分岔隧道施工三维数值仿真模拟研究

分岔隧道是一种新的隧道建设型式,它一般由四车道大拱隧道或连拱隧道逐渐过渡到上下行分离式双洞隧道,因此它同时具备标准间距的分离隧道、小净距隧道、连拱隧道以及四车道大拱隧道等多种结构型式隧道的特点.结构型式一般分为大跨衬砌段、双连拱衬砌段、加强衬砌段和一般衬砌段4种断面型式.作为一种新的隧道建设型式,目前国内尚不多见,缺乏可供参考的设计、施工经验.由于分岔隧道型式的特殊性和复杂性,施工难度和风险均较大,因此,研究施工围岩的稳定性有着非常重要的意义.本文基于连续介质模型,通过大型有限元软件ABAQUS,主要对施工过程进行数值仿真模拟,着重分析研究大拱与连拱过渡段和连拱以及小净距过渡段施工过程中的围岩变形和破坏特性,并得出结论,为设计施工提供参考依据.     

分岔隧道阶梯状变化段施工力学特性研究

分岔隧道是在我国交通建设中出现的一种新型结构隧道形式,通常是由明洞、大拱段、连拱段和小净距段等5部分组成,同时具备大跨度隧道、连拱隧道和小净距隧道的受力特点,施工过程中受力状态极为复杂。采用有限元计算软件对某分岔隧道施工过程进行建模分析,得出了隧道施工过程中围岩与隧道的变形、围岩的应力状态、初期支护喷射混凝土和锚杆的应力状态。通过对所得到的数值模拟结果进行分析,得出了施工过程中分岔隧道中夹围岩应力较大,应该对其进行加固处理;各分段交界面处应力集中明显,应当对其加强监测等结论。     

五车道大跨分岔隧道小净距段中夹岩柱支护效果研究

厦门芦澳路与海沧疏港通道交叉处拟建一座地下互通式立交隧道,隧道分岔处由单洞5车道大跨段直接过渡至主洞3车道匝道2车道的小净距段,不设置连拱段,最大开挖跨度30. 46 m,最大开挖面积450. 41 m2。分岔隧道由大跨段直接过渡到小净距段,交界处中夹岩柱最小厚度仅为1. 2 m,中夹岩柱的稳定性是小净距隧道设计与施工的重点与难点。基于以上背景,首先通过三轴压缩试验确定岩石力学指标,并基于Hoek-Brown估算方法得到岩体参数,进一步运用数值计算方法对小净距隧道中夹岩柱的支护效果进行研究。结果表明:①花岗岩试样属于弹脆性岩石,其弹性模量与围压呈正相关;②由于围岩强度较高,预应力对拉锚杆相比较于普通锚杆可以缓解中夹岩柱的应力集中,施工中建议采用低预应力对拉锚杆;③主洞隧道初期支护的左、右拱脚的安全系数最小,说明左右拱脚应力集中较为明显,施工时应加强左右拱脚处支护;④岩石的强度和稳定性与围压关系较大,施工时建议采取主动支护的手段,及时地对隧道以及中夹岩柱进行封闭支护,使得围岩尽快的处于3向受力状态。     

单跨5车道公路隧道过渡“3+2”小净距隧道施工力学研究

厦门芦澳路与海沧疏港通道交叉处拟建一座地下互通式立交隧道,隧道分岔处由单洞5车道大跨段直接过渡至主洞3车道及匝道2车道的"3+2"小净距段,采取直接过渡的方式不设置连拱段,最大开挖跨度达到30.46m,最大开挖面积达450.41m~2。分岔隧道由大跨段直接过渡到小净距段决定了施工过程中非常复杂的工序转化,施工力学机制难以把控,分岔隧道围岩应力受隧道净距和断面形式的影响,分岔隧道的施工与支护结构设计面临诸多难题。通过三轴试验结合数值分析的方法对大跨段与小净距段交界处以及小净距隧道的施工力学进行研究,得出如下结论:1)现场取得的花岗岩试样属于弹脆性岩石,岩石处于三向受力状态时岩石强度和稳定性远大于双向受力状态,花岗岩试样弹性模量与围压呈正相关,结合Hoek-Brown强度准则以及Mohr-Coulomb强度准则对三轴试验结果进行修正得到现场岩体的物理力学参数。2)分岔隧道大跨段过渡至小净距段施工时,应及时对大跨段与小净距段交界面处围岩进行封闭,建议采用高性能喷射混凝土和工字钢支护,保证围岩尽快处于三向受力状态。3)小净距段隧道开挖对大跨段末端断面位移的影响主要是竖直方向,同时也会引起大跨段隧道末端初期支护不同程度的内力变化,其中左右拱脚处内力变化最为剧烈。主洞隧道施工对大跨段隧道内力和位移影响范围为掌子面后16m,匝道则为掌子面后12m。4)小净距段施工时,主洞和匝道隧道最佳纵向开挖间距为16m;当主匝隧道净距大于6m时,可作为独立单洞进行设计和施工。     

大跨分岔式隧道结构设计关键技术研究

以深圳市东部过境高速公路莲塘隧道为工程背景,对大跨分岔式隧道结构设计中的关键技术进行研究。通过有限元计算,对＂2＋2车道＂和＂2＋3车道＂分岔的断面形式,连拱段结构设置的必要性,钢支撑的选型以及系统锚杆的布设方案进行分析和对比。主要结论：1）在满足交通功能的前提下,应尽量选取＂2＋2车道＂的设计形式;2）小净距段隧道受力状态及施工工法前后转换方面均较连拱段有优势,建议取消连拱段;3）大跨分岔式隧道分岔部一般设置在隧道工程地质较好地段,以方便大跨分岔结构的实施,如莲塘隧道将分岔部设置在Ⅲ级围岩段,而对于开挖跨度接近30m的大跨段,初期支护一般应设置钢格栅,此时应优先选用＂钢筋格栅＋喷锚＂的初期支护形式;4）莲塘隧道分岔部位于Ⅲ级围岩段,系统锚杆设计长度以5 m为宜,应于拱部、侧墙均匀布设。     

独立隧道、小净距隧道和连拱隧道结构受力独立性研究

 独立隧道、小净距隧道和连拱隧道三种隧道设计与施工都要遵循“基本维持围岩原始状态”和“能量最小原理”。只要结构设计合理、科学组织施工，即可基本保持小净距隧道和连拱隧道洞体受力的独立性。连拱隧道优化断面衬砌压力和内力分布基本对称，与分离隧道相接近，是一种合理的连拱隧道构筑方法。     

分岔式隧道关键技术研究

山区高速公路将会越来越多地采用分岔式隧道的形式,文章对分岔式隧道合理净距、分岔式隧道不同形式之间的过渡设置、小净距隧道中间岩柱稳定、连拱隧道中壁墙的厚度以及主要施工工艺等进行了讨论,并给出了相关建议。     

大跨分岔隧道分岔段施工方法研究

大跨分岔段隧道跨度大且分岔段形态复杂多变,支护结构与周边围岩的受力特性采用常规的二维平面应变研究方法已不能反映围岩与支护的真实特性,需要结合施工方法进行三维数值分析进行地层结构分析。本文结合莲塘大跨分岔隧道,使用有限元分析软件MIDAS-GTS对隧道施工进行全过程动态三维数值模拟。分析结果表明,莲塘隧道超大断面段采用双侧壁导坑法施工,连拱段采用中导洞法施工,小净距隧道左洞采用上下台阶法开挖,右洞采用CD法开挖为最合适开挖方案。     

胶州湾隧道浅埋分岔段的设计及施工关键技术

在胶州湾隧道工程中,为满足城市交通规划和区域交通疏导要求,采取设置地下分流匝道的设计方案。双车道匝道隧道与3车道主隧道在地下小角度交汇,形成分岔隧道。由于该分岔隧道段埋深浅、地层条件差、地面环境复杂,给设计和施工带来了不小的难度。通过工程类比、数值模拟分析等方法确定小净距隧道段范围,对变净距并行隧道中夹岩分区段采取扩挖换填混凝土、对拉锚杆等措施;在特大断面隧道段通过预注浆加固地层、加强初期支护,采用台阶分块开挖方案;施工中采用微震爆破技术,较好地保护了围岩,最终成功实现了此浅埋分岔隧道的快速施工。通过现场监控量测数据反馈分析,所采取的支护参数、工程措施、施工方案合理,确保了工程的安全、顺利建成。     

某连拱加小净距隧道穿越公墓区的设计分析

苏州市凤凰山隧道属于软弱围岩中浅埋大跨度连拱加小净距隧道,且隧道穿越凤凰山公墓区,隧道上方公墓密集,对隧道设计和施工要求很高。根据工程类比,初步确定隧道的支护参数;建立有限元计算模型,对隧道进行受力分析,并结合现场监控量测数据对支护参数进行调整;建立适合于复合式中墙连拱隧道的荷载结构法计算模型,对二次衬砌进行配筋计算;对传统的隧道防排水体系进行适当改进;并计算确定隧道爆破施工和机械开挖的埋深分界点,以确保隧道安全通过公墓区。     

南岛河隧道施工的动态模拟

利用ANSYS软件建立平面弹塑性模型及三维线弹性模型对南岛河双连拱隧道的施工过程进行模拟,分析了围岩和支护结构的受力与变形变化规律,并分析了双连拱隧道施工过程中开挖面的空间变化规律、左右洞施工的相互影响关系以及中隔墙的变形和稳定性,为软岩双连拱隧道的设计与施工提供依据。     

偏压连拱隧道围岩变形的现场监测与分析研究

结合宜(宾)水(富)高速公路鞋底坡双连拱隧道施工过程,通过对偏压连拱隧道的围岩变形进行现场监测与分析,获得了隧道围岩在地层偏压条件下。各施工阶段的地表沉降、拱顶下沉和水平收敛情况,有效地控制了隧道围岩变形。通过对量测结果的对比、分析得出：在偏压连拱隧道施工过程中,隧道初期支护变形整体由左洞向右洞方向偏移;对隧道围岩变形影响最大的工序发生在隧道旌工由单侧过渡到双侧施工时。在施工过程中偏压连拱隧道的现场测试与分析,不仅为隧道的支护体系设计优化提供依据,而且还可以指导隧道现场施工,所得的数据和结论可为同类隧道的设计,施工和研究提供有益的借鉴和参考。     

仰坡连拱隧道施工力学特性及控制技术研究

以沪昆高速贵阳至清镇段的灯草塘连拱隧道为背景，建立FLAC3D数值分析模型，研究了复杂地质条件下大跨度双连拱隧道施工过程中隧道洞口段隧道-仰坡体系应力应变变化规律，并分析了锚索对仰坡体的滑动作用与效果。结果表明:隧道三导洞开挖各阶段对中墙应力大小及分布规律有很大影响，隧道开挖完后，应力集中部位主要在中墙的腰部和底部位置，滑动面附近的坡体产生了较大面积的塑性区；锚索的施加，对坡体和围岩的应力重分布产生了一定的影响，有效减少了坡体塑性区的面积，降低了塑性区贯通。根据研究结果，提出控制隧道施工过程中进口段隧道仰     

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。     

塌方段原位扩建四车道公路隧道“回填-台阶法”施工力学及安全分析

为了深入探究塌方段原位扩建四车道公路隧道施工力学及安全性的问题,以福州市马尾隧道原位扩建工程为背景,在准确确定塌方体空间范围及工程特性的基础上,针对性提出“回填-台阶法”施工技术,并对塌方段原位扩建四车道公路隧道“回填-台阶法”动态施工力学及安全性进行分析。研究结果表明：①运用理论分析、数值计算、多道瞬态瑞雷面波探测技术相结合的方法可准确地获得既有隧道塌方体的空间范围和尺度;②兼顾施工技术与工期双重目标,提出了塌方段原位扩建四车道公路隧道施工方案,即塌方冒顶区通过地表注浆与洞内中空玻璃纤维锚杆进行加固,扩建开挖采用“回填-台阶法”,实现快速施工;③“回填-台阶法”施工时,隧道上半断面（1^#部）的开挖是整个施工过程的关键,结构内力增长迅速;受隧道上方塌方体和既有隧道影响,最大正弯矩出现在左拱肩处;地表最大沉降量出现在隧道中线右侧3 m处,主要由上台阶开挖引起;围岩变形主要发生在3^#开挖前,4^#开挖时围岩变形基本收敛。马尾隧道施工过程中,地表沉降、围岩及支护体系变形、支护结构受力等监测结果均满足施工安全要求,验证了施工方案的可靠性和安全性,该研究成果可进一步丰富超大扁平断面隧道的修建技术,并为今后类似的工程提供一定的借鉴。     

小间距隧道爆破动力响应分析

基于复线隧道施工爆破对既有隧道稳定性冲击问题,结合沪蓉线庙垭分岔隧道工程实例,研究了其小间距段施工爆破的振动监测方法、爆破动力特性及其减振控制技术。通过对隧道爆破围岩和衬砌质点振动速度波的频谱分析及其振速预测数学模型的改进研究,分析了隧道振速峰值纵向衰减规律、衬砌振速主频、横断面振速分布规律及爆破掌子面附近振动情况,并以小间距既有隧道中墙迎爆侧破坏为基准,从循环进尺、微振起爆、掏槽结构等方面提出了相邻隧道爆破减振技术措施。研究结论可为类似工程的爆破设计、施工及监测提供参考。     

浅埋小净距公路隧道围岩压力分布规律

为了给小净距隧道设计和施工提供科学依据,并为完善中夹岩墙的加固方法奠定理论基础,首先通过对41座小净距隧道的双洞内侧围岩压力进行统计分析,研究了小净距隧道围岩压力的演化特点,分析了垂直围岩压力与单洞开挖宽度、埋深和净距的关系,讨论了双洞内侧侧压力系数与各工程地质参数之间的关系,并基于隧道实际滑裂面,建立了小净距隧道荷载计算模型,提出了小净距隧道围岩压力的计算方法,通过与实测数据及既有研究成果的对比,验证了该方法的合理性及普适性,并基于以上研究成果提出了小净距隧道围岩稳定性控制方法。研究结果表明：小净距隧道垂直围岩压力与水平压力发展趋势基本一致,水平压力发展速率明显大于垂直压力,稳定时间也较短;水平压力受双洞间的相互影响比垂直压力要大,在施工过程中应重点关注水平方向的应力发展;侧压力系数随净距增加而增大,但随埋深、内摩擦角和黏聚力的增加而减小,并普遍小于规范值;所提出的围岩压力计算式对于复杂小净距隧道具有较好的适应性,并能对施工过程中小净距隧道的围岩压力进行估算;小净距隧道围岩稳定性控制应从合适的施工方法、合理的支护设计以及实时的监控量测3个层面考虑,具体的控制对策应结合围岩条件和工程特点进行实施。