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.      

考虑隧道围岩蠕变的复合式衬砌受力规律

将锚杆作用力视为体力作用于围岩内, 将初期支护与锚杆锚固范围内的围岩视为围岩加固体, 建立了围岩力学模型, 基于统一强度理论分析了隧道蠕变条件下的围岩应力与变形规律, 推导了复合衬砌应力与变形表达式, 分析了隧道围岩蠕变过程中支护结构受力特点及不同初期支护强度下二次衬砌受力变化规律。分析结果表明: 当初期支护按照“初期支护应与围岩共同受力且能保证施工阶段安全”的原则进行设计时, 在围岩蠕变作用下, 锚杆与喷射混凝土最大受力分别为48、286kPa, 与开挖阶段相比分别增大了57.5%、13.7%, 且超过支护结构最大承载力, 说明在进行初期支护设计时, 仅满足隧道开挖过程中围岩稳定而不考虑蠕变产生的附加应力影响, 可能造成隧道运营过程中初期支护结构破坏, 不利于隧道稳定; 当二次衬砌厚度由300mm增大至500mm时, 二次衬砌最大受力增大了40.5%, 荷载分担比由25.2%增大至36.2%, 而增大初期支护强度后, 二次衬砌受力减小了14.5%, 荷载分担比由25.2%减小至22.3%, 说明二次衬砌荷载随初期支护强度增大而减小, 而随自身强度增大而增大, 应重视初期支护与二次衬砌支护强度的协调配置, 实现围岩压力的合理分配; 在软岩地质条件下, 应保证隧道施工过程中围岩稳定并避免围岩蠕变过程中发生结构破坏, 以实现初期支护与二次衬砌共同承担蠕变引起的附加应力。      

衬砌纵向开裂隧道地震响应振动台的试验研究

为了研究高速铁路双线隧道衬砌纵向裂缝对结构抗震安全性的影响,针对《铁路隧道设计规范》（TB 10003—2016）IV级围岩开展大型振动台模型试验,试验采用改进的静动耦合剪切模型箱,考虑隧道埋深、衬砌开裂位置和开裂形式3个影响因素,分析隧道衬砌的地震动应变和结构内力响应规律. 试验结果表明:在地震剪切波作用下,浅埋隧道和深埋隧道衬砌结构的破坏形式分别为受拉破坏和受压破坏,破坏位置均首先出现在拱腰,对应的无裂缝衬砌破坏时振动台台面输入波峰值加速度分别为0.8g和0.9g;拱顶和边墙处裂缝对隧道衬砌结构抗震安全性影响较小,而拱腰处裂缝影响显著;浅埋和深埋条件下,拱腰处有裂缝的衬砌破坏时振动台台面输入波峰值加速度分别为0.5g和0.6g;纵向裂缝的开裂形式不同,衬砌破坏时对应的峰值加速度基本相同;在深埋条件下,相比于正截面裂缝,拱腰处斜截面裂缝导致衬砌结构破坏后变形速度加剧.      

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.      

浅埋隧道局部存水冻胀作用机制与安全性评价

为揭示寒区隧道局部存水冻胀作用机制并提出有效的衬砌结构安全评价方法, 设计了三维地质力学模型试验, 通过设置3种积水范围冻胀试验工况, 观测冻胀过程中裂缝开展和衬砌结构受力等情况; 改进了局部存水冻胀数值计算方法, 建立了基于岩体力学法并耦合冻胀力和围岩荷载的冻胀数值模型, 对比了不同存水位置、不同局部存水厚度和不同存水范围下隧道冻胀力和结构内力的变化规律, 进一步揭示了局部存水冻胀对隧道受力的影响机制, 评判了衬砌结构的安全性。分析结果表明: 局部存水冻胀具有显著的区域性特征, 衬砌冻胀开裂发生在局部存水与非存水交界处, 冻胀力大小取决于交界处冻胀产生的应力集中效应, 衬砌裂缝多为纵、斜向裂缝; 衬砌局部存水冻胀最不利位置由优到劣依次为拱脚、边墙、仰拱、拱腰和拱顶, 衬砌受力随局部存水厚度的增大而增大, 局部存水范围的增大有利于衬砌受力均匀化; 不同部位局部存水冻胀条件下衬砌结构容许压应力比均小于1, 满足抗压检算要求; 拱顶、拱腰和仰拱容许拉应力比均大于1, 不满足抗拉检算要求, 实际工程应针对上述部位采取适当的防冻胀措施予以处治; 揭示的隧道局部存水冻胀作用机制和建立的衬砌结构安全性评价方法为寒区隧道冻害防治提供了一定理论依据。      

隧道衬砌背后空洞对其支护结构力学性能的影响性研究

为深入研究隧道衬砌背后空洞对其支护结构力学性能的影响,依托某高速公路隧道,利用室内模型试验、数值模拟手段分别对其支护结构应力进行分析,并对两种手段的研究结果进行了对比分析。研究结果表明,当隧道拱顶、右侧拱腰部位衬砌背后存在空洞时,对应部位的支护结构最先出现裂缝,且产生较大的弯矩值及衬砌应力;隧道衬砌背后空洞将减弱其支护结构与围岩的相互作用,严重影响其力学特性。     

近距离下穿大直径隧道扰动效应分析

为研究隧道近距离下穿施工对既有隧道沉降、衬砌应力和地表沉降扰动机理,以某下穿隧道工程为例,基于FLAC 3D有限差分软件建立隧道施工下穿既有隧道三维数值模型,分析隧道施工过程引起既有线沉降及衬砌应力变化规律。分析结果表明,隧道开挖过程中,地表最大沉降为3.8 mm,既有线隧道最大沉降为7.75 mm,位于靠近施工线路一侧拱腰处,且拱顶最大沉降为5.38 mm;未开挖前既有线衬砌最大应力7.798×105Pa,隧道贯通后,衬砌最大应力为1.124×106Pa,增幅达44%。研究结果为保证施工安全及优化施工控制措施具有重要作用。     

东山公路隧道开挖支护过程数值分析研究

应用有限元分析软件MIDAS/GTS,采用地层结构法分析了东山公路隧道开挖支护过程中的稳定性问题。分析结果表明,开挖不同断面过程中,围岩内最大主应力集中在钢架脚部,钢架架设时应及时施工锁脚锚杆,必要时可采用小导管注浆等方法对拱架脚部围岩进行加固;从衬砌变形角度分析,变形量最大处为拱顶下沉及底脚位置,施工中应注意对拱顶沉降的监测,逐步开挖核心土,保证施工及结构安全,同时应及时施作基础工程,以控制洞室变形;围岩最不利位置出现在拱顶及仰拱两侧,应是重点加强部位。     

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。     

地铁隧道邻近地裂缝带的地震响应

采用数值模拟方法, 在不同震级人工地震波作用下, 研究了具有近距离平行地裂缝的地铁隧道的加速度、位移和内力特征, 计算了地裂缝的影响区域、围岩动土压力变化规律和隧道与围岩接触动土压力变化规律。研究结果表明: 在地表距隧道水平距离约25~50m范围内加速度响应存在一个附加放大区域; 当输入地震动强度较小时(50年超越概率为63%), 地铁隧道拱顶和拱底处相对水平位移都较小(约为0.39mm), 但随着输入地震动强度的增大(50年超越概率为2%), 拱顶和拱底的相对水平位移均逐渐增大, 最终增大至1.53mm; 在地震动作用下, 隧道结构的左、右拱肩和拱脚处的轴力都较大, 其中右拱脚处的轴力最大, 为1 926kN; 隧道结构的左、右拱腰处的弯矩和剪力都较大, 其中最大弯矩与最大剪力在右拱腰处, 分别为78.54kN·m与1 830kN; 随着地震动强度的增大, 隧道结构的内力逐渐增强; 地裂缝附近的动土压力较大, 并向两侧逐渐减小; 在中震作用下隧道拱顶处, 地裂缝上盘影响宽度为25m, 下盘影响宽度为20m, 在拱底处, 地裂缝上盘影响宽度为26m, 下盘影响宽度为22m;在大震作用下, 地裂缝上、下盘影响宽度较中震时增大约35%;地裂缝附近的隧道拱顶和拱底的动土压力变化规律与无地裂缝时基本一致, 但隧道结构附近的动土压力较大, 其最大值为138kPa; 在地震动作用下, 隧道结构拱腰处的接触动土压力增量较大, 右拱腰处即靠近地裂缝一侧最大, 增量为45.27%, 拱顶次之, 增量为13.41%, 拱底最小, 增量为6.86%。      

岩石蠕变对隧道二衬结构影响的研究

岩石蠕变是岩石的重要力学特征之一。在隧道开挖完之后的很长时间内,围岩会因为蠕变而进行应力调整,蠕变产生的荷载由隧道的初衬和二衬联合承担。而当今隧道的使用寿命规定为100a,隧道设计中往往将二衬作为安全储备,没有通过分析围岩蠕变荷载对二次衬砌的影响对二衬进行设计。如不对此进行准确分析并采取有效的控制措施,长时间的蠕变将会对隧道二衬结构产生严重影响。因此,分析隧道二衬受力以及健康程度随时间的变化是十分有必要的。结合铜锣山隧道工程,利用大型有限差分软件FLAC3D的Bur-gers蠕变模型,分析了不同时间蠕变对围岩应力重分布以及对二衬的力学性能的影响,得出一些有价值的结论:岩石蠕变造成隧道断面围岩应力、作用弯矩的大小及位置发生变化,对衬砌的安全造成影响。     

不同水位下隧道排水管结晶堵塞引起的衬砌应力分析

为研究不同水位下隧道排水管结晶堵塞引起的衬砌应力变化规律,通过"以板代孔"法对排水管堵塞进行模拟,研究了5种堵塞工况与4种地下水位工况下隧道衬砌应力变化规律。结果表明:不同堵塞工况与不同水位工况下隧道衬砌应力变化规律是一致的;在同一堵塞程度下,随着原始地下水位的升高,隧道衬砌应力随之增加,隧道左右拱脚处衬砌最大主应力差值随之增加,最小主应力差值随之减小;在同一水位工况下,堵塞程度75%是隧道衬砌受力变化的转折点。由此可见,由于排水管的堵塞,衬砌应力明显增加,当地下水位由于排水系统堵塞升高时,衬砌受力更为不利。因而在隧道建设过程中应重视排水系统有效排水,保障衬砌结构安全。     

不同滑带角度滑坡作用下隧道衬砌结构受力特征

随着越来越多的隧道工程穿越滑坡区，滑坡与隧道相互作用过程的研究尤为重要. 为研究不同滑带角度滑坡对隧道衬砌结构受力的影响，以大（同）准（格尔）铁路南坪隧道为例，采用室内模型试验、数值模拟的方法，对0°、10°、20°、30°、40°、50°不同滑带角度条件下滑坡推力作用下隧道衬砌结构受力的影响特征及变化规律进行研究. 研究结果表明:滑带角度越小，隧道变形越大，作用在隧道衬砌结构上的弯矩、剪力及土压力越大，并在拱脚处出现最大值，形成隧道拱结构左右受力不对称特征，呈现偏压现象；通过计算隧道拱结构左右两侧的竖向偏压应力比显示，在拱肩位置且滑带为0时，偏压应力比为1.17，随着滑带角度的增大，隧道衬砌拱结构左右应力差越来越小，趋于平衡拱；在拱脚位置，偏压应力比随滑带角度的增大而逐渐增大，隧道衬砌拱结构左右两侧所受应力差越来越大，趋向于偏压隧道，最小偏压比和最大偏压比分别为1.08、1.87.      

大断面公路隧道衬砌裂缝处治技术

为解决公路隧道衬砌裂缝处治问题,以昆明绕城高速公路东南段杨林隧道进口右线为依托,通过对滇中地区软岩大断面公路隧道衬砌裂缝位置及特点进行研究分析,制定了针对性的处治措施,同时采取应力消散、灌封修补、粘贴纤维复合材料等加固措施有效控制了衬砌裂缝的发展。研究结果可为同类型隧道衬砌裂缝处治提供参考。     

流固耦合作用下隧道开挖模拟研究

根据渗流力学、弹塑性力学以及多场耦合理论,构建隧道开挖流固耦合模型。以湖南省湘西州古丈县张吉怀铁路毛坪村隧道施工为例,选取典型断面,采用COMSOL 模拟耦合作用下隧道开挖引起的围岩渗流场及塑性区变化规律,并将拱顶沉降值与现场实际观测结果进行对比。结果表明:隧道开挖扰动原岩发生应力重分布,使拱腰和拱底附近塑性区范围发生显著变化;对比不考虑流固耦合作用和考虑流固耦合作用下的模拟结果可知,流固耦合作用下隧道拱腰和拱底处围岩的应力值相对较高,高出的应力值最大可达0． 2 MPa,且流固耦合作用下隧道围岩变形稳定后,拱顶沉降值可达55 mm。采取喷砼支护措施后,隧道拱腰和拱底处的应力集中区范围显著减小,隧道拱顶沉降值可降低至26 mm。由此可见,流固耦合作用增加了围岩的应力和位移,支护措施减小了拱腰和拱脚处应力集中区范围和拱顶沉降值。     

软岩隧道拉锚结构数值分析与支护机理研究

为研究拉锚结构在软岩公路隧道的支护效果并推进其应用发展,针对两台阶法开挖的Ⅴ级围岩公路隧道,使用FLAC3D进行数值分析。根据拉锚结构构件连接方式,提出拉锚结构模拟方法并建立模型,对4种不同支护方法的隧道围岩位移、应力和支护结构受力特性进行了对比分析,总结拉锚支护的结构受力特性和支护机理。结果表明:拉锚支护在改善围岩应力状态、减少隧道位移和发挥支护结构效用3个方面均最优;拉锚支护能够明显改善拱腰处应力状态和变形情况;拉锚支护的锚杆所受轴力大于传统支护,其轴力大小分布从杆尾到杆端越来越大;拉锚支护的横向钢带在各点的应力均大于钢拱架,尤其在拱腰处。     

漂卵石隧道支护体系受力变形特性

针对川藏线拉萨—林芝段娘盖村隧道开挖与支护施工难、拱部塌落灾害频发等工程技术难题，提出了“三台阶互补循环式开挖+型钢钢架+喷射混凝土+双层密钢网+多组锁脚锚杆(管)+衬砌壁后注浆”的开挖支护组合体系，选取漂卵石隧道2组典型断面开展支护体系受力与变形实测研究，分析了围岩荷载作用特征、支护体系受力特性以及洞内外变形规律，揭示漂卵石隧道新型支护体系承载作用机制，总结提出了相应的防控新原则。分析结果表明：围岩压力以拱部松动塌落荷载为主且沿洞周分布不均，初期支护与二次衬砌平均荷载分担比例分别为67.65%和32.35%;锁脚锚杆受力拉压兼具，优化后最大拉、压力分别减小了45.9%和20.0%;二次衬砌受力总体较小，具有足够的结构安全储备；洞身段拱顶下沉不超过15 mm,水平收敛为8～9 mm;洞口段变形不对称且受浅埋偏压和降雨条件影响显著，拱部最大下沉达52.4 mm,上、下台阶水平收敛分别为11.4和15.6 mm,在类似不利条件下应尽早施作仰拱和二次衬砌以保证施工安全；漂卵石隧道支护体系设计遵循“少扰动、强拱脚、防超挖、密钢网、勤注浆”的防控原则，能够及时控制拱部松动区扩展，调动深层围岩的自...     

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。     

拱桥拱脚局部应力分析及拱脚处预应力钢束布置研究

结合某80m钢管混凝土拱桥设计,阐述了拱脚处局部应力分析流程及钢管混凝土拱桥拱脚设计注意事项,根据拱脚处局部应力分析,对拱脚处预应力钢束布置进行了对比研究,希望能为类似桥梁设计提供有益的参考。     

大跨度绿泥石片岩隧道大变形机理与控制方法

依托宝鸡至汉中高速公路连城山隧道(双洞六车道),基于隧道变形和支护结构受力现场测试,分析了大跨度绿泥石片岩隧道大变形灾害特征和机理,总结了隧道大变形灾害综合控制方法,建立了大跨度绿泥石片岩隧道大变形分级标准,提出了各变形级别对应的支护参数。分析结果表明:大跨度绿泥石片岩隧道在开挖过程中以沉降变形为主,主要表现为拱部初期支护的整体沉降;在初期支护闭合后,主要表现为边墙的挤出变形和墙脚下沉引起的仰拱底鼓;大变形灾害主要表现为掌子面失稳垮塌、初期支护变形侵限破坏、锁脚锚管脱焊失效、二次衬砌开裂、边墙下沉以及仰拱回填隆起开裂;绿泥石片岩极其软弱、破碎及仰拱基底遇水软化,是造成隧道大变形灾害的根本原因;隧道开挖跨度大(最大开挖跨度为19.6 m)、断面扁平、拱脚地基承载力不足而缺乏有效约束,加剧了隧道支护变形侵限和失稳破坏;初期支护承载能力有限,围岩荷载不断传递至二次衬砌,是导致二次衬砌开裂的直接原因;围岩变形机制为拱部岩体黏聚力难以克服自重而产生不断向下的滑移和松动机制,以及墙脚和仰拱部位围岩低强度应力比引起的软岩塑性流动机制;通过采用“三台阶留核心土法+大预留+双层HK200b钢架分次支护+大直径锁脚锚管+围岩径向注浆+加深仰拱”的大变形灾害综合控制方法,同时对隧道大变形进行分级管理,有效避免了隧道大变形灾害的发生。