层厚比对互层地层隧道围岩稳定性的影响探究

研究目的:互层围岩开挖易出现台阶溜垮、涌水涌砂等现象,为安全施工,本文以蒙华铁路阳城隧道第四系土砂互层地层隧道围岩为研究对象,通过室内试验、现场试验及数值模拟等方法,探究层厚比对围岩稳定性的影响规律。研究结论:(1)土砂互层地层隧道围岩,黏聚力和内摩擦角随层厚比变化趋势相反;(2)两层土砂互层地层围岩随着土层所占比例的增加,隧道拱顶沉降呈现先减小后增大的规律,两层、三层土砂互层地层围岩土砂比为1∶1或1∶1∶1均匀分布时,拱顶沉降和周边收敛最小,初期支护结构主应力差最小,围岩稳定性最好;(3)不同层厚比土砂互层地层隧道,拱脚水平位移比拱肩水平位移更大,波动范围更广,隧道施工中应尤其加强对拱脚位置处的支护;(4)本研究结果可为土砂互层地层隧道围岩稳定性的进一步研究提供参考,为互层地层隧道的设计和施工提供借鉴。     

岩层与隧道的走向夹角对围岩变形特征的影响

研究目的:顺层隧道是岩层走向与隧道轴线平行或小角度相交的隧道,但目前理论研究中多以平行状态为主,具体岩层走向与隧道的夹角θ小于多少时可采用顺层偏压的非对称变形理论,目前还没有明确的定论。本文以渝昆铁路顺层隧道调查成果为基础,采用ABAQUS有限元数值模拟方法分析探讨软硬互层结构隧道在不同岩层倾角条件下θ对隧道围岩变形特征的影响。研究结论:(1)θ的变化不会改变隧道围岩的变形破坏模式;(2)θ越小,越有利于围岩变形及非对称变形的发展,且岩层倾角越小,θ对非对称变形的影响越大,在相同影响度中θ的变化范围越小;(3)θ越大,隧道围岩变形量越小,围岩变形越集中于拱顶和仰拱区,对称变形越明显;(4)任何岩层倾角和θ组合下,非对称变形特征的发展以拱肩最为突出,其次为拱脚、拱墙;(5)可将θ≤30°作为隧道产生顺层非对称变形破坏的主要夹角区间,θ=30°可定义为顺层隧道的夹角界限值;(6)本研究成果可指导单斜构造中铁路、公路隧道的选线优化和支护措施布设。     

顶部隐伏充水溶洞隧道施工阶段围岩稳定性分析

结合某岩溶隧道施工过程,利用有限差分软件对顶部存在水压充填溶洞的某隧道围岩稳定性进行数值模拟研究,并将数值计算结果与现场监测结果进行比较分析。结果表明：围岩塑性区主要集中在隧道拱顶、仰拱底、拱腰和溶洞顶部处,溶洞顶部与隧道底部的塑性区有相互连通的趋势。随着隧道接近并通过充水溶洞,拱顶和墙脚两处围岩最大主应力先减小后增大,拱肩处一直增大,拱腰和仰拱底处先增大后减小,主应力最大值位于拱肩区域,其值约为3.0 MPa。     

铁路隧道不同跨度下水平旋喷桩承载特性分析

为探究水平旋喷桩在不同跨度铁路隧道下承载特性,依托南三龙铁路与赣龙复线联络线道岔进新考塘隧道影响段存在的7种不同隧道跨度断面,采用二维有限元方法,模拟7种不同跨度下水平旋喷桩预支护效果,分析水平旋喷桩结构变形、应力及塑性应变规律。计算结果表明:不同跨度下,旋喷桩变形和常规隧道衬砌变形类似,即拱顶沉降,拱肩、腰、脚等处体现不同程度收敛,各点变形随跨度增大而增长,当跨度大于16 m时,增长速率加快,拱肩及拱腰位置尤其明显;旋喷桩内力部分,当跨度较小时,拱顶内侧受拉,而拱腰处受压,当宽度增大,拱部拉应力区向拱腰处扩展,且拉应力极值增大,而拱腰与拱脚之间压应力迅速增大;随着隧道跨度不断增大,水平旋喷桩等效塑性应变不断增大,影响范围自拱顶到拱脚呈扩大趋势。     

达成高速铁路岩溶隧道围岩稳定性分析

结合达(州)成(都)高速铁路某岩溶隧道工程,建立岩溶隧道三维实体模型,利用三维快速拉格朗日法FLAC3D对隧道底部含有溶洞的围岩稳定性进行数值模拟研究,并将数值计算结果与现场监测结果进行比较分析.研究结果表明随着隧道施工接近并通过溶洞顶部,隧道拱顶处围岩向下变形,其值不断增大,拱腰处围岩沿隧道径向收敛,其值变化较小;仰拱处围岩最初向上变形,在隧道施工到溶洞顶部时变为向下变形,且其下沉值不断增大;围岩塑性区主要集中在隧道拱顶、仰拱底、拱腰和溶洞顶部处,溶洞顶部与隧道底部的塑性区有相互连通的趋势;隧道拱顶左右各约45°的范围、隧道底部以及溶洞周围的部位为应力释放区,拱腰处为应力增高区.     

地层倾角对浅埋偏压隧道拱顶沉降的影响研究

借助FLAC~(3D)有限差分软件,着重考虑地层倾角,结合现场量测,对重庆黔江蒲草沟Ⅴ级浅埋偏压隧道进行结构稳定性分析,探讨不同地层倾角下隧道的拱顶沉降特征。研究表明:所构建的数值模型对拱顶沉降的预测值与现场实测值变形规律基本吻合,且最大差值仅为0.87 mm,验证了本次数值模拟的正确性;随着砾岩夹砂岩层倾角增大,拱顶沉降呈加速增大趋势,开挖面处拱顶沉降变化率也显著提高;砾岩夹砂岩层倾角与地形一致导致的误差为16.4%,倾角为水平导致的误差为11.9%,误差均较大。由此可知,在砾岩夹砂岩层倾角变大的情况下,应提高隧道结构的强度,在数值计算中简化地层倾角会导致较大的计算误差。研究成果可推广应用于砾岩夹砂岩层的浅埋偏压隧道。     

Ⅳ级围岩隧道两台阶法开挖进尺研究

以吉图珲高铁富岩1号隧道为工程实例,运用有限元分析方法对不同开挖循环进尺下的隧道两台阶法进行数值模拟,对比分析不同工况下隧道变形和应力的响应规律,得出工程适用的开挖循环进尺。研究结果表明:开挖进尺对围岩变形影响较大,两者呈线性正相关关系;在Ⅳ级较差围岩条件下,拱顶受拉破坏先于拱腰和掌子面的受剪破坏,拱顶掌子面后方1 m处第一主应力达到最大值;随着开挖进尺的增大,拱顶第一主应力和拱腰、掌子面处D-P值均增大,隧道更易发生破坏;Ⅳ级较差围岩,开挖进尺建议取2.0 m,Ⅳ级偏好围岩开挖进尺可增大至4 m。     

列车振动荷载作用下近距离空间交叠盾构隧道的动力响应特性及损伤规律分析

采用拟合的列车振动荷载,研究在上部列车振动荷载作用以及不同围岩等级、不同隧道间距条件下空间交叠盾构隧道的动力响应特性和损伤分布规律。结果表明:上部隧道衬砌振动加速度在拱底最大,拱腰相对较小,拱顶最小,下部隧道衬砌振动加速度在拱顶最大,拱腰相对较小,拱底最小;上部隧道的压致与拉致损伤均在拱底最大,拱腰次之,其余各处相对较小,且上部隧道底部约130°范围为损伤主要区域;随着围岩等级的提高,上部隧道衬砌的最大主应力逐步增大,最大主应力峰值由拱腰逐渐向拱底转移;随着隧道间距的增大,上部隧道衬砌的最大主应力逐步减小。     

地铁隧道穿越厚碎裂岩层的支护优化分析

青岛地铁3号线汇泉广场站—中山公园站区间穿越厚碎裂岩层地质,其岩体节理裂隙较为发育,导致围岩自稳能力较差,以及施工风险较大。结合现场地质条件和施工环境,提出了4种隧道支护结构加固方案;通过数值模拟分析了各加固方案的地表沉降、初期支护结构主应力及围岩塑性区发展情况;基于灰色关联定量分析了各加固方案对5项评价指标的综合支护效果。结果表明:全断面WSS超前帷幕注浆对地层沉降和围岩塑性区发展控制效果最好,超前小导管支护对抑制围岩塑性区发展较明显;碎裂岩层隧道的综合加固效果为:全断面WSS超前帷幕注浆>超前小导管支护>增大拱顶锚杆长度、增设拱肩及拱脚锚杆>提高初期支护刚度。     

硬-软互层层厚构造影响隧道围岩开挖损伤研究

研究目的:在实际地质环境中,隧道开挖所表现出来的各种变形破坏都是各种因素综合影响的产物。但顺层构造由于其分层特性和结构形式的特点决定了在这样的地质环境中开挖隧道,其围岩受力之后的变形和破坏具有一定的特殊性。本文以拟建某高铁宝云隧道为例,就硬-软互层顺层构造作用下隧道围岩开挖损伤变形开展数值模拟分析评价,主要研究不同岩层厚度影响下的隧道围岩变形、围岩屈服渐进性及稳定性,并给出强度折减至极限状态时硬-软互层组合隧道的变形破坏模式。研究结论:(1)薄层弯曲变形是不同岩层厚度构造作用下硬-软互层顺层隧道开挖的主要变形形式,厚层围岩虽体现出了较明显的滑移,但变形量值较小,隧道支护设计时应考虑岩层厚度控制的该变形特点;(2)硬软互层组合屈服区主要沿顺层面向软岩展布,层厚越小,屈服范围越大,以0.2 m层厚顺层向屈服区为典型,层厚超过0.4 m后,拱腰顺层面屈服区迅速减小,且随厚度增大,两个方向屈服区不断减小;(3)强度折减条件下,层厚超过1.5 m后,稳定安全系数趋于定值,围岩强度主要受软岩自身控制,受硬-软组合结构影响程度降低;(4)岩层厚度较小时,隧道围岩变形模式以岩层弯曲为主,随岩层厚度的不断增大,变形模式逐渐转变为顺层滑移为主、滑移与弯曲并存;(5)本研究成果对促进该高铁的顺利建设具有理论意义和工程价值。     

上软下硬复合地层盾构隧道变形特征研究

南昌地铁上覆砂土下卧泥质粉砂岩地层为典型上软下硬复合地层。对此建立数值分析模型,研究上软下硬地层盾构隧道变形特征。研究结果表明,土层与岩层比例对隧道拱底隆起量影响小,表明拱底变形主要与基底岩体力学特性有关,跟土层与岩层比例关系不大;随着土层与岩层比例增大,拱顶变形增大,左右拱脚处洞壁向外挤压的趋势变小,隧道变形收敛轮廓的长轴逐渐减小。     

邻近地裂缝地铁隧道地震响应分析

西安地铁3号线有3个区间隧道近距离平行通过地裂缝。采用数值模拟方法分析地震荷载作用下地铁隧道场地的动力响应。分析结果表明,地震荷载作用下竖向土压力增量在地裂缝上下盘处差异明显,地裂缝上盘竖向土压力增量明显大于下盘;在施加地震荷载后地铁隧道拱顶处的竖向土压力迅速上升,震级越大竖向土压力越大;隧道内力中轴力最大值在右拱脚处,左拱脚次之;剪力最大值在右拱腰处,左拱腰次之;正弯矩和负弯矩的最大值接近,均在右拱腰处,左拱肩和右拱脚处弯矩偏小,其余弯矩值在30～60 k N·m。     

水平层状围岩隧道稳定性及破坏机理研究

研究目的:水平层状砂质板岩隧道围岩施工稳定性是一个难点,为研究水平层状砂质板岩围岩隧道在不同影响因素下的安全稳定性,本文以同马山隧道工程为依托,对水平层状砂质板岩隧道的稳定性及破坏机理进行研究。研究结论:(1)随着岩层厚度减小,洞室爆破开挖后成形困难程度增加,拱顶塌落范围增大,边墙、拱顶等位置破碎程度增加;(2)随着岩体坚硬程度及层理面结合程度降低,洞室由边墙部位发生轻微破坏到整体发生较大变形,成形困难,其中层理面对隧道洞室成形影响的最大段落是破碎带和裂隙带;(3)洞室失稳破坏是围岩压力与爆破动载共同作用的结果,拱顶与边墙处最易发生破坏,拱顶处破坏程度最大,边墙次之,拱腰处最小;(4)本研究成果可为水平层状围岩隧道的建设提供参考。     

基于流固耦合理论下穿库区隧道围岩稳定性分析

以某下穿库区铁路隧道为依托工程,对比分析有无渗流场作用和不同水深条件下,隧道结构应力变化规律以及围岩变形、塑性区和渗流场的变化特性,同时还考虑隧道加固圈厚度和渗透系数对围岩稳定性的影响。研究结果表明:地下水渗流场对围岩变形影响较大,不仅能引起大范围的库底沉降,而且能增大隧道拱顶和拱腰的位移,并且能够减小仰拱的隆起量以及加剧围岩塑性区的范围;隧道的开挖能够对地下水孔隙水压力的分布形成明显的扰动,并且在两拱脚处渗流速度最大,最大塑性区位于横向临时支撑处;注浆加固圈能够改善围岩的受力,隧道最优注浆圈厚度在5m,并且当渗透系数小于围岩渗透系数的1/50时注浆圈加固效果不再明显。     

跨断层隧道震害特性的能量分析方法

研究目的:跨断层隧道在地震中容易产生破坏,在变形直至破坏的过程中都伴随着能量的吸收和释放。鉴于此,为了解跨断层隧道的震害特性,本文采用基于能量释放率的分析方法对断层影响下的隧道震害进行研究。此外,利用FLAC3D软件对隧道进行数值模拟,以验证该方法的适用性。研究结论:(1)在断层错动与地震耦合作用下,隧道拱肩、拱腰和拱脚的动力响应最大,而拱顶和拱底的动力响应稍弱;(2)在断层错动与地震耦合作用下,应力集中的位置不随断层宽度而改变,随着断层宽度的增加,能量释放和应力集中的范围逐渐扩大,而地震作用在断层处逐渐减弱;(3)依据动力响应曲线,可以确定隧道的塑性屈服区以及核心设防的长度;(4)能量分析方法可用于隧道的震害特性分析,为隧道抗震设防提供可靠依据。     

小净距隧道下穿薄煤层采空区地层开挖稳定性分析

采空区地层离散性大,小净距隧道近接下穿不同倾角薄煤层采空区开挖将引起采空区内腔塌陷。建立小净距隧道近接下穿采空区地层开挖模型,对比分析采空区倾角为0°、15°、25°、40°时先行洞监测面洞周位移和初支内力。结果表明:后行洞初支闭合时,采空区倾角为15°时,拱顶下沉量最大;采空区倾角为40°时,仰拱隆起量和拱腰水平收敛量最大;随着采空区倾角增大,初期支护正(内)弯矩分布和轴力最大位置有向近接采空区侧移动的趋势,偏压越严重;应力集中逐渐由右拱脚向左拱脚移动。最大偏心距出现在拱脚处,采空区倾角为15°时,偏心距最小,初期支护稳定性最好;倾角为40°时,偏心距最大,不利于初期支护稳定。     

滇中红层软弱围岩局部失稳及变形控制实践

研究目的:隧道穿越滇中红层这一特殊地质条件下的变形主要为局部塌方、支护结构开裂破坏,为确保类似工程的顺利实施和人员设备的安全,本文针对南华一号隧道穿越全风化、强风化泥岩地层出现的局部失稳、大变形问题,在现场调研和监控量测的基础上,分析其失稳断面的变形及应力特征,并结合数值模拟结果,提出控制围岩变形的有效措施。研究结论:(1)三台阶工法施工过程中,中、下台阶施工对围岩的扰动程度相对较大;(2)隧道开挖后,拱顶和拱肩处围岩压力随时间的变化趋势是先减小再趋于稳定,而拱腰处围岩压力随时间的变化趋势是先增大然后趋于稳定;(3)采取局部布置锚杆、局部围岩注浆加固、施作锁脚锚杆等控制措施,可有效控制局部围岩失稳及围岩变形,相关措施可为今后类似工程提供借鉴和指导作用。     

水平层状围岩铁路隧道地震动力响应特征研究

研究目的:中国汶川8.0级特大地震中,均出现了大量隧道结构的严重震害。国内学者对隧道结构抗震进行了细致深入的研究,主要集中在复杂地质及破碎地段隧道地震反应、偏压隧道与隧道洞口段地震反应、隧道抗减震研究等方面。虽然目前关于隧道与地下结构抗震分析的研究颇丰,但大多是按照均匀连续介质模型进行模拟,考虑水平层状围岩特性的隧道结构动力响应分析还不多见。本文基于连续介质力学的离散元方法软件CDEM模拟水平岩层的结构面特性,主要针对不同水平岩层的厚度和不同地震动输入方向,共计12种计算工况,分析隧道衬砌关键部位的动力响应特性。研究结论:(1)结构面(层面)存在会引起主应力增加,产生相对位移,降低加速度,尤其对穿越中厚层状围岩的隧道要加强措施;(2)地震动方向对隧道衬砌大主应力的影响比较明显,特别对拱顶、墙腰、仰拱的大主应力(压应力)影响比较大,对拱顶的影响尤其明显,且岩层越薄,影响越大;(3)地震动方向对隧道衬砌拱顶的拉应力影响特别大,在竖向地震作用下,拱顶的拉应力将超过1.54 MPa,当岩层层厚为0.2 m时将超过2.66 MPa,已经超过了混凝土的抗拉强度,水平层状围岩隧道拱顶衬砌需加强;(4)该研究结论对类似地质条件下地下工程的建设具有指导意义。     

拱上明作拱下暗挖隧道施工力学行为研究

为解决浅埋偏压隧道开挖施工过程中极易出现地表、拱顶沉降过大等问题，依托南宁至崇左铁路NCZQ1标笔架岭一号隧道和黄牛岭一号隧道，利用MIDAS/GTS NX有限元软件对拱上明作拱下暗挖隧道施工力学行为进行研究。通过对隧道关键节点进行位移分析，发现明显非对称变形现象：埋深较大的左侧拱肩、拱脚和边坡坡底相较于右侧相同位置位移偏大19.57%、8.82%和23.39%;应力方面，从设置、不设置边坡锚杆两个工况对1D(锚杆)、2D(喷混结构)、3D(围岩)单元进行应力分析，以证明设置边坡锚杆的必要性；数值模拟结果显示临时边坡陡峭处和护拱两侧上方土体有较大塑性应变区，施工过程需重点关注。     

不同岩层倾角深埋硬岩隧道围岩开挖变形研究

研究目的:深埋硬岩顺层构造由于其分层特性和结构形式的特点决定了在这样的地质环境中开挖隧道,其围岩受力之后的变形和破坏具有一定的特殊性。本文以拟建某高铁黄草隧道为例,就深埋隧道顺层硬岩组合围岩在不同岩层倾角下的开挖损伤变形开展数值模拟分析评价,主要研究不同岩层倾角下的隧道围岩变形、围岩屈服渐进性及稳定性,并给出强度折减至极限状态时硬岩组合隧道围岩的变形破坏模式。研究结论:(1)随着岩层倾角的增大,顺层硬岩组合隧道主变形从岩层弯曲变形逐渐向顺层滑移变形转变,倾角增大至一定程度时( 75°),垂直层面局部位移相对较大,在滑移变形为主的基础上弯曲变形程度加大;(2)硬岩组合的开挖引起洞室周边一定范围内的围岩发生屈服,岩层倾角变化导致围岩屈服区范围大小发生改变,倾角为30°时屈服范围最大,以此为界减小或增大倾角,屈服区均表现为不同程度的减小趋势;(3)岩层倾角存在界限值,硬岩组合黄草隧道为40°,小于或大于该值稳定安全系数均减小,10°～75°区间内稳定安全系数变化幅度最高达17%;(4)强度折减条件下,围岩破坏模式略有变化,表现为:倾角≤30°时,垂直于层面方向的位移量和破坏范围大,围岩以层裂(弯曲折断)破坏模式为主;当倾角 60°时,顺层面方向破裂范围大,但垂直层面破坏优先启动;(5)本研究成果对促进该高铁的顺利建设和今后类似工程的建设有着理论指导意义和工程价值。