有限元极限分析法在隧洞工程中的应用

作为一个学术报告对以往研究成果做一个综述,内容包括有限元极限分析法原理、隧洞的破坏机理、隧洞深、浅埋分界标准,无衬砌隧洞围岩的定量稳定性分析质以及有衬砌隧洞时隧洞初衬与二衬的设计计算方法,以供同行们参考.     

近接桩基的朝天门隧道二次衬砌安全分析

为研究浅埋隧道下穿嵌岩桩后,在不同桩位及桩荷载逐级增加的情况下,隧道二次衬砌的安全系数影响规律,以重庆朝天门隧道为研究对象建立模型.采用ANSYS有限元软件模拟隧道施工过程以及隧道上方建筑加层,计算了在不同桩位及桩荷载增加情况下的二次衬砌安全系数.结果表明:8#桩所在断面,在理想围岩条件下,计算安全系数为8.89,满足安全要求;桩在隧洞中心两倍隧洞半径范围内时,最小安全系数对桩荷载增加极度敏感,对水平距离的减小敏感,不利于二次衬砌的安全性,表明朝天门隧道上方建筑物应该尽量避免加层,或应对该范围内的桩基进行托换.     

大断面高速公路隧道复合式衬砌结构受力监测分析

以云南昆石高速公路某3车道大断面隧道为实例,对其典型断面洞室复合式衬砌结构各施工阶段的受力特性进行跟踪监测,详细分析了锚杆轴力、围岩压力、钢拱架内力、二次衬砌混凝土结构的受力状况,研究结果表明:受围岩体结构不均匀性的影响,其Ⅴ级围岩复合式衬砌结构的总体受力状况较为复杂,存在着一定的偏压现象,实测围岩压力远小于理论计算值,原施工图预设计的部分支护结构参数可以再作适当的优化调整。     

大断面高速公路隧道复合式衬砌结构受力监测分析

以云南昆石高速公路某3车道大断面隧道为实例,对其典型断面洞室复合式衬砌结构各施工阶段的受力特性进行跟踪监测,详细分析了锚杆轴力、围岩压力、钢拱架内力、二次衬砌混凝土结构的受力状况,研究结果表明:受围岩体结构不均匀性的影响,其Ⅴ级围岩复合式衬砌结构的总体受力状况较为复杂,存在着一定的偏压现象,实测围岩压力远小于理论计算值,原施工图预设计的部分支护结构参数可以再作适当的优化调整。     

寒区隧道冻胀效应测试与分析

为研究寒区隧道冻胀力随时间和空间的分布规律, 基于温度场变化定义了测试冻胀力, 通过衬砌压力和钢架应力间接反映真实冻胀力的变化规律; 提出了冻胀力简化测试方法, 研发了温度场-冻胀力同步测试系统; 以四川省省道215线鸡丑山隧道为例, 布置5个测试断面开展大规模现场测试, 并选取典型断面K117+700 (简称700断面) 和K117+600 (简称600断面) 分析了隧道环境温度、围岩温度、衬砌压力与钢架应力; 以围岩冻结(12~次年2月) 和未冻(7~9月) 时对应的衬砌压力和钢架应力差值为测试冻胀力, 结合温度场分析了隧道周边各测点测试冻胀力; 采用现有冻胀模型计算理论冻胀力, 并与测试冻胀力进行了对比, 研究了寒区隧道冻胀规律。分析结果表明: 隧道环境温度随时间呈季节性正弦函数变化, 受环境温度影响, 围岩温度呈季节性正负温变化, 并出现季节性冻融现象; 当围岩为负温时处于冻结状态, 支护系统受到围岩压力和冻胀力的共同作用, 且温度越低冻胀效应越明显, 各断面测点应力峰值均出现在1月, 700断面衬砌和钢架最大应力分别为149kPa、31MPa; 当围岩为正温时处于未冻结状态, 支护系统仅受到围岩压力作用; 同一断面不同测点的测试冻胀力差值可达5.23MPa, 说明冻胀力除与围岩温度有关外, 还与富水条件和围岩级别有关; 最大冻胀力实测值比理论计算值小1.25MPa, 因此, 寒区隧道支护设计时建议考虑89.17%的冻胀力折减系数。      

公路隧道二次衬砌厚度的优化

应用工程类比法对榆树沟隧道二次衬砌厚度进行了优化设计,选取了Ⅱ类围岩浅埋、Ⅲ类围岩及Ⅳ类围岩三种不同的复合式衬砌结构类型,对隧道开挖后围岩和初期支护的力学状态采用FLAC软件进行了模拟计算,对二次衬砌的力学状态采用ANSYS软件进行了分析。结果表明三种衬砌结构类型的二次衬砌内力都较小,最大轴力为165 kN,最大弯矩为-15.97 kN.m,且都发生在Ⅱ类浅埋断面,二次衬砌的安全系数较大;衬砌周边位移最大的是Ⅱ类围岩浅埋,其洞周位移最大值(18 mm)发生在拱脚处,边墙围岩收敛较小,且围岩越好,周边位移越小;现场监控量测的净空收敛数值均远小于允许收敛值,二次衬砌接触压力的量测值均远小于规范计算值。可见,二次衬砌工作状态良好,安全储备较大,减薄二次衬砌厚度的隧道结构是安全的。     

大跨软弱围岩隧道三岔口施工技术

结合扩建金华至温州高速铁路某双线隧道的修建情况,介绍了在大跨铁路隧道软弱围岩段横洞进主洞三岔口施工关键技术。即采用单侧小导坑（3m×3m）进入主洞洞身进行开挖,于主洞中线处达到拱顶高程,逐步扩挖至标准断面,并进行初期支护,再依次落底施工下台阶,直至全断面成型;交岔口段横洞设置10榀异形拱架及门架横梁,以保证施工安全,同时门架横梁作为主洞钢架落脚支撑。通过采取上述措施保证了洞室结构的整体稳定,有效避免了安全事故的发生。     

大断面水工隧洞方案优化设计

针对南水北调中线工程主干渠的水力要素确定了吴庄隧洞的总过水断面面积，对三种常见的断面形式：分离双洞、双连拱隧洞和三连拱隧洞，进行了优缺点比较，最后确定采用分离双洞形式。依据工程类比。对分离双洞方案进行了支护参数设计，并对二次衬砌进行了截面强度和抗裂要求检算，方案合理。     

基于隧道火灾损伤的衬砌安全性分析与评价

基于某隧道火灾过火段的结构安全性分析和评估,从衬砌结构变形及应力方面入手,通过工程类比、理论和数值分析等手段对特征隧道断面进行加固整治前后的二次衬砌结构安全性验算,验算指标包含衬砌抗压强度、抗拉强度和结构安全系数。结构安全性验算的主要特征断面选择在Ⅳ级围岩、Ⅴ级围岩和紧急停车带上,主要验算工况包含火灾前工况、火灾后拱圈不同剥离深度工况和加固施工后工况。安全性分析与评价表明,部分隧道过火段存在不同程度的衬砌结构失稳风险,加固施工后衬砌结构的位移与受力状态得到明显改善,各验算指标限值满足规范要求。     

寒区隧道衬砌刚度分布对冻胀压力的影响

为保证衬砌结构具有合理的安全度,考虑冻胀水体、衬砌和围岩之间的共同作用特征,提出了约束冻胀模型和冻胀压力的理论计算式,并采用考虑围岩抗力的荷载-结构模型求解衬砌刚度分布.在此基础上,以结构安全度为度量指标,探讨了冻胀压力与衬砌刚度之间的关系.结果表明:等厚衬砌断面结构刚度在拱顶及仰拱中部较小,边墙部位较大;增大衬砌厚度使衬砌刚度增大,导致冻胀压力增大,同时也提高了衬砌承载能力;增大衬砌厚度导致的冻胀压力增大不如衬砌承载能力的提高显著,因此,增大衬砌厚度是提高衬砌抗冻能力的有效措施.     

基于FLAC3D大断面浅埋偏压隧道开挖 方式数值分析

以V级软弱围岩杏花村偏压隧道工程为背景,应用有限差分软件FLAC3D对大断面偏压隧道进行开挖数值模拟,研究大断面浅埋偏压隧道中微台阶法与环形开挖预留核心土开挖的不同效果。结合杏花村三车道隧道施工实测数据,通过对比分析发现模拟结果与实际监测结果一致。FLAC3D准确模拟软弱围岩浅埋偏压隧道开挖,结果表明:在大断面偏压隧道开挖中,偏压侧位移较大,施工过程中,可采取在偏压侧设置挡土墙或加厚衬砌厚度的措施。通过对数值模拟中围岩应力状态、衬砌结构内力的比较,综合考虑后采取环形开挖预留核心土法进行大断面偏压隧道开挖,有较好的施工效果。     

大断面连拱隧道中隔墙厚度研究

大断面连拱隧道关键部分为中隔墙,而目前关于大断面连拱隧道中隔墙方面的研究资料较少。毛家隧道为大断面连拱隧道,洞口处在Ⅴ级围岩中,合理地确定中隔墙的厚度是本隧道的关键所在。采用数值计算的方法,在Ⅴ级围岩衬砌结构中隔墙厚度(不含两侧二次衬砌厚度)为1.0、1.1、1.2、1.3、1.4 m的不同情况下,通过计算分别得出了中隔墙应力及位移,得出随着中隔墙厚度的增加中隔墙应力及位移均有所减小,并与隧道规范中混凝土容许应力值进行对比,得出毛家隧道中隔墙厚度至少为1.3 m,加上两侧二次衬砌的厚度(二次衬砌的厚度为0.55 m),毛家隧道中间曲中墙的厚度为2.4 m较合理。对类似大断面连拱隧道的设计与施工有一定的借鉴意义。     

某在役公路隧道病害检测及原因分析

目前我国大部分隧道处于运营养护阶段,然而由于勘察结果不准确、施工质量不合格、监管养护不到位等原因,导致大量运营公路隧道出现不同程度的病害问题,影响正常行车安全。针对某在役公路隧道衬砌开裂、路面沉陷等病害,采用现场检测和室内测试,对围岩级别、衬砌质量、隧道内轮廓断面以及变形进行检测。检测结果表明:病害段围岩破碎,含巨厚泥岩夹层和强风化灰岩层,采用定性和定量相结合的方法综合判定围岩级别为Ⅳ级,原勘察中的Ⅲ级围岩定性不准确;同时,衬砌施工质量差,不满足设计和规范要求,局部区段衬砌厚度严重不足。     

寒区公路隧道病害现状分析

以辽宁省在役高速公路隧道为研究背景,结合现场实际检查工作,通过实地对隧道病害的调查和描述以及地质雷达、隧道断面仪等检查手段,分析目前寒区隧道的病害现状,详细描述隧道渗漏水、衬砌开裂、厚度不足等病害特征,同时总结隧道的修建年份、病害所处区域的围岩级别、衬砌厚度等物理因素对病害发展的影响。研究表明:目前寒区高速公路隧道的病害主要集中在衬砌的开裂、渗漏水、二衬厚度不足及围岩脱空等。衬砌的开裂及二衬厚度不足的现象存在于每个隧道,衬砌渗漏水的隧道达到64.5%。同时根据统计分析发现,衬砌病害受运营时间、围岩级别的影响明显。其检查分析结果为隧道后期的养护和维修提供一定的参考。     

大伙房水库输水工程掺合料试验分析

在大伙房水库输水工程中使用的掺和料主要包括微硅粉和粉煤灰两种。作为隧洞断面岩石支撑和衬砌的重要手段之一——喷射混凝土支护,对TBM隧洞掘进机掘进进度和安全影响极大。喷射混凝土的性能以及可操作性在一定程度上取决于掺和料的品种、性能及掺量等。经过大量的现场试验和现场应用,取得很好的效果。     

九嶷山一号隧道施工监控量测及分析

结合九嶷山一号隧道现场监控量测的情况,分析了施工中典型断面围岩的稳定性,同时对围岩变形和应力的分布特征进行了探讨。有效避免了隧道在施工过程塌方的可能,并为初次支护与二次衬砌结构型的调整提供了有力依据。     

基于温度比拟法的隧道衬砌水压精细化模拟分析

为验证温度比拟法在隧道衬砌水压计算中的精度与可行性,在隧道开挖未支护、施作衬砌以及围岩注浆3种工况下,将该法的计算结果与理论解析法轴对称解、流固耦合法进行对比.针对高速公路典型双车道马蹄形断面建立含有隧道防排水系统的精细化模型,研究衬砌外水压力在隧道横断面和纵断面上的分布规律.结果表明:施作衬砌后,衬砌外水压力明显增大,围岩注浆则可在围岩和衬砌之间形成水压过渡缓冲区,使衬砌外水压力减小;衬砌外水压力在纵向排水管以上呈周期性分布,在排水节间中部最大,在环向排水管处最小;横断面水压则呈现倒葫芦形,在拱脚处最小,在拱顶和仰拱处较大;在既定的计算假设下,温度比拟法与轴对称解的最大误差为0.3%,与流固耦合法的最大误差为14.8%,满足工程精度要求.      

基于灰色突变理论的隧道衬砌裂缝诊断模型

为了利用有限的监测数据评判隧道衬砌裂缝稳定性,应用小波变换对衬砌裂缝监测数据进行分析,去除因环境变化与测试误差而产生的高频部分,保留因围岩压力变化而产生的低频部分,实现了裂缝时效变形的分解。应用灰色理论建立了衬砌裂缝时效变形的GM(1,1)灰色预测模型,实现了利用前期监测数据预测衬砌裂缝后期发展。应用尖点突变模型的平衡条件建立了衬砌裂缝稳定性判据。构建了基于灰色突变理论的隧道衬砌裂缝诊断模型,并对2条典型衬砌裂缝进行了分析。分析结果表明:2条裂缝稳定性判据大于0,均未达到失稳条件;其实测宽度变化量小于0.2mm,宽度变化速率小于0.002mm·d-1,处于稳定状态,因此,该诊断模型可准确预测衬砌裂缝发展趋势。     

浅析大断面隧道穿越滑坡体处治技术

某隧道进口段穿越滑坡体,围岩稳定性差,且隧道为大断面隧道,隧道开挖进洞容易导致山体下滑和衬砌产生较大的变形。根据本工程的特点,对大断面隧道衬砌进行了设计,且采用反压回填+抗滑桩的方式对滑坡体进行处治,同时隧道采用CD法进行开挖,并通过数值计算得出山体稳定性系数、隧道衬砌的位移及应力,并对计算结果进行评价,得出处治效果良好。对类似工程有一定的借鉴意义。     

高性能抗裂防水混凝土试验研究

针对几种膨胀剂性能对比试验研究,分析CSA抗裂防水剂的性能。在配制高性能抗裂防水混凝土过程中,通过CSA抗裂防水剂的特性分析以及掺加CSA抗裂防水混凝土的试验研究,得出自防水衬砌混凝土最佳配合比,同时进一步提出自防水衬砌混凝土的抗压强度、抗渗、抗冻等性能指标。结合大伙房输水隧洞富水段衬砌自防水混凝土现场试验,验证CSA抗裂防水混凝土有效防止围岩渗漏水的优良性能。