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。     

盾构施工对3×3群桩的沉降、变形及桩侧摩阻力的影响

利用有限元分析方法对盾构开挖对3×3群桩的沉降、变形及桩侧摩阻力的影响进行研究.当桩与隧道中心距离相同时,由于桩间土中附加应力叠加(群桩效应)的影响,隧道开挖引起的群桩中基桩的桩顶沉降大于单桩桩顶沉降;隧道开挖会引起群桩的竖向荷载在各基桩中重新分配,一般来说,中间桩的桩顶竖向荷载增加,边桩的桩顶竖向荷载减小;隧道开挖引起的群桩中各基桩的桩顶沉降主要取决于三个因素:基桩与隧道中心的距离、群桩效应的影响及基桩桩顶荷载的重分配;群桩基桩的水平位移主要取决于该基桩与隧道中心的距离,同时,由于承台的连接作用群桩中其它桩会增加或减小该基桩侧移;隧道开挖过程中桩侧摩阻力主要受到下面因素的影响:桩间土中附加应力叠加(群桩效应)、前排桩对中间桩及后排桩的桩侧摩阻力的保护(屏蔽效应)、桩顶荷载的重分配及桩身变形.     

盾构施工对3×3群桩的沉降、变形及桩侧摩阻力的影响

利用有限元分析方法对盾构开挖对3×3群桩的沉降、变形及桩侧摩阻力的影响进行研究.当桩与隧道中心距离相同时,由于桩间土中附加应力叠加(群桩效应)的影响,隧道开挖引起的群桩中基桩的桩顶沉降大于单桩桩顶沉降;隧道开挖会引起群桩的竖向荷载在各基桩中重新分配,一般来说,中间桩的桩顶竖向荷载增加,边桩的桩顶竖向荷载减小;隧道开挖引起的群桩中各基桩的桩顶沉降主要取决于三个因素:基桩与隧道中心的距离、群桩效应的影响及基桩桩顶荷载的重分配;群桩基桩的水平位移主要取决于该基桩与隧道中心的距离,同时,由于承台的连接作用群桩中其它桩会增加或减小该基桩侧移;隧道开挖过程中桩侧摩阻力主要受到下面因素的影响:桩间土中附加应力叠加(群桩效应)、前排桩对中间桩及后排桩的桩侧摩阻力的保护(屏蔽效应)、桩顶荷载的重分配及桩身变形.     

超小净距双线隧道掘进对先建隧道的影响

南昌地铁2号线在赣江东岸某区间的上下行隧道存在超小净距段,超小净距对双线先后施工产生的影响目前还不清楚。通过3D实体弹塑性模型对两条隧道的超小净距段进行了数值仿真分析。结果表明:先建隧道衬砌水平方向中轴线上的总应力最大;新建隧道掘进对先建隧道的变形扰动存在滞后性,最大位移发生在开挖断面后方,同时开挖扰动存在最大限值;新建隧道掘进使得先建隧道衬砌在靠近开挖侧水平轴线以上部分变形最大、应力增量最大,呈现向开挖侧弯曲的现象;新建隧道掘进对先建隧道的内力扰动存在超前性,即开挖面前方某段距离内隧道的内力增量最大。     

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。     

软土地层隧道开挖对邻近桩基影响数值分析

以某典型软土地层中隧道侧穿桩基为例, 采用数值模拟方法开展了隧道开挖对不同位置处桩基的影响程度分析研究。 结果表明： 隧道开挖引起地表的竖向和水平位移显著影响的区域分别分布在距离隧道中心 0 ~ 3D 和 1D ~3D (D 为隧道外径) 范围内, 其沉降曲线与经验公式的一致性验证了数值模型的可靠性; 同时, 桩顶沉降受开挖影响的区域与地层显著沉降区基本一致; 随着桩基与隧道中心线的距离增大, 桩基的安全区范围逐渐增大而警戒区范围逐渐缩小; 对比桩身沉降和水平位移, 可考虑采用桩顶位移作为桩基变形的控制指标, 当盾构掘进通过桩基且与其净距达到 10L (L 为管片宽度) 左右时, 隧道开挖对桩基变形的影响最明显, 可为现场盾构施工中的变形控制提供参考。     

浅埋偏压隧道半明拱进洞设计分析

复杂偏压地质条件下,通常采用的斜交进洞方式存在隧道套拱变形量大,甚至倾覆等风险.基于厦蓉高速公路扩建工程龙门隧道洞口严重偏压、斜交超过30.等不利地形情况,提出半明拱进洞施工方案,并建立三维有限元模型,分析了半明拱结构的施工力学响应.分析结果表明:相较传统进洞方案,本工法可有效减少边仰坡开挖高度,及对洞口围岩的扰动;半明拱结构的变形与应力也较为合理.上述施工工法在龙门隧道得到了成功应用,可为类似条件隧道进洞施工提供借鉴.     

浅埋小净距隧道开挖顺序优化研究

以某高速公路浅埋小净距隧道建设为工程背景,通过数值模拟的方法,对不同开挖顺序对空间围岩位移、塑性剪应变、应力的影响进行对比分析,可知“先开挖、支护一侧隧道,然后再开挖另一隧道内侧”是比较优化的施工方案,这可为类似隧道优化设计和施工提供科学依据。     

适用于山区隧道偏压洞口段桩式套拱结构

桩式复合管棚套拱结构是一种新型结构,分析表明该结构既能发挥桩体的支护功能,降低边坡的刷方高度,又能提高套拱结构的承载力,防止管棚套拱的下沉和滑移。为地形偏压和围岩破碎软弱的隧道洞口安全进洞提供了一种好方法。     

浅埋小净距隧道开挖顺序优化研究

以某高速公路浅埋小净距隧道建设为工程背景,通过数值模拟的方法,对不同开挖顺序对空间固岩位移、塑性剪应变、应力的影响进行对比分析,可知"先开挖、支护一侧隧道,然后再开挖另一隧道内侧"是比较优化的施工方案,这可为类似隧道优化设计和施工提供科学依据.     

不同开挖方案下浅埋分岔隧道施工数值模拟

为进一步分析分岔隧道在不同开挖方案下的结构稳定性和优化开挖过程,以某正在施工浅埋分岔隧道工程为背景,采用有限差分法,对分岔隧道中的不同开挖方案施工进行了数值模拟,对比了分岔隧道在不同开挖方案施工时的位移、应力及塑性区差异,对分岔隧道开挖方案进行了优化。研究结果表明:本工程3种组合开挖方案均能保证分岔隧道的结构稳定,三导洞法中核心土的作用不是特别明显,中导洞法的施工位移和应力比三导洞法的均有所增大,但仍在规范允许范围以内。本工程施工宜采用中导洞法。     

新建隧道穿越既有车行通道的安全性分析

新建隧道穿越既有地下车行通道,且车行通道衬砌与新建隧道之间的距离仅为2.5 m,为了保证车行通道正常行车安全,对新建隧道衬砌进行了设计,采用双侧壁导坑法对隧道进行开挖,并采用midas数值计算软件进行计算,得出了隧道开挖之后车行通道衬砌的竖向位移及应力,以此来评价车行通道在隧道开挖完之后的稳定性。     

复合套拱在某隧道洞口段的应用及力学性能分析

为全面掌握偏压隧道洞口段复合式套拱的力学性能,通过对林屋隧道进口洞口段的复合套拱的桩底应力、桩身应力、钢架应力及拱顶下沉等进行了监控量测,并对监测结果进行分析。结果表明:在偏压地形情况下,复合套拱桩基底应力分布不均匀,极易造成基底不均匀沉降;偏压隧道洞口段复合套拱受力情况复杂,桩身底部易产生拉应力,拱肩、拱顶部位易产生较大压应力,不利于整体稳定性;复合套拱的两侧边桩对于提高隧道洞口整体稳定性有极大作用。     

基于小净距隧道开挖方法的中夹岩柱稳定性分析

小净距隧道是继分离式隧道、连拱隧道后出现的一种适应性较强的新型隧道形式。采用数值模拟方法,对不同开挖方法在不同净距条件下的中夹岩柱的应力变化进行分析,从而为不同净距条件下宜采取的开挖方法提出合理建议,具有一定的工程参考价值。     

基坑对既有地铁隧道衬砌的影响及变形控制

基坑工程位于地铁隧道之侧,基坑开挖卸荷导致地铁隧道衬砌产生位移,水平位移朝向基坑内侧,而竖向位移主要表现为隆起,地铁隧道衬砌竖向隆起量要大于水平位移;地铁隧道衬砌位移随着基坑开挖逐渐增大。地铁隧道离基坑越远且地铁隧道埋深越深,地铁衬砌竖向隆起量及水平位移就越小。以枫亭隧道明挖基坑为工程实例,采用地连墙+4道横撑+2道竖向支撑的支护方式、盆式开挖方法、合理的地连墙嵌固深度等方式来控制地铁隧道衬砌的变形,并以"地铁隧道结构的绝对竖向位移及水平位移要≤20 mm"为控制标准,对基坑开挖进行了数值模拟,结果显示控制措施能保证地铁隧道正常运营安全。     

交叉隧道不同接近度对既有隧道稳定性的影响研究

以隧道位移及衬砌应力增量为控制标准,通过建立不同净距的正交下穿数值模型,分析新建隧道不同净距(0.25D、0. 5D、0.75D、1.0D、1.25D)正交下穿施工对既有隧道的位移及应力增量变化,判断既有隧道结构的稳定性,结果表明:不同净距下穿过程中对既有隧道的影响范围基本一致,主要集中在新建隧道中线左右20m,最大竖向沉降随着净距的增大呈现先增大达峰值后减小的趋势,采用经典高斯曲线拟合得出经验沉降槽宽度系数;下穿施工过程中既有隧道的横向应力增量先为压应力增量,最终表现为压应力增量,纵向应力增量始终为压应力增量,随着两隧道净距的减小,拉压应力增量增大,通过拟合得出应力增量与隧道净距的变化关系,合理预测不同净距下既有隧道的应力变化。     

盾构法隧道施工时高承台被动群桩的土拱效应

通过建立有限元模型模拟天津市地铁一号线盾构施工,有限元模型得到的土体沉降曲线与现场实测吻合,在此模型基础上进一步研究隧道开挖过程中被动群桩的土拱效应.隧道开挖时,3×3被动群桩中远离隧道的边排桩的桩间土一般形成了“反向土拱”;靠近隧道的边排桩的桩间土拱的形式主要取决于同一位置处桩与土体的相对位移.当桩的水平位移小于土体时,桩间土体形成了类似于边坡工程及堆载情况下的土拱;反之,桩间土体形成“反向土拱”.桩长增加,当桩、土水平位移接近时桩间土拱效应肖失;与地面堆载等典型的被动群桩不同,隧道开挖时当被动群桩的桩间距由4m减小至2m时土拱效应消失.     

紧邻高楼的隧道基坑支护方案研究

普瑞隧道明挖段基坑K1+230~275段紧邻18层楼房,采用了钻孔桩+横撑的结构型式对基坑进行了支护。采用理正深基坑7.0计算软件对基坑支护结构稳定性进行了计算,得出基坑整体稳定性安全系数、抗倾覆安全系数;并对基坑开挖过程进行了数值模拟,得出了地表位移、排桩位移及内力、第一道横撑的位移及内力,结果表明基坑及高楼均是安全的,对类似工程有一定的借鉴意义。     

基坑开挖对下卧盾构隧道变形影响的计算分析

针对矩形基坑开挖对下卧隧道变形影响这类课题,基于Mindlin经典解,考虑了坑底残余应力及围护桩效应的影响,推导了基坑开挖卸荷作用在隧道处附加应力的计算公式.对于埋深超过1.5倍隧道外径的盾构隧道,通过在Pasternak模型上部增加一层弹簧层来考虑上覆土层对隧道的约束作用,建立起地基梁的挠度微分方程.采用有限差分的方法把隧道离散为独立的节点单元,从而求解出隧道纵向的竖向位移和水平位移,最后与有限元数值模拟、工程实测得到的隧道变形数据对比分析.研究表明:在考虑深埋盾构隧道与土体的相互作用时,相对于Pasternak模型方法,笔者方法更能反映两者之间真实的力学行为,得到的解析解更接近于数值解,与实测值吻合度也较高,证明了方法的合理性和优越性;另外,笔者方法省去了大量的建模工作,在设计方案时能够用于初步评估基坑开挖引起下卧盾构隧道纵向变形的影响.     

上方开挖卸荷作用下地铁隧道的实测数据分析

在已有隧道上方进行基坑开挖,下方隧道的变形是基坑施工控制的关键。采用实测分析的方法,详细介绍了在已建盾构隧道上方进行基坑开挖的工程中,下卧隧道的变形控制措施,即在基坑开挖前进行搅拌桩加固、设置抗拔桩并在隧道内设置"米"字型支撑,通过实测数据分析研究了上方基坑开挖过程中下卧隧道的变形规律。得到如下结论 :搅拌桩加固过程中,隧道发生轻微的下沉变形,而基坑开挖则会导致隧道整体抬升与横截面收敛变形;搅拌桩加固与抗拔桩能有效控制施工过程中的隧道隆起变形,而隧道内的"米"字型加固则能有效减小隧道的收敛变形,搅拌桩施工引起隧道发生"横鸭蛋"式收敛变形,而后续的基坑开挖则对隧道的收敛变形影响不大。