均质岩体,且上台阶围岩质量比下台阶好时,水平和竖向位移较大区域均集中于隧道底部,且变形超过了规范允许值,宜采用Ⅳ（A）级围岩支护设计进行施工,但钢拱架间距可放稀至100 cm;当非均质岩体上下台阶围岩质量均较好时,其最大水平位移较小,竖向位移最大值发生在拱顶,且在相关规范允许范围内,可按Ⅳ（A）级围岩进行支护,但可取消仰拱,实现对支护设计的优化.     

隧道施工位移监测及分析

为了掌握隧道施工过程中隧道周边收敛以及围岩内部位移的变化规律,用SW-Ⅵ收敛计、三点位移计分别对隧道初期支护和二次衬砌阶段进行了位移监测,并对2个阶段所采集的数据进行了分析。分析结果表明各测试段位移平均速率均小于基本稳定判别标准,说明隧道支护结构工作状态良好。     

敞开式TBM安全快速通过隧洞强岩爆地层施工技术——以引汉济渭工程秦岭隧洞岭南TBM施工段为例

岩爆为深埋隧洞施工的主要灾害之一，为有效解决敞开式TBM在强岩爆地层施工中安全风险高、效率低这一核心问题，依托引汉济渭工程秦岭隧洞岭南TBM段在岩爆防治措施上的多年实践与研究，形成具有针对性的强岩爆防治技术体系。研究结果表明： 1）引进微震监测岩爆超前预测系统后，通过监测实施过程中数据的不断分析与修正，能大致推断出掌子面前方约15 m范围内围岩可能出现的岩爆等级； 2）采取合理的超前钻孔应力释放预处理措施，可以降低围岩出露TBM护盾后岩爆发生的规模与频率； 3）通过对治理工艺进行优化，可实现高岩爆风险区围岩的快速封闭； 4）采用合理的支护材料，能有效防止滞后性强岩爆对初期支护体系的破坏。系统的防治体系有助于强岩爆地层的施工安全管控，也可达到加快施工进度的目的，对类似工程具有一定借鉴意义。     

关于高原铁路某隧道敞开式TBM开挖直径的探讨

为探讨高原铁路某隧道不良地质条件下敞开式TBM开挖直径是否适应的问题,结合已建、在建工程存在的问题及施工数据,分析TBM法隧道初期支护变形侵限的原因,且通过对比分析工程地质数据、衬砌参数,认为不良地质条件下TBM护盾收缩及初期支护体系形成支护能力周期长是造成初期支护侵限的主要原因。预测当TBM开挖直径为10.2 m时,该高原铁路隧道TBM段Ⅲ级围岩中等及以上岩爆段、Ⅳ级围岩（节理密集带）、Ⅴ级围岩（蚀变岩）存在初期支护侵限的风险。提出如下建议： 1）设计TBM开挖直径时考虑护盾收缩量; 2）在强烈岩爆段、节理密集带、蚀变岩等情况下,采用钢管片施作初期支护以提供临时支撑,缩短支护能力形成周期,并将TBM开挖直径适当增大为钢管片安装预留空间。     

埋深与围岩变形模量对隧道支护结构承载特性的影响分析

为探讨埋深与围岩变形模量对隧道开挖后支护结构承载变形的影响规律,以龙永(龙山—永顺)高速公路大干溪Ⅰ号隧道为研究对象,采用ANSYS建立三维数值分析模型,对隧道分部开挖支护进行模拟分析。结果表明,在3个不同埋深条件下,当围岩变形模量由4.5GPa减少1/3时,拱顶下沉量与周边收敛量均增加40%左右,初期支护拱顶水平方向应力值增加55%左右,初期支护左侧拱腰竖向应力值增加37%左右;当围岩变形模量由4.5GPa增加1/3时,拱顶下沉量和周边收敛量均减少22%左右,初期支护拱顶水平与竖向应力值和初期支护左侧拱腰竖向应力值均减少21%左右;变形模量减小对支护结构变形与内力的影响比其增大时明显。     

基于流固耦合的高水压隧道支护结构研究

高水压是山岭隧道建设的重要难题之一,抗水压衬砌是隧道穿越这些区段的常用措施,其衬砌结构断面厚度远大于标准断面。衬砌厚度过大施工相对不便,施工质量不能保证,且不能及时分担水压。针对广西某隧道高水压段,采用双层初期支护和二次衬砌组成的支护结构承受高水压,减小二次衬砌厚度。为了分析双层初期支护的效果与获得基于双层初期支护的支护结构参数,利用有限差分法研究了不同防渗等级的单层与双层初期支护、不同注浆范围及不同二次衬砌厚度对围岩的变形影响和对支护结构的力学状态影响。结果表明:在相同支护体系中,喷射混凝土的不同防渗等级对围岩变形、支护应力影响不大;初期支护的防渗等级相同时,相比于单层初期支护,双层初期支护体系使围岩变形、喷射混凝土应力、二次衬砌的轴力与弯矩均减小40%以上;当拱顶以上水头为90 m且采用防渗等级为P8的双层初期支护时,径向注浆能够有效减小支护应力。当径向注浆范围超过4 m后,注浆对减小支护结构受力的效果不明显;采用双层初期支护体系,注浆范围为4 m时,二次衬砌的厚度设计为40 cm就能保障支护结构处于安全状态;径向注浆条件下,采用双层初期支护+二次衬砌的支护体系能够有效保障隧道高水压段的安全。     

ABAQUS接触非线性对隧道开挖变形影响数值模拟

为探究初期支护与围岩在不同接触类型下开挖隧道对围岩变形的影响,以某公路隧道为依托,采用ABAQUS软件建立隧道开挖支护三维模型,分别对初期支护与围岩之间绑定约束及不同摩擦系数的面面接触进行了数值模拟,分析了不同接触条件下围岩变形规律。结果表明：无论特征点的竖向位移还是水平位移,绑定约束均较面面接触小,前者约为后者75%～80%;面面接触时不同的摩擦系数各级位移极差在5 mm以内,尤其在仰拱特征点时各级位移量几乎重合;垂直隧道轴线方向地表沉降值,前者约为后者85%;隧道轴线方向地表沉降值会在第10分析步前后出现反转,开挖之初前者位移小于后者位移,开挖终了时后者位移反超前者位移。该结果可为今后类似隧道数值模拟提供参考。     

锁脚锚杆控制隧道初期支护沉降的原理和应用

当前软岩隧道初期支护因沉降变形量大而造成的成本消耗高问题较突出，初期支护底脚作用力与锁脚锚杆抗力不平衡是隧道初期支护沉降的主要原因，其中建立支护底脚与锁脚锚杆之间力的平衡关系是控制隧道初期支护沉降变形的重要前提。以弹性地基梁柱原理和摩擦桩原理来计算分析锁脚锚杆的内力和位移及其与地基的反力关系，以此确定锁脚锚杆的承载能力；通过分析锁脚锚杆对支护结构的柔度，确定其与支护结构的相互影响，进而建立考虑锁脚锚杆对支护结构底脚影响的支护结构力学计算模型，计算其作用于锁脚锚杆端上的作用力作为锁脚锚杆的设计依据；按照上述原理，分析了Ⅴ级围岩当前流行的42锁脚锚管的不足，并示例计算分析了108锁脚锚管的承载能力；最后以Ⅵ级围岩风积砂隧道施工的实例来说明“分布式”加强锁脚锚管以及锁脚锚桩控制支护沉降变形的显著效果验证技术的可行性；结论认为软岩隧道初期支护可按照“荷载—结构”原理确定围岩与支护、支护与锁脚锚杆之间的作用力与反作用力关系，达成支护结构之间力的平衡稳定以实现控制支护沉降的目的。     

基于数值模拟的隧道仰拱优化分析

为了确定在III2级围岩隧道中是否可以取消仰拱的设置,采用FLAC3D有限差分软件,对III2级围岩情况下的平底隧道(模型1)和仰拱隧道(模型2)这2种隧道底部支护形式进行了数值模拟和研究,通过对隧道开挖支护过程结束后目标断面的围岩竖向位移、围岩竖向应力特点、二次衬砌变形这3个方面进行分析比较,结果表明,III2级围岩隧道取消仰拱,采用平底结构,隧道二次砌衬能够保持稳定性,也满足隧道对二次砌衬安全储备的要求。     

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。     

特大断面城市道路隧道力学特性与变形规律研究

为了研究特大断面城市道路隧道施工过程中力学特性和变形规律，依托重庆火凤山隧道工程，采用现场监测和数值模拟方法对特大断面城市道路隧道支护结构力学特性及其位移规律开展了研究。研究结果表明：采用分部开挖的方法，围岩位移稳定需要的时间较长，仰拱与拱顶处的最大主应力值相对较大，而拱腰区域初期支护的最小主应力相对较大；隧道竖向相对变形值较水平方向相对变形值更大，约相差3～5倍，且这种差异随隧道断面形状的增大而增加；隧道上部围岩压力约为下部的1.44～2.16倍，呈现上部大下部小的分布规律。     

基坑支护结构变形对邻近地铁隧道的影响研究

对广州某深基坑开挖支护结构变形对邻近地铁隧道的影响进行了有限元模拟,并将模拟结果和实测结果进行了对比分析.结果表明:基坑支护结构的侧向位移,不仅对邻近地铁隧道产生侧向位移,也产生一定的竖向位移,而位移增量以竖向变形为主.运营地铁隧道的变形增量,随着新建基坑支护结构的变形增大而增大,隧道顶部的位移变化量比底部处的大,靠近基坑支护结构一侧的变形比远离基坑支护结构一侧的大.建议采取有效措施来控制深基坑支护结构的侧向变形,以防止引起既有地铁隧道竖向变形过大,确保地铁运营的安全.     

缓倾砂岩夹泥岩隧道岩爆段初期支护变形特征及控制技术研究——以蒙华铁路段家坪隧道为例

针对蒙华铁路段家坪隧道岩爆段初期支护在较小变形下发生破坏现象，通过室内试验、超前地质预报、地应力测试等技术手段，分别揭示洞周围岩强度、掌子面前方地质情况和初始地应力状态，同时对初期支护变形破坏特征进行归纳总结并分析成因，得出： 围岩特性、地质构造特征、工法是影响初期支护变形破坏的重要因素，局部水平向高地应力是主因。采取增强支护参数、增设缓冲层、锚杆+加筋底板、加装阻尼器等技术措施控制初期支护变形破坏。研究结果表明： 1）以水平构造应力为主的高初始地应力条件下，若隧道洞身围岩竖向节理发育，开挖宜首选二台阶法。2）拱部及仰拱初期支护混凝土破坏类型为剪压破坏,格栅钢架主筋破坏类型为偏心受压屈曲。3）以水平构造应力为主的高初始地应力状态下，宜根据围岩特性、支护原理及现场实际选择相应的技术措施。