隧道开挖三维有限元数值模拟分析

围岩及支护结构的位移、应力分布变化规律是隧道开挖是否安全的评价标准。针对隧道开挖计算的复杂性,采用有限元对其建立三维数值模拟。利用ANSYS对隧道开挖过程进行模拟,得到支护结构的位移、应力分布变化规律。数值计算结果表明,竖向最大位移发生在拱顶处,而支护最大压应力出现在拱腰。     

底部岩溶小净距隧道施工力学特性研究

以某底部含有溶洞的小净距隧道为例,运用有限元软件ABAQUS对隧道采用单侧壁导坑法施工过程中围岩的塑性区、洞周位移以及围岩应力的变化情况进行了数值分析研究并得出结论:对于底部岩溶小净距隧道,先行洞的施工对后行洞塑性区的发展影响不明显,溶洞对隧道拱顶下沉和仰拱隆起量影响较为明显,并且对先行洞洞周收敛值的影响较后行洞大。隧道施工过程中洞周围岩以及中夹岩柱一般处于压应力状态,受力状态较为理想。在施工过程中应重点关注隧道塑性区的发展以及洞周位移值的监控量测。     

不同开挖方案下隧道围岩稳定性及变性特征分析

不同的开挖进尺会引起隧道相应的围岩位移变化,围岩位移超过容许值将会影响隧道的安全性。以长茂山双车道浅埋隧道为例,采用有限元软件ABAQUS对台阶法不同开挖进尺条件下的隧道施工进行三维数值模拟,从位移及应力两方面来分析台阶法不同开挖进尺的围岩变化规律。研究表明:围岩位移变化主要在拱顶及拱顶附近且侧拱两侧位移曲线呈对称分布;围岩的最大位移变形量随开挖循环进尺增大而相应增大,当开挖进尺增大到6 m后,围岩发生最大位移增长滞缓;围岩竖向位移和拱顶应力随开挖进尺变化的规律可以采用Logistic增长函数进行拟合;提出了循环开挖进尺为4 m的合理施工方法。     

爆破振动下双洞隧道衬砌动力响应分析

以浙江省金华市里岩垄坑2号隧道为工程背景,研究Ⅲ级围岩隧道爆破时衬砌动力响应.本文采用MinimateProTM振动监测仪对开挖洞与邻洞进行了爆破振动测量,并利用Midas GTS NX对双洞隧道进行数值模拟分析.研究结果表明:本洞初衬振动速度和位移的最大值发生在拱顶处,横向上的大小远小于纵向和竖向.对于纵向,拱顶及拱肩处的质点振动峰值速度远大于其他关键位置的,各关键位置的竖向位移和速度变化趋势相同,但仍是拱顶处最大;本洞初衬应力最大值位于拱腰处,先行洞应力最大值在左拱腰处;其速度与位移的最大值位于左拱肩;先行洞二衬与后行洞掌子面的纵向间距应为15～20 m.本文研究结果可为双洞隧道的爆破施工提供指导.     

爆破振动下双洞隧道衬砌动力响应分析

以浙江省金华市里岩垄坑2号隧道为工程背景,研究Ⅲ级围岩隧道爆破时衬砌动力响应.本文采用MinimateProTM振动监测仪对开挖洞与邻洞进行了爆破振动测量,并利用Midas GTS NX对双洞隧道进行数值模拟分析.研究结果表明:本洞初衬振动速度和位移的最大值发生在拱顶处,横向上的大小远小于纵向和竖向.对于纵向,拱顶及拱肩处的质点振动峰值速度远大于其他关键位置的,各关键位置的竖向位移和速度变化趋势相同,但仍是拱顶处最大;本洞初衬应力最大值位于拱腰处,先行洞应力最大值在左拱腰处;其速度与位移的最大值位于左拱肩;先行洞二衬与后行洞掌子面的纵向间距应为15～20 m.本文研究结果可为双洞隧道的爆破施工提供指导.     

双侧壁导坑法隧道围岩受力变形研究

以昌景黄高铁瑶里隧道暗挖段DK90+550～DK90+610作为研究断面，建立三维数值模型，研究隧道双侧壁导坑法施工过程中隧道的变形和支护结构的内力，深入分析了双侧壁导坑法临时竖撑曲率半径和初期支护钢拱架间距的影响。研究表明，隧道施工过程中隧道拱顶处围岩竖向位移较大，隧道拱腰处围岩水平位移较大。当开挖左侧导坑中间土体和拆除临时支撑时，拱腰水平位移会显著增大。随着双侧壁导坑法临时竖撑曲率半径的增大，围岩的竖向位移逐渐减小，水平位移逐渐增大，初期支护钢拱架的应力逐渐减小，且临时竖撑曲率半径对围岩竖向位移的影响更加显著。围岩竖向位移和水平位移均随着初期支护钢拱架间距的增大而增大，且钢拱架的变化对拱顶围岩竖向位移的影响更为显著。     

隧道开挖引起的围岩变形特征数值分析

以乐雅高速公路光华山隧道三台阶法开挖工程为例,利用有限元软件ABAQUS研究隧道开挖对围岩变形和关键点位移的变化规律,并将现场实测结果与数值结果进行对比分析。结果表明,隧道开挖过程中围岩水平位移小于竖向位移,且变化较小;与拱顶沉降相比,隧道开挖过程使拱腰水平收敛所需稳定时间更长;隧道开挖会导致拱顶发生沉降且仰拱出现隆起;左右侧拱脚和拱腰均向隧道中心移动,且与拱脚相比,隧道开挖对拱腰的水平位移影响更大。实测结果证明数值模拟规律的正确性,可为隧道支护设计及开挖方法选定提供依据。     

施工通道门型转换法进入地铁车站施工力学研究

以重庆市轨道交通10号线红土地车站为依托,采用有限元数值模拟和监控量测相结合的方法,分析门型转换爬坡法施工对施工通道和地铁车站交叉段围岩及支护结构稳定性的影响。分析结果表明:门型转换法的施工对转换段隧道围岩的位移和应力有较大影响;交叉段围岩竖向位移为8.3~10.7 mm;围岩最大主应力为7.92 MPa(压应力),最小主应力为0.64 MPa(拉应力);支护结构最大主应力为21.40 MPa(压应力),最小主应力为6.30 MPa(拉应力),最小主应力超过混凝土的抗拉强度,在施工过程中应该给予足够的重视。     

湿喷纤维混凝土支护公路隧道横洞的有限元数值分析

基于大型有限元程序FLAC软件,针对某高速公路隧道间行车横洞采用15cm、20cm、25cm等不同厚度的聚丙烯纤维增强混凝土锚喷支护结构时的最大与最小应力场、塑性区的位置及演变、隧道拱顶、直墙及底板的位移进行了数值模拟计算分析。结果表明:聚丙烯纤维增强混凝土锚喷支护结构均可有效地改善围岩的应力再分配、降低围岩的塑性区分布范围和深度,强化了隧洞的稳定性。     

基于ADINA的隧道开挖变形分析

采用大型非线性有限元分析软件AD INA对隧道开挖变形进行数值模拟,建立二维有限元分析模型;采用AD INA自带的单元生死功能动态模拟开挖支护过程,对比全断面开挖法与上下台阶法开挖两种施工方法,分析两种方法对隧道围岩变形的影响,结论是两种方法产生的变形均向洞内收缩,拱顶Z向位移变化较为接近,两邦Y向位移是全断面法大于上下台阶法;此外,对锚杆的位移变化进行了分析,进一步说明两种施工方法对洞周围岩变形的影响,此时锚杆均受拉,起悬吊作用。     

深埋隧道穿煤段围岩变形特征研究

根据某隧道穿煤段（C2煤层）的工程实例,结合围岩位移、围岩内位形、锚杆轴力和钢拱架压力等现场监测,而进行的有关隧道穿过煤段围岩-支护结构的变形特征的分析结果表明：围岩位移变形分为急剧增长、缓慢增长和趋于稳定三个阶段：受高应力与岩体结构的影响,拱顶下沉为水平收敛的3倍,且初期下沉快,下沉时间长;围岩浅部较深部变形快且大．松动圈半径为2．5m～3．0m。该研究结果为深埋隧道穿越煤段设计和施工提供了重要的科学依据。     

富地表水浅埋偏压隧道围岩变形的实时监测研究

偏压隧道一般位于风化破碎岩层、堆积层、冲积层或坡积层等较松软地层,埋深往往较浅,在隧道开挖过程中,洞顶下沉较大,难以形成自然平衡拱.通过研究广珠铁路江门隧道典型断面围岩周边水平位移、拱顶沉降和地表沉降的实测数据,分析了隧道开挖引起围岩变形与破坏特征.分析表明,周边水平收敛和拱顶沉降均为开挖初期变化速率较快,开挖一段时间后变形趋于稳定.     

双侧壁导坑法施工的大断面隧道的稳定性分析

以沙湾大断面隧道为研究背景,应用ANSYS有限元软件,采用释放荷载法,研究支护封闭的快慢对双侧壁导坑法施工的隧道稳定性的影响。通过对拱顶沉降、边墙中点水平位移、围岩塑形区及初衬应力的分析,得到了支护封闭时间对隧道受力和位移状态的影响,施工中应尽量缩短各开挖面的距离,使支护尽快封闭,有利于隧道稳定。为了进一步改善隧道的受力状态,模拟分析了加固部分围岩后的状态。结果表明加固侧壁导坑临时支护与初衬接触处的围岩能较好的改善隧道的受力条件。在临时钢架支护下端与初衬的接触点附近出现了应力集中现象,受到了很大的拉应力,在设计施工中应引起重视。     

公路隧道数值模拟开挖支护浅析

利用ANSYS有限元分析软件,考虑地应力的逐步释放,对某公路隧道软弱围岩标段的台阶法开挖支护进行了数值模拟,并对围岩和支护体系的变形和受力特点进行了分析,得到了拱顶沉降、洞内水平收敛以及支护结构内力变化规律,这为工程的顺利实施提供了依据和指导,可供类似工程参考。     

隧道围岩动态变形规律及控制技术研究

基于前人既有研究成果和日本龟浦隧道围岩变形试验,结合郑西客运专线大断面黄土隧道围岩大变形的工程实践,阐述隧道施工影响下围岩变形动态规律,提出围岩变形控制的技术要点和技术措施,并提出相应的围岩变形控制建议.研究结果表明：隧道开挖后的围岩变形可分为掌子面前方的先行变形、掌子面变形及掌子面后方变形3种形式,且这3种变形是同时发生的.控制开挖工作面失稳、拱顶失稳、拱脚下沉和围岩大变形等是隧道围岩变形控制的要点.开挖过程控制和辅助工法控制是隧道围岩变形控制的重点,其中初期支护及时闭合和合理辅助工法的选取是关键.     

近水平软硬互层围岩公路隧道初期支护内力分析

将近水平软硬互层围岩等效为横观各向同性岩层,推导其密度、弹性模量、泊松比等材料参数。以广南高速公路文家垭隧道为分析对象,根据横观各向同性围岩参数建立平面应变有限元模型,结合现场测试数据分析近水平软弱围岩台阶法施工过程中初期支护的受力状态。研究表明:上台阶开挖后初期支护受轴向压力,拱顶和拱墙腰向内弯,而拱腰向外弯;下台阶开挖后,初期支护继续受轴向压力,拱顶和仰拱向内弯,拱腰和拱墙腰向外弯。研究结论与拱顶沉降和拱底隆起现象相符合。     

应用拱顶沉降监测技术预报软弱围岩隧道突泥突水

在隧道软弱岩层中存在具有一定压力的水体会使周边围岩产生变形,因此可通过监测临近掌子面的拱顶位移速率来推测前方是否可能发生突水突泥。具体过程为通过统计已有测量的拱顶下沉速率量与突水突泥的事件发生的相关度,得出一个阈值。然后,根据这个阈值来推测前方是否可能发生突泥突水。石林软岩隧道的应用实例说明此方法具体可行,为超前地质预报提供了一个新的途径。     

双侧壁导坑法施工的大断面隧道的稳定性分析

以沙湾大断面隧道为研究背景,应用ANSYS有限元软件,采用释放荷载法,研究支护封闭的快慢对双侧壁导坑法施工的隧道稳定性的影响。通过对拱顶沉降、边墙中点水平位移、围岩塑形区及初衬应力的分析,得到了支护封闭时间对隧道受力和位移状态的影响,施工中应尽量缩短各开挖面的距离,使支护尽快封闭,有利于隧道稳定。为了进一步改善隧道的受力状态,模拟分析了加固部分围岩后的状态。结果表明加固侧壁导坑临时支护与初衬接触处的围岩能较好的改善隧道的受力条件。在临时钢架支护下端与初衬的接触点附近出现了应力集中现象,受到了很大的拉应力,在设计施工中应引起重视。     

主应力方向对软岩隧道稳定性影响的试验研究

为探明高地应力场主应力方向对软岩隧道围岩稳定性的影响规律,采用自主研发的"隧道三维应力场模拟试验系统"开展了大型三维地质力学模型试验,研究了最大水平主应力与隧道轴线平行和垂直两种工况下软岩隧道的围岩稳定性.研究结果表明:最大水平主应力与隧道轴线平行时,拱顶沉降和拱脚收敛的最终值分别为-0.221 m和-0.454 m,拱顶、左拱脚、右拱脚和仰拱处的围岩压力分别为0.478、0.361、0.416 MPa和0.261 MPa;最大水平主应力与隧道轴线垂直时,拱顶沉降和拱脚收敛的最终值分别为-0.309 m和-0.548 m,拱顶、左拱脚、右拱脚和仰拱处的围岩压力分别为0.579、0.652、0.593 MPa和0.327 MPa;两种工况下,围岩压力的最小值均出现在仰拱处、最大值均出现在墙脚处,围岩的径向应变增量均为拉应变增量,切向应变增量均为压应变增量,说明隧道开挖导致洞周围岩径向应力减小、切向应力集中.      

大南山隧道车行横洞的开挖对主洞的影响分析

通过数值模拟的方法,探讨大断面隧道,由于车行横洞的开挖引起的主洞隧道交叉口处围岩位移的变化。