深埋高水位山岭隧道支护与衬砌外水压力分析

为保护环境并尽可能降低隧道衬砌结构所承受的水压力,深埋高水位山岭隧道一般采取堵水限排的设计原则。在隧道力学和渗流力学的基础上进行数值分析和模型试验,研究渗流应力耦合作用下支护和衬砌的力学特性。研究结果表明:对于受排水影响明显的山岭隧道,作用于初期支护上的水压力不会随排水条件的改变而发生显著变化。当排水通道从围岩与初期支护的界面转变为初期支护与二次衬砌的界面后,会导致孔隙水压力从初期支护向二次衬砌转移,初期支护产生卸载并朝向围岩变形。隧道有效排水时,二次衬砌承受的水压力可忽略。随着排水系统退化导致排水受阻时,地下水流梯度逐渐下降,有效径向应力逐渐下降,朝向隧道的径向流量减少,且围岩变形减小,二次衬砌上的水压力增大。本研究为深埋高水位山岭隧道的初期支护和二次衬砌的初步设计提供了一个合理的方法,并有助于确定地面、水和支护间的荷载传输机制。     

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。     

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。     

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。     

考虑渗流影响的深埋隧道围岩-衬砌相互作用研究

山岭地区深埋隧道经常处于高水压工况,渗流对于隧道围岩及衬砌结构安全有较大影响。基于Mohr-Coulomb准则,推导在渗流力作用下围岩和衬砌结构相互作用的弹塑性解析解,得到围岩塑性区半径、围岩应力、位移以及衬砌径向变形等与支护反力间的解析关系。进一步地,引入围岩收敛曲线(GRC)和支护特性曲线(SCC),分析隧道围岩和衬砌的非线性力学特性,采用收敛约束法求得洞周径向位移。依托牛和岭隧道深埋段工程,验证本文基于Mohr-Coulomb准则的理论解析方法的准确性,并针对富水山区隧道支护反力、塑性半径和洞周径向位移关系进行参数分析。研究结果表明:1)增加支护反力可以有效地限制塑性区的发展和洞周的径向位移,初始阶段限制效果明显,后续增加支护反力的效果逐渐减小;2)围岩塑性半径和洞周径向位移随渗流水压力的增大呈非线性增长;3)塑性区半径不变,低渗透性衬砌可以减小所需的支护反力以及洞周的径向位移。     

预应力锚杆-围岩耦合模型时变效应分析

为了揭示预应力锚杆-围岩耦合时变效应机理,利用分布力模型获取耦合模型的弹性解,结合材料性质和维度效应选用符合锚杆和围岩的流变模型（锚杆选用一维Kelvin模型,围岩选用三维Burgers模型）,求解预应力锚杆-围岩耦合模型在Laplace空间的解析解,通过Laplace逆变化便得到耦合模型的黏弹性解。探究锚杆预应力和流变模型的黏性参数对围岩应力、位移场和锚杆轴力的影响,并基于理论模型和数值模拟软件FLAC^3D的二次开发,开展相应数值模拟,对比分析解析解和数值解,验证解析解的正确性。研究结果表明：解析解与数值解吻合程度良好,在隧道内壁处,锚杆支护力随着时间的增大逐渐减小,且锚杆预应力和围岩的黏性参数与支护效果密切相关,其中围岩的支护效果与锚杆预应力大小呈现明显的正相关关系;围岩的位移变化表现出明显的时间相关性,并且与锚杆预应力大小呈现负相关关系;当锚杆的预应力过大时,围岩位移不再随之显著减小,由此可见,施加于锚杆的预应力不应过大;围岩Burgers模型中第Ⅰ蠕变阶段黏性系数影响锚杆的初期支护效果,而后期支护效果主要受围岩Burgers模型中第Ⅱ蠕变阶段黏性系数影响,并且随着黏性系数的增大锚杆后期支护效果越好;锚杆的流变状态不受围岩黏性系数的影响。     

地面堆载条件下交叉穿越隧道的竖向位移计算方法研究

为研究地面堆载作用下交叉穿越隧道的竖向位移特性和快速分析评估地面堆载对交叉隧道的影响,考虑土体与隧道、隧道与隧道的相互作用,基于Boussinesq解和Mindlin解,提出交叉穿越隧道竖向位移的解析公式,并通过土与隧道的位移协调、隧道结构的弯曲变形分析进行编程求解。与地表堆载作用下的模型试验和三维有限元结果进行对比分析,计算误差在10%左右,验证本文解析方法的合理性。通过参数分析探讨交叉隧道间距及交叉角度对竖向位移的影响,结果表明： 隧道交叉穿越的相互影响导致上部隧道位移减小、下部隧道位移增大; 这种影响随隧道间距和交叉角度的减小而增大,交叉隧道由正交变为上下平行时,上部隧道最大位移减小30%,因此在小角度交叉穿越的隧道中更应考虑两隧道的相互影响。     

注浆加固对近水库隧道裂隙密集带区地下水渗流场的影响性分析

利用Visual-modflow三维可视化渗流软件建模分析了邻近水库裂隙密集带地层，隧道开挖至注浆前后全过程地下水渗流场分布规律。结合隧址区水库、裂隙密集带等水力联系的影响，研究了隧道施工未扰动下渗流场演变过程。结果表明，毛洞开挖后裂隙水垂直补给隧道，影响范围很大，水库方向的反向补给或贯通排泄并不明显；隧道初期支护有利于保持地下水流场稳定，由于密集裂隙带的存在，横断面渗流变化与毛洞状态初期较为接近；随着注浆加固止水效果的提升，地下水向隧道内汇集的趋势减弱且范围减小，当围岩渗透系数折减到90%时，与初始渗流场较为接近，表明良好的防水体系对维持地下水渗流场稳定发挥了较好的作用；密集裂隙带的存在仅对局部渗流场有影响，对隧道和水库之间的水力联系并无显著影响。     

穿越紧邻隧道时盾构开挖面稳定性分析

当盾构近距离穿越邻近隧道时,由于存在既有隧道的刚度约束,隧道周围土体的破坏模式会受到既有隧道影响。考虑盾构近距离穿越紧邻已有隧道的特殊施工形式,构建三维弹塑性有限元计算模型,分析盾构处于不同位置时其开挖面失稳破坏形态、开挖面支护压力与盾构掘进位移之间的关系以及隧道上方地表沉降规律;基于极限平衡法,推导盾构近距离穿越紧邻隧道时开挖面极限支护压力变化模式,并对相关参数的敏感性进行验证讨论。研究结果表明:既有隧道的存在使得破坏区域受到抑制,沿开挖方向两滑动面不对称,靠近既有隧道的滑动面张开角比另一滑动面张开角小;随着楔形体倾斜角增大,相同内摩擦角条件下的开挖面支护压力不断增大,同时由于盾构掘进产生的土拱效应和盾构开挖面上方既有隧道的刚度约束,随着内摩擦角的不断增大,开挖面支护压力呈先增大后逐渐减小的抛物线形变化;相同参数条件下,盾构在黏性土层中掘进时,由于黏性土层中产生的土拱效应较弱,所需提供开挖面稳定的支护压力略大,开挖面支护压力较盾构在砂性土层中掘进时略大,随着埋深比的增加,维持盾构开挖面稳定的极限支护压力逐渐增大,且随着内摩擦角的增大,开挖面极限支护压力相应增大。研究成果可为类似盾构隧道工程建设提供一定的理论参考。     

平行裂隙条件下水幕孔间距与压力对地下储油洞库水封性影响分析

地下水封石油储库水幕系统的布置方式及参数选取对储库的储油效果影响很大。采用数值模拟的方法建立地下水封石油储库的三维模型,分析裂隙对渗流场的影响,研究平行裂隙条件下不同间距和压力的水幕孔对水幕系统的影响。结果表明： 有裂隙存在时,水幕系统对储油洞室的影响更为明显,裂隙有利于围岩内渗流压力传递;适当缩小水幕孔间距、加大水幕孔压力,有利于形成“群孔效应”,在洞室周围形较高的稳定压力,且水幕孔压力变化引起的洞室周围压力变化较水幕孔间距明显,可优先选用加大水幕孔压力的方法来提高水幕系统的水封效果。     

山岭隧道涌水量预测方法分类及相关因素分析

准确预测隧道涌水量能有效减少隧道病害,保护生态环境,科学指导隧道的设计与施工,而如何正确选择和应用预测方法,是准确预测的前提条件。通过广泛调研,在总结分析各类涌水量预测方法的原理和适用范围基础上,以六盘山隧道某断面为例,深入探讨了围岩渗透系数、洞室尺寸、地下水位净高变化、注浆圈厚度、注浆水平和衬砌抗渗等级等因素对隧道涌水量的影响,重点指出各类解析方法的局限性和适用条件,突出了注浆水平在实际工程中的作用,并建议山岭公路隧道衬砌抗渗等级不宜小于S8。     

高水位条件下盾构隧道开挖面稳定性数值模拟

通过考虑渗流影响的三维有限元数值模拟,对高水压条件下盾构隧道开挖面稳定性进行研究,获得开挖面破坏模式和极限支护压力。研究结果表明：开挖面前方土体破坏面倾角随水位增高而逐趋平缓,总极限支护压力与水位高度呈非线性关系,且其斜率随水位增高而增大;在水位高度一定时,隧道埋深越小,渗流力对开挖面破坏模式和极限支护压力的影响越大。     

胶州湾海底隧道穿越破碎带渗流有限元模拟

水下隧道最小覆盖层分析是设计过程中关系安全和经济的重要因素。以青岛胶州湾海底隧道工程为背景,建立不同覆盖层厚度的海底隧道渗流有限元计算模型,分别就隧道穿越f3-1破碎带时的涌水量、渗流速度、孔隙水压力以及注浆圈参数选取开展研究和讨论。研究表明： Park公式与有限元涌水量计算结果较为吻合;覆盖层厚度较大时,渗流最快区域出现在拱脚;覆盖层厚度较小时,拱脚和拱顶中心均渗流较快;边墙和底板的孔隙水压力变化梯度随覆盖层厚度的增加而增大,拱顶规律相反,并且覆盖层厚度超过22 m后孔隙水压力变化梯度基本保持不变;从可靠性和经济性两方面综合考虑注浆圈厚度和渗透系数参数选取,本文给出了注浆圈参数建议取值范围为： 注浆圈厚度为4～6 m,渗透系数为1×10-7～2×10-7 m/s。     

管棚预支护条件下水下隧道开挖面三维稳定性分析

基于塑性极限分析理论,建立了考虑渗流力的管棚预支护条件下隧道开挖面三维稳定性分析模型,由此确定开挖面的极限支护压力。结合深圳地铁实际工程,采用该方法计算得到的开挖面极限支护压力与流固耦合数值计算结果吻合较好,验证了该方法的合理性,进而研究了管棚预支护对隧道开挖面渗流力的影响,分析了地下水位和管棚剩余长度与开挖面渗流力的关系。分析结果表明:渗流力对隧道开挖面稳定性有显著的影响,而且渗流力与地下水位呈线性关系,当隧道在富水地层施工时,必须考虑渗流力对隧道开挖面稳定性的影响;采用管棚预支护可以显著地减小隧道开挖面处的渗流力,但当开挖面前方管棚剩余长度超过2倍洞径时,再增加管棚长度对减小开挖面渗流力的效果不明显。     

青岛胶州湾海底隧道总体设计与施工

海底隧道修建在我国处于起步阶段,没有规范和成熟的经验可以借鉴。为了科学、安全、经济地建设青岛胶州湾隧道,为我国海底隧道建设积累经验和规范的编制奠定基础,从工程调研类比分析、理论计算分析、室内试验、现场试验、工程实践等方面对胶州湾海底隧道进行系统的科学研究,对跨海通道的型式（轮渡、环湾高速公路、大桥、隧道）进行比较分析,得出以下结论： 1）总结出海底隧道全〖HJ2.5mm〗天候、经济运行的优点; 2）得出三车道海底隧道最小岩石覆盖层厚度25 m、线净间距一倍洞径和最大纵坡4%等总体设计关键参数; 3）得出采用复合式衬砌、多心圆椭圆型的合理断面和支护参数; 4）采用“以堵为主、限量排放”的防排水方案,限排标准为04 m3/(d•m),保证了结构安全和最小排水量; 5）采用控制爆破保护围岩、多重防腐锚杆、C35湿喷高性能混凝土、C50耐久性混凝土等系统耐久性设计,预测使用寿命超过120年; 6）采用超前钻3～5个钻孔进行超前探水结合地质素描、物探等手段的综合超前地质预报,查明了工程地质和地下水情况; 7）采用凿岩台车、湿喷混凝土机械手等大型机械全断面或台阶法的快速安全施工方法以及综合的防塌方涌水技术措施等,保证了施工安全。     

隔水帷幕深度对苏州地铁隧道结构影响分析

随着城市地铁周边建设工程项目越来越多,研究邻近地铁的基坑施工对地铁隧道影响具有重要意义。基于苏州地铁1号线某基坑工程,采用FLAC 3D程序,分析研究在既有地铁隧道周边,基坑采用不同的隔水帷幕深度情况下,地下水渗流作用对地铁隧道的影响。数值模拟中考虑在2种不同的隔水帷幕深度时,基坑降水后隧道的位移场以及隧道管片应力。研究结果表明:1)增长隔水帷幕深度有利于控制隧道周围孔隙水压力降低,有利于减小隧道结构变形。2)随着隔水帷幕深度增加,减小了基坑降水引起隧道结构应力的降低。     

浅埋大跨小净距桃花峪黄土隧道系统锚杆作用效果研究

为了更好地研究系统锚杆在浅埋大跨小净距黄土隧道中的支护效果,以武西高速公路桃花峪隧道施工为依托,进行有无锚杆现场对比试验,结果表明:从初期支护左右侧拱顶沉降的对比来看,有锚杆段沉降略小于无锚杆段,水平收敛相差不大,锚杆对改善隧道围岩和初期支护受力作用相对较小,有锚杆试验段围岩-初期支护接触压力量值相对较小,相比于无锚杆段的土体压力略微均匀。综上所述,建议取消锚杆,对于薄弱环节可保留先行洞边墙小净距侧的锚杆施作。     

天津地铁盾构隧道四线交汇掘进数值分析

为解决多条近接隧道施工时后行隧道开挖对先行隧道结构造成的不利影响,以天津地铁5、6号线四线交汇隧道为研究对象,选取典型复杂断面,采用数值软件FLAC3D,模拟富水地层中四线交汇隧道开挖时隧道结构之间的相互影响规律。结果表明： 该复杂断面处,后行隧道施工使先行隧道整体位移具有偏向开挖隧道移动的牵引趋势,且先行下部隧道竖向整体位移较横向整体位移变化更为显著。在渗流作用下,先行下部隧道施工产生的地表沉降量及沉降范围相比后行上部隧道较大,验证了富水地层中渗流作用对土体变形影响程度及范围均远大于开挖应力释放的影响。