极高地应力层状围岩隧道偏压演化规律及围岩控制

以大峡谷隧道缓倾层状围岩为工程背景,采用3DEC离散元分析方法并结合现场监测的手段,深入研究高地应力不同岩层倾角下围岩偏压演化规律,揭示偏压与现场支护结构破坏关系,根据锚杆支护参数对偏压控制的影响,提出支护最优参数。研究表明,在高地应力缓倾岩层条件下支护结构的变形及破坏呈现明显的非对称性,随着岩层倾角的增大,初期支护最大主应力峰值位置由拱顶向右拱肩转移,反倾侧弯曲变形大于顺倾侧滑动变形;随着锚杆长度的增加,围岩剪切滑移区、初期支护位移、初期支护最大主应力均逐渐减小,锚杆最优长度约为3.5～4.5 m,锚杆沿层理面垂直方向打设,初期支护结构的偏压现象得到明显改善;现场优化支护后,左右拱肩呈对称变形,位移量基本相同,偏压得到明显改善。     

超大断面隧道大倾角层状围岩力学特性研究

文章以重庆轨道交通环线莲花村车站隧道工程为依托,采用有限元数值模拟对超大断面隧道开挖时大倾角层状围岩的力学特性进行研究。通过建立大倾角岩层数值模型,对隧道进行不同工况的分步开挖计算,分析得到大倾角层状围岩的塑性区、应力和位移变化规律。结果表明:大倾角层状岩体塑性区位于层面内,层面塑性变形最大;围岩最大拉应力发生在上部中导洞围岩开挖支护过程中,上部左导洞以及中导洞外壁围岩产生最大拉应力;最大压应力发生在上部中导洞开挖支护过程中,大倾角岩层上部右导洞以及中部右导洞在各工况中产生最大压应力;隧道中、下部右导洞水平位移在二衬施加后达到最大,围岩最大下沉量位于上部左导洞处。     

福建梅花山隧道岩爆机理的数值模拟分析研究

受隧道分步施工开挖顺序的影响,隧道围岩内将会产生应力应变的非线性变化,在高地应力区域这种力学效应将更加明显,并会引起岩爆、片帮等严重地质灾害。文章结合福建梅花山铁路隧道工程实例,利用3D-Sigma软件建立三维隧道开挖数值模型,以实测应力数据为边界条件并利用Hoek-Brown强度准则估算确定岩体的输入参数,分析了开挖过程中开挖步骤的相互影响,以及隧道的三维时空应力场的变化规律。结果表明,隧道在高地应力作用下,拱顶形成压应力集中,拱肩位置形成了剪应力集中,这些应力集中导致洞壁围岩发生脆性破坏,并且后续的开挖作业会影响先前开挖成型的洞段,导致应力集中作用更为明显,加重围岩的破坏;工程实践中实际发生岩爆的位置与数值模拟结果中显示的最大压应力和最大剪应力集中位置对应良好,证明数值模拟结果能很好地揭示该隧道岩爆发生的孕育机理和规律性。     

平行褶皱构造对隧道围岩变形的影响研究

岩层受力弯曲变形形成褶皱构造,隧道穿越褶皱地质构造时,在复杂地质构造及地应力条件影响下,隧道围岩容易发生变形破坏,影响隧道的稳定性。针对隧道在平行于褶皱轴线穿越平行褶皱构造地质时的围岩变形问题,文章采用有限差分法并结合实际工程中褶皱构造的隧道围岩进行了数值模拟计算,探究了隧道围岩的变形规律,提出了控制围岩变形的思路。结果表明,隧道在平行于褶皱轴线穿越平行褶皱构造时,拱顶及仰拱部分更容易发生变形破坏,且主要集中在软弱岩层部分及软硬岩层分界面处,具体为向斜类型的软弱岩层上分界面和背斜类型的软弱岩层下分界面处,因此可考虑采用加强拱顶及仰拱围岩的位移控制,加固处理平行褶皱构造中的软弱岩层部分来减小隧道围岩变形的控制思路。     

静荷载下水平岩层隧道围岩力学行为研究

为研究水平岩层厚度和施工方法对隧道围岩力学行为的影响规律,文章基于数值计算软件Midas-GTS建立隧道三维数值模型,通过对比六种不同水平岩层厚度和施工方法工况下的围岩上各监测点的数据,明确在全断面法和台阶法施工下,水平岩层厚度改变对围岩各监测点竖向位移、竖向应力和剪切应力的影响规律。研究得出：全断面法和台阶法施工对隧道围岩的变形和受力的影响均不大,隧道围岩力学行为基本一致,综合考虑效率和经济性可采用全断面法施工;水平岩层厚度对围岩变形影响较大,围岩各监测点的竖向位移随岩层厚度增加而增大,当水平岩层最小时,隧道变形最小,具有更好的稳定性;隧道围岩拱肩处剪切应力最大,拱脚处最小,其余位置数值较小;水平岩层厚度的变化会引起隧道围岩力学行为较大改变,围岩应变随岩层厚度增加而增大,因此实际施工中应注意水平岩层厚度过大时的施工安全问题。     

不同地质条件浅埋偏压小净距隧道施工力学效应研究

在不同地质条件下浅埋偏压小净距隧道的施工力学效应会有很大不同,尤其在半软半硬岩层中,隧道开挖会破坏软硬岩层交界处软弱围岩的稳定性,其施工力学效应更为特殊。文章采用有限差分软件FLAC3D对15种工况下隧道开挖进行了模拟,对均质硬岩、均质软岩和竖向半软半硬岩中不同净距隧道的拱顶沉降、中岩墙的水平位移、中岩墙最大主应力和围岩塑性区进行了分析。结果表明,均质硬岩隧道拱顶沉降最小,竖向半软半硬岩隧道拱顶沉降和硬岩比较接近,软弱围岩隧道拱顶沉降最大;竖向半软半硬岩隧道中岩柱上部围岩稳定性较差,中部水平位移最大;隧道开挖引起软岩侧洞室上覆盖层围岩稳定性变差,可能引起隧道坍塌。     

隧道穿越软硬互层地区围岩变形模拟研究

文章以某公路隧道穿越软硬互层实际工况为原型,设计不同的软硬互层层厚比和层厚工况,进行室内模型试验,分析隧道围岩的宏观破坏特征,并通过ABAQUS数值仿真计算,模拟隧道开挖施工过程,得到其围岩特征点位移的变化规律,结论如下：软硬互层的层厚比、层厚越小,隧道模型试块所能承受的极限承载力越小,拱腰处裂缝越多,拱顶沉降越明显,隧道变形越剧烈;隧道穿越软硬互层时,其层厚比、层厚越小,隧道四周的应力集中越明显;隧道穿越软硬互层时,其围岩竖向位移与水平位移均以隧道为中心对称分布,软硬互层层厚比、层厚越小,拱顶沉降值、拱底隆起值、两侧拱腰水平位移值均越大,围岩变形越明显。     

深埋长大隧道层状围岩岩爆特征研究

文章以二郎山深埋长大隧道为工程依托,利用3DEC软件建立层状围岩不同倾角、倾向与层厚的数值模型,计算隧道洞壁各位置的主应力,以此判断隧道施工过程中岩爆发生的位置。结果表明:围岩倾角为0°或层状岩倾向与隧道掘进方向相同时,拱顶位置主应力最大;围岩倾角90°时,两侧边墙易发生岩爆;层状岩倾向与隧道掘进方向相反时,掌子面上半部分主应力最大,为岩爆易发位置;层厚不影响隧道洞周主应力最大值的位置。     

基于武当群片岩各向异性试验的隧道围岩变形机理分析

针对通省隧道拱顶出现纵向裂缝、拱肩钢拱架被剪断等变形破坏问题,文章考虑武当群片岩各向异性特点,基于波速试验、单轴压缩与三轴压缩试验,结合围岩变形特征调查与数值模拟试验,分析了武当群片岩试样应力-应变曲线特征与破坏形态特征,建立了弹性模量、泊松比、抗压强度随片理倾角从0°~45°~90°变化时的对应关系,提出了隧道围岩破坏模式,总结了隧道围岩变形机理。研究结果表明:武当群片岩各向异性在隧道围岩变形破坏过程中起到了控制性作用;非对称模式为隧道围岩主要破坏模式;当隧道围岩最大剪应力与片理空间关系不利时,围岩沿片理面发生剪切破坏。研究结果对武当群片岩区域在建或拟建地下工程的现场设计、施工开挖具有重要的指导意义。     

基于有限元的隧道围岩稳定性分析

在隧道工程中,隧道围岩的稳定性至关重要,影响着隧道勘察、设计和施工的整个阶段。为了保证隧道建设过程中的安全、经济及其他问题,研究围岩的稳定性有着重要的工程意义。文章以广西某地隧道工程为依托,运用MIDAS/GTS软件,基于应力应变假设条件,对开挖后隧道三维及衬砌二维受力和位移进行分析,得出隧道围岩稳定性计算值与实测值的差异性及原因,并提出对应措施进行有限元结果的论证。分析结果表明:围岩主应力较大,使得拱顶出现较大下沉,拱底区域出现隆起,最大隆起值为3.7mm。     

城市地下立交隧道交叉口施工方法研究

城市立交隧道施工的难点在于两条隧道合并为一条隧道的交叉口施工,该处存在特大断面隧道、偏连拱隧道和小净距隧道型式的多重转换,施工风险高,对工法、工艺要求苛刻。文章以杭州市紫之隧道的地下立交交叉口工程为依托,提出了一种小洞开大洞,然后再横向开挖,最后反向开挖的施工方法和施工工序。结合工程特点,采用有限元数值模拟和监控量测方法验证了该施工方法的合理性。结果表明:对隧道交叉口采用导洞爬坡反向施工方法可以保证分叉段施工安全,解决小洞往大洞方向开挖的难题;分叉隧道开挖过程中,围岩所受拉应力主要集中在拱顶、拱底及中间岩柱上,所受压应力主要集中在中间岩柱及大拱拱腰、小净距外侧拱腰处;衬砌结构最大拉应力出现在拱底,最大压应力发生在拱腰处。     

层状千枚岩隧道形变破坏规律与支护措施研究

千枚岩软弱结构面发育,岩体呈互层结构且风化严重。在类似层状岩体中开挖隧道,围岩将出现大变形,严重危及隧道施工安全。文章基于成兰铁路杨家坪隧道,建立宏观层理分布模型,对层状千枚岩隧道形变破坏规律与支护措施展开了相关研究。研究结果表明:岩层法向位移在洞周呈斜向"X"型分布,位移峰值位于隧道拱顶及边墙部位;岩层切向位移位于隧道两斜交45°方向呈"蝴蝶"状分布,位移峰值位于隧道的拱肩及拱脚部位,位移分布不对称性明显;隧道边墙附近围岩主要表现为层面间张拉破坏,隧道拱部附近围岩主要表现为层面间错动滑移破坏。基于以上分析结果,针对现场支护参数提出优化措施,并进行隧道变形及支护受力监测。现场监测结果表明:支护参数经调整后,对围岩形变控制效果明显,有效改善了隧道偏压受力现象。     

软岩隧道浅埋段围岩全位移空间分布特征研究

围岩位移信息的收集对指导新奥法隧道施工具有重要意义。在各种因素制约下,围岩位移信息采集不可避免存在损失位移。文章依托阿拉坦隧道工程实例,以现场实测全位移数据为基础,确定了各施工阶段的围岩应力释放率,并在此基础上,对隧道浅埋洞口段地表与拱部围岩的全位移变化规律进行了三维数值分析。结果表明:隧道开挖过程中,地表测点竖向位移最大为33 mm,与实测结果基本一致,且地表测点竖向位移远大于水平位移,竖向损失位移比例占围岩总位移量的比例高达42.86%;隧道拱顶围岩竖向位移计算值为60 mm,与现场实测结果基本一致,隧道拱部围岩不同方向的损失位移所占全位移的比例不同,水平方向约为21.42%,竖向高达40%以上;掌子面通过监测断面前后约1.0倍洞径范围内围岩变形速率较大,在此区间,围岩竖向位移发生量约占总沉降量的70%。     

大断面隧道深浅埋划分方法研究

在中国现行的铁路和公路隧道设计规范中,隧道深、浅埋的划分是以松弛荷载概念作为基础的,并具有统计上的意义,但这种划分方法线条较粗,并没有充分考虑围岩的自承能力.文章以隧道围岩能否形成安全有效的压力拱为基本原则进行了隧道深、浅埋的划分.对于地表水平或近似水平情况,按平面应变假定,认为面内最大主应力的最大值出现在压力拱的内边界处,而将面内最大主应力方向发生偏转(拱体内最大主应力方向为水平方向,拱体外部最大主应力将恢复为开挖前的竖直方向)的点作为压力拱的外边界;当地表有较大坡度时,由于地形对自重应力场分布产生的影响,这里以等效埋深代替实际埋深,用以修正按地表水平情况计算的深、浅埋分界值.根据上述思路,对目前在建的某四线大断面车站隧道,通过数值模拟,建议取30m埋深作为隧道深、浅埋分界值.     

特大断面隧道爆破开挖方法对比分析研究

文章以兰渝线关子岭隧道为依托,针对特大断面隧道V级围岩段采取光面爆破与预裂爆破两种爆破方案进行对比分析。结果表明：大断面隧道爆破开挖施工中最大位移出现在拱项部位,施工中应加强对拱顶部位及其他关键点的监测;最大主应力出现在仰拱中点和拱腰部位,施工中须加强对仰拱中点和拱腰部位的支护。     

衬砌空洞对隧道结构安全性的影响规律研究

为了研究衬砌空洞对隧道结构安全性的影响,文章基于FLAC 3D有限差分软件,建立六种不同工况下的隧道衬砌空洞数值模型(无空洞和衬砌空洞位置分别为拱顶、拱肩、边墙、拱脚和底板),并通过对比不同位置衬砌空洞下隧道模型的变形位移、应力分布特征、最大主应力和最小主应力数值特点,得到了空洞位置对隧道衬砌结构变形和受力的影响规律。     

裂纹位置与深度对围岩岩体稳定性的影响分析

在隧道掘进过程中,天然地应力的平衡状态将会受到破坏并进行应力重分布,在构造应力场或自重应力场作用下将会引发裂纹的起裂、扩展和贯通,从而导致隧道的失稳坍塌。文章采用数值模拟和室内模型试验方法对比分析了裂纹位置、长度、深度等因素对马蹄形断面隧道围岩结构稳定性的影响。其中,数值模拟分析了隧道围岩的破坏形式及对裂纹尖端应力强度因子的计算,隧道模型试验研究了裂纹对隧道模型抗压强度的影响。结果表明:(1)数值模拟结果与模型试验结果较为吻合;(2)裂纹位于马蹄形隧道的拐角处或裂纹倾角为45°时,对隧道的稳定性削弱作用最大;(3)隧道围岩内裂纹的长度越长,隧道模型的抗压强度越小;(4)裂纹长度达到一定程度时,裂纹深度对隧道的危害性作用基本呈线性增加的趋势;(5)裂纹缺陷对隧道围岩应力重分布及破坏形式有较大的影响。     

黄土连拱隧道中导洞临时支护的比选分析

黄土连拱隧道采用台阶法开挖时,中导洞的临时支护一般为钢支撑支护和回填土支护。为了选择合理的临时支护,文章结合太佳高速公路清凉寺连拱隧道的工程实例,对两种支护进行全过程弹塑性数值仿真对比分析。结果表明,钢支撑支护与回填土支护对隧道的地表位移、拱顶沉降、锚杆轴力的支护效果相同,均能满足隧道变形要求;对围岩应力、初期支护应力和锚杆轴力等方面的支护效果,钢支撑支护优于回填土支护。     

连拱隧道三导洞和台阶法施工工法的比较

以某连拱隧道工程为例,应用ANSYS有限元软件建立数值模型后导入FLAC3D中,进行了三导洞法和台阶法开挖施工方案下连拱隧道左右洞拱顶沉降、地表沉降、拱顶及中隔墙大主应力变化、压力拱范围等过程的模拟分析。     

限阻器在高水平地应力隧道支护中的研究与应用

为解决蒙华铁路如意隧道高水平地应力岩层段初期支护因受力过大而破坏的问题,文章通过理论分析、数值模拟以及现场施工反馈等方法,并基于室内试验、地应力测试以及现场监控量测数据,对限阻耗能支护技术的工程应用方法及作用机理进行研究,结果表明:(1)针对高构造应力环境,在保证围岩自承能力不明显降低,且不明显增加松散压力的前提下,可控制地引导围岩变形、围岩能量释放分散转移的限阻高延性支护是合理可行的;(2)限阻器是一种合理有效的限阻高延性支护手段,成功解决了如意隧道高地应力水平岩层中初期支护破坏问题;(3)限阻器显著降低了结构内力,但也改变了结构的内力分布,在应用中还需进一步完善。