不同应力场软弱围岩隧道施工力学特征的数值分析

岩体内部的初始应力及隧道开挖后的围岩应力是隧道工程的关键影响因素,为了更全面地了解不同应力场软弱围岩公路隧道施工的力学特征,建立有效的有限元模型,采用不同加载方式,模拟不同应力场,对软弱围岩公路隧道施工过程中隧道围岩位移和应力变化特征及其影响范围进行了详细分析,并对衬砌结构的受力特征进行深入研究.结果表明:不同应力场决定了隧道施工过程中围岩塑性区的大小和位置,这也就决定了隧道施工中重点监控的位置;在不同应力场隧道开挖完成后,拱上20 m水平面围岩竖向位移、拱上中心线围岩竖向位移及仰拱底围岩竖向位移随着侧压力系数的减小而明显增大,拱腰处围岩水平位移则随着侧压力系数的减小而明显减小;应力场对衬砌结构的内力影响很大.     

软弱围岩大断面隧道相向施工围岩稳定性分析与掌子面加固研究

相向施工的软弱围岩隧道临近贯通时,两开挖面的扰动区将会叠加,围岩应力及变形异常复杂,存在掌子面大变形和失稳问题。结合狮子垄隧道,采用数值手段分别对单向、相向施工时的隧道围岩应力与位移场进行研究,分析临近贯通时围岩的稳定性。结果表明,相向施工时,随着掌子面前方土体长度的减小,围岩塑性区明显增大,变形加剧,拱效应逐渐减弱,稳定性大大降低;两开挖面间存在极限距离,当2个掌子面距离小于该值时,围岩大范围临近塑性破坏,必须采取有效应对措施,方可保证隧道施工安全。在对掌子面加固、提高初支强度等措施效果分析的基础上,采用竹锚管注浆对狮子垄隧道贯通段掌子面进行加固,并提高初支强度,保证了该软弱围岩大断面隧道顺利安全贯通。     

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。     

浅覆大跨度小净距隧道中岩墙及初支力学特性研究

通过建立后掘隧道的三台阶开挖数值分析模型,模拟D/B分别为0.5,0.75,1,1.25,1.5,2情况下,后掘隧道开挖对中岩墙多次扰动所引起的围岩塑性区分布、主应力差、水平位移等力学特性,并分析其对先行隧道初支内力的影响。通过分析中岩墙应力、变形随净距的变化,表明当中岩墙厚度小于0.75B时,中岩墙上部区域塑性区已贯通,塑性区范围急剧扩大,说明后掘隧道对中岩墙的受力变形和先行隧道支护结构受力极为不利。在D/B=0.5的不利情况下,可对中岩墙进行注浆加固处理,模拟结果表明注浆可极大降低初支受力,最大轴力减小了49.1%,最大弯矩减小了29.1%,大大提高了围岩稳定性。     

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。     

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。     

大断面黄土隧道台阶法施工数值模拟研究

针对新建忻州隧道工程,运用有限元通用软件ANSYS,对大断面黄土隧道采用台阶法施工的过程进行数值模拟,探讨了采用台阶法施工隧道的围岩、初期支护及二次衬砌应力场和位移场随施工步的变化规律。在此基础上,研究了隧道初期支护、二次衬砌的支护效果以及隧道开挖对已施作初期支护受力及变形的影响。结果表明:①隧道施作初支有利于降低地层压应力,减小隧道变形;施作二衬能有效降低地层和初支的主应力,对隧道变形影响不大;②隧道的进一步开挖将导致已施作初支的压应力及位移值增大,使初支处于更危险的状态。     

重庆轨道交通某区间隧道与施工通道交叉段施工力学研究

为确保区间隧道与施工通道交叉段施工的安全和质量,研究了交叉段的围岩应力状态及变形机制,依托重庆轨道交通某区间隧道与施工通道形成的交叉断面特征,建立了三维有限元数值模型,分析了交叉段围岩位移、应力特征及塑性区特征,并结合现场监控量测资料,研究交叉段围岩应力分布和位移变化趋势。结果显示,在隧道交叉部位拱脚出现应力集中,拱顶处竖向位移出现突变,施工时需加强对这2个部位的支护和监控量测;隧道开挖会在左、右侧墙拱脚及左、右隧道之间的小净距区域形成塑性区,施工时需加强支护。研究成果可为隧道交叉段的设计、施工提供科学依据,对同类工程具有一定的参考价值。     

循环进尺对大断面浅埋隧道稳定性的影响

依托某高速公路大断面浅埋隧道工程,结合有限元数值分析方法,从围岩竖向位移、隧道净空收敛、支护结构内力、围岩塑性区四个角度对该隧道三台阶施工方法的合理循环进尺展开模拟分析。结果表明:循环进尺长度大于1. 5 m不满足该隧道开挖稳定的要求,从支护结构内力分布角度来看,循环进尺长度越小对支护结构内力分布越有利,因此,三台阶法开挖该隧道时,循环进尺长度设置为1～1. 5 m能保证该隧道的开挖稳定。     

大断面软岩隧道台阶法施工安全数值模拟研究

在中风化围岩及不良地质条件下,选取可靠的隧道喷锚支护结构和合理的开挖步距是采用上下台阶法安全施工的关键因素。基于地层结构法的有限元数值模拟可以有效计算喷锚支护结构内力,从而为结合安全系数法评价支护结构的安全性产生了积极作用。三维数值分析表明,相对于隧道拱顶竖向沉降及支护结构安全系数,围岩径向塑性区扩展受开挖步距的影响更大,是确定安全开挖步距的关键因素。基于此,得到的IV级中风化白云岩中隧道安全开挖步距的极限长度为70m。本文隧道喷锚支护结构安全性及安全步距的确定方法可以为类似岩石隧道台阶法施工提供有益的指导和借鉴。     

软岩隧道埋深及施工进尺对围岩稳定性影响分析

该文以中国西部某隧道为研究对象,采用三维有限元数值模拟手段对埋深及施工循环进尺对隧道围岩的稳定性进行了分析,针对不同埋深状况下围岩应力、围岩位移、塑性区及其初支应力的状况,以及不同循环进尺对围岩应力、围岩位移等的影响进行了探讨。研究结果表明:隧道埋深越深,对围岩和支护体系均存在不利影响,需在埋深较大的地段,加强监控量测,必要时需施加钢支撑,以增加初期支护的抗压能力;大进尺施工对围岩应力的最大拉应力和洞周位移影响较大,建议施工时循环进尺选择1.5~2m为宜。     

锚杆施作时机对炭质千枚岩隧道力学响应影响研究

针对炭质千枚岩隧道施作锚杆时容易剥落掉块并导致局部失稳的问题,对先喷后锚法与传统先锚后喷法进行比较研究。为了分析2种施工方法对围岩与支护体系力学响应的影响,借助三维数值分析手段对洞周位移变化、初期支护结构受力、锚杆受力及围岩的塑性发展进行分析。结果表明,先喷后锚法引起的围岩变形与支护体系应力略大,先锚后喷法对控制围岩变形效果显著,二者均可满足一般工程需要;当对围岩变形控制要求严格时应选用先锚后喷法。     

山岭隧道断层破碎带富水段开挖方法的对比分析

以小北山1号隧道为研究对象,采用FLAC3D有限元模拟分部开挖的几种工法,对隧道穿越F3断层破碎带处的开挖过程进行了模拟。针对4种不同施工工法情况下竖向位移、围岩应力以及塑性区进行了对比分析,结果表明,采用预留核心土法时得到的底部隆起、拱顶沉降量和拱脚最大主应力是四种工法中最小的;尽量减小对围岩体的扰动可以对隧道顶部的沉降控制起到一定的作用;拱肩处出现的受拉塑性区在施工过程中容易造成洞室的整体失稳,需及时支护。     

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。     

大桥隧道锚碇三维粘弹塑性数值模拟

为了解某大桥隧道锚碇及围岩体在张拉荷载下的变形状态及时效特性,采用三维显式有限差分软件FLAC^3D对该大桥隧道锚碇系统进行三维粘弹塑性数值模拟。根据地质资料以及混凝土锚碇结构尺寸,建立隧道锚碇的三维计算模型,对岩体与锚碇之间的相互作用以及锚碇结构在长期荷载作用下的破坏模式进行研究,分析了由于施工开挖引起的锚碇和隧道围岩的位移及其应力变化。分析结果表明：当考虑岩体的流变力学特性后,在设计荷载作用下,锚碇和隧道围岩的变形均有所增加;与弹塑性计算结果比较,施加荷载后经流变分析得到的隧道顶拱和底板的切向应力有所降低,拉应力的量值及拉应力区的范围减小,塑性区体积进一步扩大。     

断层泥倾角对隧道稳定性影响的数值分析

以某铁路隧道为例,运用FLAC3D数值软件模拟不同断层泥倾角对隧道稳定性的影响。结果表明:掌子面轴向位移、初支弯矩沿开挖方向可以分为3个阶段,即完整围岩稳定阶段、交界面临近位置变化阶段及断层破碎带段稳定阶段。在距离交界面较远的位置,位移、内力沿隧道纵向变化较小,与在单一土层或岩层中开挖相似。在土岩交界面临近位置,随着断层泥倾角的增大,土岩交界面影响的范围减小。围岩及初支的位移、内力曲线对开挖进深的敏感性不同,随着断层泥倾角的增大,围岩及初支的位移、内力曲线斜率更大。     

偏压隧道边坡桩锚支护加固效果的数值分析

为分析锚拉桩与抗滑桩组成的桩锚支护对偏压隧道边坡的加固效果,以某软弱围岩隧道为背景,建立三维弹塑性有限元模型进行分析,重点分析了桩锚加固与无加固状态下的边坡剪应变,水平与竖直位移,坡底抗滑桩轴力。结果表明,坡体剪应变在岩层交界面上最大,桩锚加固使得边坡的剪应变减小了42.8%;右线隧道拱脚的水平位移最大,桩锚加固使得边坡"U"形区范围明显缩小;竖直位移随着岩层深度的增加逐渐减小,桩锚加固使得坡底到坡中心的竖直位移减小了63%;桩锚加固状态下,坡底靠近临空面的抗滑桩轴力最小,其余抗滑桩轴力大小接近。     

渝中城项目超深基坑开挖及超高建筑群加载对既有隧道影响分析

随着土地资源利用趋于饱和,在既有隧道上开挖超深基坑和修筑超高层建筑群已成为中心城市发展的一种趋势,确保既有隧道的安全运营是项目开发建设的前提条件。以渝中城大型城市综合体项目及下穿公路隧道为研究背景,采用Midas/GTS有限元软件建立三维模型模拟隧道施工、深基坑开挖及建筑群加载的全过程,在分析过程中结合隧道施工特点及隧道现状检测结果,考虑围岩松动圈、隧道材料劣化等不利因素,对裂缝及局部衬砌厚度偏薄等质量瑕疵进行分析。从位移场、应力场、塑性区分布及衬砌内力变化等多方面分析项目施工给隧道带来的影响程度,得出以下结论:1)在施工过程中,拱顶竖向位移的变化较拱侧水平位移明显;2)基坑开挖工况对隧道位移的影响较建筑物加载工况大;3)隧道衬砌内力变化不明显,隧道衬砌安全系数能满足规范要求,项目实施能保证隧道安全运营。     

软弱破碎围岩隧道开挖支护中CD法与环形开挖留核心土法对比分析

针对Ⅴ级围岩隧道岩体破碎,开挖中易发生松动变形、掌子面挤出、拱顶坍塌及地表沉降过大等病害的问题,基于FLAC^3D有限差分软件,对采用环形开挖留核心土法及中隔壁法(CD法)施工过程中围岩应力、位移和塑性区范围发展情况进行对比,分析不同开挖支护方法对围岩稳定性的影响。结果表明,相较于环形开挖留核心土法,CD法具有施工扰动小、初期支护封闭早、围岩位移及塑性区面积较小的优点,更适合于Ⅴ级围岩隧道的开挖支护。     

下伏水平煤层采空区对隧道开挖稳定性影响研究

隧道下伏水平采空区时将对洞周位移、初期支护内力、围岩应力产生不利影响。以达万高速公路天坪寨隧道为依托工程,采用FLAC3D模拟了隧道下伏水平采空区时的开挖过程,分析了煤层厚度对隧道洞周位移、初期支护内力和围岩应力的影响。结果表明,随煤层厚度的增加,拱顶沉降、拱底隆起及洞周最大位移显著增加;当煤层厚度小于1.7m时,随厚度增加,最大正弯矩、最小轴力均明显增加;超过2m后,初支内力的变化趋于稳定;煤层厚度变化对拱顶围岩压应力以及洞周围岩最大压应力有较大的影响。