高地应力深埋层状围岩隧道非对称变形受力机制研究

为深入研究高地应力层状围岩中隧道和支护结构的非对称变形受力特性和机制,以绵茂公路篮家岩隧道为工程背景,采用现场监测和数值模拟相结合的方法,研究不同层理角度和地应力方向下隧道变形、钢拱架应力以及二次衬砌弯矩和轴力的变化规律。结果表明： 1）层状围岩中隧道结构受力的最不利位置常出现在层理面法向方向; 2）隧道的非对称变形机制在于地应力对层理面产生的法向挤压作用和切向滑移作用,当层理面角度缓倾时,隧道拱顶和拱底承受较大挤出变形,当层理面角度陡倾时,地应力方向与层理面夹角越小,隧道衬砌在主应力作用位置产生的滑移变形越大。最后,根据层状围岩隧道变形和衬砌受力特征,提出合理的支护优化措施。     

超大断面通航隧洞软弱围岩及支护体系受力变形特性研究

文中以开挖面积为604 m²的超大断面清水江通航隧洞为研究对象,以数值分析手段模拟超大断面软弱围岩隧道施工过程中围岩及支护体系受力变形特性。研究表明,隧洞开挖过程中,拱顶围岩变形影响区域较边墙大,但边墙处围岩受剪应力较拱顶围岩更高;采用长锚杆加固拱顶围岩,可取得较好效果,但长锚杆对边墙围岩加固作用不明显,边墙处更适宜采用短锚杆;隧洞临时支撑拆除前,下导坑临时侧壁弯矩、轴力急剧增大,接近屈服破坏;临时支撑拆除后,主洞初期支护受力明显增大,拱部和仰拱以受弯为主,边墙以受压为主,受力最不利位置为拱脚。     

基于数值模拟隧道仰拱开挖对初期支护的影响分析

在山岭隧道施工过程中,施作仰拱虽能很好地控制洞室位移,抑制底鼓现象发生,但隧道仰拱的开挖一般都在初期支护基本稳定之后,其开挖会使上部支护结构底角短暂悬空,底角应力释放,从而引起开挖段洞周位移的急剧增加。通过对阎家庄隧道开挖过程的实时监测,分析仰拱开挖前后拱顶下沉和净空收敛的变形量和变形速度,结合ANSYS有限元软件,分析隧道开挖前后初期支护内力的变化。仰拱的施作能使围岩内力分布更加均匀,避免应力集中,但隧道仰拱开挖引起的洞室围岩的变形约占总变形量的25%,需引起施工注意。     

米拉山隧道凝灰岩开挖与支护力学特性研究

通过对实测数据分析可知,米拉山隧道凝灰岩遇水软化对围岩的变形影响很显著,为此,采用数值模拟方法对米拉山隧道凝灰岩开挖与支护力学特性进行了研究,获得了在不同时期围岩遇水软化和各分步开挖阶段围岩的位移、应力场变化规律,支护衬砌结构的变形、应力分布及内力分布情况。围岩遇水软化后,由于隧道的变形,锚杆与围岩发生相对滑动,锚杆嵌入隧道围岩,隧道变形大的部位也是锚杆受力大的部位,同时该部位锚杆与围岩的相对滑动也最大。隧道下台阶一次性开挖后施作的锚杆受力左右成对称分布,下台阶左右分步开挖施作的锚杆受力成不对称分布,后面施作的锚杆受力小于前面施作的锚杆受力。隧道围岩遇水软化后初期支护发生整体下沉,沉降量由拱脚向拱肩逐渐增大,拱顶沉降相对小于拱肩沉降;通过对不同阶段隧道围岩遇水软化下二次衬砌和仰拱的受力分析,发现在围岩软化的情况下进行隧道的开挖时,下台阶一次性开挖、仰拱一次性施作对隧道的安全性和稳定性方面都有提高,并得出不同阶段隧道围岩遇水软化隧道在后期运营阶段均处于安全状态。     

超梁沟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超梁沟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。     

CD和CRD法施工下超大断面隧道围岩变形控制数值计算研究

为研究超大断面隧道围岩变形控制机制,系统开展CD及CRD开挖工法下不同支护方式的数值计算,研究了不同支护方案随围岩强度等级变化对隧道拱顶位移、围岩塑性区应变的影响规律,明确了CRD开挖工法下不同临时支护拆除顺序对隧道围岩稳定性影响规律。通过对结果进行对比分析可知:采用CRD开挖方法比CD法、I22b型钢拱架支护比I18拱架都具有更好的围岩控制效果,且围岩等级越差,控制效果差异越大;考虑到拱顶沉降安全值,采用I18型钢拱架在经济性和施工安全性及便捷性方面具有良好的可行性;采用先临时仰拱,后临时支撑拆除顺序对整个隧道围岩稳定性效果最好。     

双洞子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M IDAS/GTS,采用地层结构法分析了双洞子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。     

基于锚杆受力分析的软岩隧道变形规律及柔模支护技术

研究支护状态下围岩变形范围及其位移量将为合理确定软岩隧道开挖的预留变形量及其支护方案提供重要的理论依据。通过将隧道围岩简化为理想弹塑性介质,在围岩中布设全长锚固锚杆。基于锚杆与围岩的协调变形原理,建立杆体与其周围岩体相互作用的力学模型,分析锚杆表面摩阻力及轴力的分布规律,并根据杆体的静力平衡条件,推导出杆体与岩体相对位移为0的中性点位置及其最大轴力值,讨论初期支护条件下隧道围岩的塑性区及破裂区的厚度计算公式及其影响因素;综合考虑隧道表面围岩变形过程中的塑性位移和破裂区岩体的碎胀变形位移,提出隧道表面围岩的位移公式及预留间隙柔模支护技术,进而定量分析榴桐寨软岩隧道的围岩位移及其预留变形量。结果表明：通过锚杆轴力可以反演分析隧道围岩的变形范围,确定围岩稳定后的最终位移量;柔模支护结构能够大量吸收大变形软岩的变形能,且具有适当的刚度抵抗围岩的有害变形,研究成果可为合理设计软岩隧道的开挖及支护方案提供新的思路。     

内蒙古地区马兰黄土隧道围岩及支护特性研究

通过对窑沟隧道周边收敛、拱顶下沉、围岩压力、钢拱架内力、喷射混凝土应力和锚杆轴力进行监控量测,了解隧道开挖过程中马兰黄土隧道围岩变形特性及支护结构受力特性。结果表明:施工过程中拱部沉降的量值远大于净空收敛的量值;围岩压力分布不均匀;钢架支护在隧道支护体系中起着非常重大的作用;拱部系统锚杆对结构的稳定性作用不大;水对拱顶沉降的影响非常严重。     

基于正交试验的软岩隧道围岩稳定性影响因素敏感度分析

基于某供水专用软岩隧道,采用正交试验法对其围岩稳定性影响因素进行敏感度分析,确定影响拱顶沉降、仰拱隆起和水平位移的主要因素,分析各因素对软岩隧道围岩稳定性的影响。结果表明：提高支护结构混凝土等级和厚度可减小拱顶沉降量,支护施工距离的增加会导致拱顶沉降量、仰拱隆起量逐渐增加,采用全断面法开挖可使拱顶沉降和仰拱隆起最小化;混凝土等级是影响水平位移结果的最显著因素,支护施工距离和开挖方案的影响次之,混凝土厚度是影响水平位移结果的较弱因素。提出优化施工方案,建模分析并通过现场监测进行验证。     

浅埋软弱围岩隧道变形特征与施工控制研究——以拱北隧道为例

为研究浅埋软弱围岩隧道变形特征和施工控制措施,以拱北隧道为研究对象,分析隧道所处工程地质条件,并选取桩号D0+100~0+150洞段设置3层6处监测点,获取围岩变形位移数据,利用神经网络法反演获取隧道变形破坏参数与规律;以此为基础,利用ABAQUS有限元软件对比分析了软弱围岩隧道在不同施工方法、开挖方式和支护处理措施下的优缺点,并提出了针对性的解决方案。研究表明:拱北隧道初期支护过程中,拱顶部位沉降可达250~260 mm,拱脚部位变形较硬质岩隧道小,一般为197~200 mm,且仰拱初期支护过程中发生隆起的现象较为频繁;其次,隧道大变形的发生具有明显的时空效应特点,拱北隧道大变形发生部位集中在支护最薄弱位置,从这些部位逐步扩展为大变形破坏;采用分层开挖法,开挖台阶高度为3.5 m时较4.5 m高度台阶其顶拱沉降值缩小10.5%,水平向位移降低约5.2%,优势较大;借助可伸缩式锚杆和钢拱架等柔性和刚性支护措施相结合的方式,有效释放围岩压力,提高了拱北隧道围岩稳定性。对于浅埋软弱围岩隧道施工过程中采用以上施工及处理措施具有一定借鉴和推广价值。     

高地应力软岩隧道圆形断面扩挖施工围岩及支护受力特征研究

针对高地应力软岩隧道开挖时围岩大变形问题,以某隧道圆形扩挖段为背景,采用三台阶法施工和3层初期支护+小导管注浆+二次衬砌的复合结构支护,并通过现场监测、数值模拟和理论计算研究开挖过程中的围岩变形及支护结构受力。结果表明:上、中台阶开挖时的隧道围岩变形速率较大,在仰拱封闭和第3层初期支护施作完成后,隧道变形趋于稳定;采用3层初期支护结构可有效改善隧道周边围岩应力,3层初期支护基本都是受压结构,拱腰和边墙处竖向应力最大,拱顶处水平应力最大;二次衬砌拱腰、拱顶、拱脚和边墙处安全系数均大于规范要求,保证隧道结构安全。     

小净距隧道施工的平面数值模拟

结合九岭隧道的设计及施工实践,建立小净距隧道的平面计算模型,对小净距隧道进行开挖支护数值模拟计算,并着重对其位移场、应力场、喷射混凝土初期支护、锚杆轴力进行数值分析,结果表明:由于围岩较好,开挖后整体稳定性较好,变形主要集中在拱顶与仰拱底部,应力主要集中在隧道的拱脚处,喷射混凝土的最大弯矩值以及支护锚杆的最大轴力值都出现在隧道拱脚处,塑性区较少,主要分布在中间围岩部位,因此要重点加固此部位.     

水平砂泥岩隧道锚杆支护变形和受力特性研究

为了分析水平砂泥岩隧道锚杆支护效果,以段家坪隧道为例,通过数值模拟和现场监测,对隧道拱顶沉降、锚杆轴力和初期支护与围岩接触压力进行研究。结果表明:锚杆长度达到3 m,锚杆间距达到1.5 m后,继续增加锚杆长度和减少锚杆间距对于隧道拱顶沉降的控制作用不再明显;隧道拱部锚杆轴力较大,隧道拱腰和拱脚处锚杆受力较小;随着水平砂泥岩隧道围岩强度的降低,拱部锚杆轴力不断增大。围岩强度越低,锚杆能够更好发挥控制围岩变形的作用。     

偏压隧道变形破坏机理及超前预加固研究

依托九绵高速福隆隧道工程,通过建立三维山体隧道模型对偏压隧道围岩支护体系受力变形特征进行分析,并通过数值模拟与现场监测对不同超前加固方式进行对比研究。结果表明:受偏压地形影响,隧道围岩变形、塑性区分布、二衬受力等均存在非对称现象;隧道开挖时,拉应力出现在掌子面、仰拱、回填土处,塑性区分布深入掌子面后方约3 m,且掌子面的土体有向外挤出的趋势;偏压地形下,适用性较好的超前加固方式为双层注浆小导管,在有效控制围岩变形、塑性区以及二衬等受力同时具有良好的经济性;现场测得K89+317断面的拱腰收敛与拱顶、地表变形较小且收敛较快,验证了双层小导管的适用性。     

大断面隧道双侧壁导坑法数值建模及力学特性分析

依托广西百色达康隧道实际工程,简化隧道施工模型,通过FLAC 3D数值模拟软件构建了隧道施工动态三维模型,模拟了大断面隧道采用双侧壁导坑法施工流程,得到在不同施工步骤时隧道围岩应力、变形,以及隧道衬砌的轴力、弯矩变化情况,探究动态施工过程中围岩变形规律和支护结构受力变化规律,并且分析了隧道向前掘进时距掌子面不同距离的断面拱顶、拱底的变形量,分析了其变化规律,对双侧壁导坑法施工时超前支护与施工量测具有参考作用。数值分析结果表明,隧道开挖过程中隧道拱顶底达到竖直位移极值,左、右拱腰处产生水平位移极值;隧道开挖对前方围岩影响范围大约为隧道跨度;隧道衬砌轴力与弯矩最大值均出现在左侧导洞初期支护中期支护中部偏上,二衬拱脚两侧和隧道洞室顶部和仰拱处,所受内力较大。     

底部隐伏溶洞隧道施工阶段围岩稳定性分析

结合实际隧道工程施工案例,运用有限元软件分析了底部隐伏溶洞对隧道围岩稳定性的影响,并将计算结果与监控量测数据进行对比。结果表明,随着隧道开挖面逐渐进入岩溶区,仰拱处围岩位移急剧增长,且由于底部岩体整体性变弱及仰拱与溶洞间的岩体变形刚度减小,仰拱位移逐渐大于拱顶位移;在距离岩溶区大约1D范围内,仰拱底处围岩竖向位移显著上升,拱顶、仰拱底处围岩最大主应力逐渐减小,拱肩处围岩最大主应力逐渐增大。     

黄土隧道三台阶施工预制临时仰拱技术及应用研究

为解决隧道临时支护结构施作耗时长、拆除后难以利用的难题,提出一种可重复使用的预制临时仰拱设计与施工方案,并在黄土隧道三台阶七步法中进行应用试验。通过对比现场光纤光栅传感器测试数据和数值模拟结果,对预制临时仰拱实施效果进行研究。研究结果表明:1)预制临时仰拱制作简单、拼装快速并可重复应用,可在大断面隧道三台阶临时仰拱七步施工方法中快速形成临时仰拱,使中台阶开挖后初期支护体系临时封闭成环;2)与传统三台阶七步开挖施工方案相比,采用"三台阶七步开挖+预制临时仰拱"方法可以有效改善大断面黄土隧道施工中初期支护结构受力与变形,其中初期支护结构最大主应变降低约72%,拱顶沉降降低约78%;3)设置预制临时仰拱使中台阶封闭成环,可以很好的改善初期支护结构与围岩的相互作用性能,有效减小隧道开挖后围岩塑性变形范围,保证隧道施工安全。     

埋深与围岩变形模量对隧道支护结构承载特性的影响分析

为探讨埋深与围岩变形模量对隧道开挖后支护结构承载变形的影响规律,以龙永(龙山—永顺)高速公路大干溪Ⅰ号隧道为研究对象,采用ANSYS建立三维数值分析模型,对隧道分部开挖支护进行模拟分析。结果表明,在3个不同埋深条件下,当围岩变形模量由4.5GPa减少1/3时,拱顶下沉量与周边收敛量均增加40%左右,初期支护拱顶水平方向应力值增加55%左右,初期支护左侧拱腰竖向应力值增加37%左右;当围岩变形模量由4.5GPa增加1/3时,拱顶下沉量和周边收敛量均减少22%左右,初期支护拱顶水平与竖向应力值和初期支护左侧拱腰竖向应力值均减少21%左右;变形模量减小对支护结构变形与内力的影响比其增大时明显。     

承担全部设计荷载的隧道初期支护的设计计算方法

针对当前隧道初期支护设计存在不能承担全部设计荷载、以初期支护仰拱闭合的有利结构而不是以仰拱未闭合的最不利结构为最终设计目标而造成结构存在安全隐患以及给不出锚杆锚固力设计值和现场围岩变形很大使得采用岩体力学进行设计初期支护不具备条件的问题,提出按照“荷载-结构”的计算模型,采取结构力学力法对隧道初期支护承担全部设计荷载、对应施工“三台阶”法、对型钢钢架和喷射混凝土按变形协调条件确定各自承担荷载的比例系数、就钢架和喷射混凝土承载能力分别进行计算分析,明确在各部施工时对喷射混凝土强度以及锚杆的锚固力的要求。计算结果表明： 1）采取除中心夹角60°范围外其余均匀布置分布锚杆、采用“型钢钢架+分布锚杆+喷射混凝土”支护型式的隧道初期支护完全具有承担全部设计荷载的能力,且仰拱开挖不会威胁支护的稳定; 2）应将锚杆作为支护结构的链杆支座来确定锚杆锚固力; 3）锚杆和喷射混凝土3 h的强度对支护结构的承载能力影响很大。