岩溶地质环境下影响高速公路隧道溶洞稳定性的数值模拟

以四川某高速公路岩溶隧道为对象,在岩溶地质环境下,通过FLAC3 D软件,模拟了隧道溶洞稳定性数值。结果表明,隧道开挖后,当隧道与溶洞之间的距离比较远时,隧道底部围岩变形方向竖直向上,与之相反,隧道顶部围岩变形方向竖直向下,而隧道边墙围岩变形方向水平向内。当隧道底部存在溶洞时,溶洞与隧道底部周围形成应力释放区,拱腰附近形成应力增高区。在隧道施工时,要对隧道底板变形方向及大小密切关注。随溶洞半径的增大,应变值则减小,随着溶洞增大,溶洞周围应变出现增大的趋势,通过对比有无溶洞的应变,表明无溶洞应变分布较广,应变绝对值要小于有溶洞的值。     

基于对数应变考虑渗流影响的软弱围岩圆形隧洞弹塑性解

为求解发生大变形时软弱围岩圆形隧洞的应力和位移，基于三剪应力统一强度理论和拉格朗日坐标下的对数应变，通过考虑施工期、运行期和检修期3种工况下主应力顺序以及渗流等影响，推导理想弹塑性模型软弱围岩的弹塑性解，并分析弹性模量、泊松比、孔隙水压力和强度准则4个参数对塑性区厚度和洞壁处径向位移的影响。研究结果表明： 1）施工期围岩塑性区厚度随弹性模量的增大呈现先增大后逐渐趋于一个稳定值（小应变解），而运行期围岩塑性区厚度随弹性模量的增大呈现逐渐减小后逐渐趋于一个稳定值（小应变解），洞壁处径向位移在施工期和运行期2种工况下均随弹性模量的增大逐渐减小； 2）施工期和运行期围岩塑性区厚度随泊松比增大几乎无影响，而洞壁处径向位移随泊松比增大呈线性增大； 3）施工期围岩塑性区厚度和洞壁处径向位移随孔隙水压力的增大而增大，而运行期围岩塑性区厚度和洞壁处径向位移随孔隙水压力的增大而减小； 4）不同强度准则下的塑性区厚度和洞壁处径向位移变化显著； 5）检修期围岩塑性区厚度和洞壁处径向位移变化规律与施工期类似。对于发生大变形的软弱围岩圆形隧洞，推导的弹塑性解与小应变解明显不同。     

考虑渗流影响的深埋隧道围岩-衬砌相互作用研究

山岭地区深埋隧道经常处于高水压工况,渗流对于隧道围岩及衬砌结构安全有较大影响。基于Mohr-Coulomb准则,推导在渗流力作用下围岩和衬砌结构相互作用的弹塑性解析解,得到围岩塑性区半径、围岩应力、位移以及衬砌径向变形等与支护反力间的解析关系。进一步地,引入围岩收敛曲线(GRC)和支护特性曲线(SCC),分析隧道围岩和衬砌的非线性力学特性,采用收敛约束法求得洞周径向位移。依托牛和岭隧道深埋段工程,验证本文基于Mohr-Coulomb准则的理论解析方法的准确性,并针对富水山区隧道支护反力、塑性半径和洞周径向位移关系进行参数分析。研究结果表明:1)增加支护反力可以有效地限制塑性区的发展和洞周的径向位移,初始阶段限制效果明显,后续增加支护反力的效果逐渐减小;2)围岩塑性半径和洞周径向位移随渗流水压力的增大呈非线性增长;3)塑性区半径不变,低渗透性衬砌可以减小所需的支护反力以及洞周的径向位移。     

隧道上部充水溶洞对围岩稳定性影响的数值模拟

基于隧道上方存在充水溶洞时容易对开挖造成很高的风险性,因此要预留一定的安全岩墙确保施工安全.通过数值模拟对比分析了隧道顶部正侧和上方侧向存在充水溶洞时对隧道开挖围岩稳定性的影响,计算结果表明:在自重应力作用下,隧道开挖后塑性区与充水溶洞塑性区贯通后易造成隧道涌水塌方;当隧道顶部和侧向存在充水溶洞时,如果洞径比小于1.0,建议安全岩墙的厚度应分别至少预留0.8倍隧道洞径和1.0倍隧道洞径;而洞径比大于1.0时,则安全岩墙厚度应分别至少大于1.0倍隧道洞径和1.2倍隧道洞径.     

公路隧道最优开挖方法探讨分析

结合隧道洞口过渡段不合理的开挖方式极易导致洞口段塌方的现状,以承赤高速公路第十九标段锥子山1号隧道右线工程为依托,通过FLAC~(3D)数值模拟的方法对V_2级围岩浅埋隧道采用单侧壁导洞法、预留核心土法、双侧壁导洞法、台阶法等4种开挖方法进行研究,通过对比分析隧道围岩位移与应力、衬砌结构位移与应力、塑性区体积,得出以下结论:单侧壁导洞法开挖会造成偏压,所得偏压量可为以后类似地质条件隧道开挖提供参考;开挖方法是否适合工程条件与其应力释放率大小及释放集中程度有直接关系,初步推断应力释放率有与围岩位移成正比、与围岩应力成反比的关系;双侧壁导洞法应力释放缓和,围岩、衬砌、锚杆位移与应力控制均是4种方法中最优的,塑性区发展控制也较为理想,认定为V_2级围岩浅埋隧道开挖最合理方法。     

下伏水平煤层采空区对隧道开挖稳定性影响研究

隧道下伏水平采空区时将对洞周位移、初期支护内力、围岩应力产生不利影响。以达万高速公路天坪寨隧道为依托工程,采用FLAC3D模拟了隧道下伏水平采空区时的开挖过程,分析了煤层厚度对隧道洞周位移、初期支护内力和围岩应力的影响。结果表明,随煤层厚度的增加,拱顶沉降、拱底隆起及洞周最大位移显著增加;当煤层厚度小于1.7m时,随厚度增加,最大正弯矩、最小轴力均明显增加;超过2m后,初支内力的变化趋于稳定;煤层厚度变化对拱顶围岩压应力以及洞周围岩最大压应力有较大的影响。     

武当群片岩隧道围岩变形破坏机理研究

围岩的变形破坏一直是隧道研究的热点问题,弄清围岩的变形破坏机理是解决该类问题的关键。依托在建的通省隧道,在调查隧道区工程地质条件及典型围岩变形破坏特征的基础上,分析围岩的变形破坏模式,探讨围岩的变形破坏机理。研究结果表明,围岩变形破坏归纳为对称模式、非对称模式两种。对称模式下,围岩应力、位移、塑性区呈关于水平面对称的分布形式;非对称模式下,洞周环向应力的量值会增大约15%,应力、位移、塑性区的分布将会发生偏转。围岩变形破坏机理总结为,不同的片理倾角导致了不同的洞周环向应力的量值和分布,而洞周环向应力分布又与片理呈现出一定的交切关系,形成了两种变形破坏模式。     

浅埋双侧偏压小净距隧道开挖稳定性分析

为了研究浅埋双侧偏压小净距隧道开挖后围岩变形及支护结构受力分布规律,以某高速公路隧道为依托,采用数值分析方法对小净距隧道左右洞开挖支护完毕后的围岩塑性区分布、竖直和水平位移分布,以及初期支护结构的弯矩、轴力和剪力进行研究和分析。研究结果表明:浅埋偏压小净距隧道开挖后塑性区主要分布在隧道左右洞的两侧拱脚处,拱顶处竖向位移最大,拱腰处水平位移最大;初期支护结构在边墙处的弯矩和剪力均较大,轴力在拱腰处最大。建议该类型隧道设计与施工时需加强对隧道边墙及拱脚处的支护,并加强隧道内空变形监测。     

小净距隧道稳定性影响因素的数值模拟

运用ANSYS数值模拟手段,对不同埋深、净距、围岩等级的小净距隧道进行三因素四水平的正交试验,通过对不同因素组合下隧道帮部、顶底板应力及位移的综合分析,结果表明:埋深对隧道围岩的应力影响最大;围岩等级对隧道顶底板的位移影响最大;埋深对远离中夹岩柱的帮部位移影响最大,而围岩等级对靠近中夹岩柱处的帮部位移影响最大.     

在逆断层下盘开挖时距离对隧道围岩的影响研究

基于数值模拟方法,对隧道在逆断层下盘开挖时,隧道与断层之间的距离对隧道围岩的影响进行了研究.研究发现,隧道的开挖导致了断层的活化;随着隧道边界与断层边界之间的距离L变大,围岩的最大位移和最大增量位移逐渐由隧道的向断层一侧转向隧道的顶部,且随着L的增大,围岩最大位移和最大增量位移非线性减小,最后趋于稳定值;当L较小时,隧道两侧应力不均衡,随着L的增大,隧道两侧的应力逐渐变得均衡;断层对变形和应力有屏蔽作用;隧道稳定安全系数开始时随L的增大而增大,但当L增加到一定值后安全系数就不再增大.结果表明,随着隧道离断层距离的不同,断层对隧道围岩的影响也不同;本文的研究结论可为隧道的布置和施工措施提供重要依据.     

隐伏溶洞对连拱隧道中隔墙力学特性影响研究

通过有限元方法,研究了岩溶地区隐伏溶洞存在的连拱隧道区段开挖施工过程中,埋深对中隔墙和围岩的应力、位移的影响,进而推导了中隔墙适用长度的公式。研究结果表明:(1)拉应力主要集中在中隔墙底部位置,压应力集中在中隔墙中间位置,随隧道埋深的增加,其大、小主应力均呈线性增加;(2)随埋深增加,围岩水平位移与竖向位移均增加,且变化率逐渐增大,其水平位移集中在左、右洞拱肩及拱腰处,竖向位移集中在拱底及拱顶处;(3)建议使用强度判据对连拱隧道进行稳定性判断,且中隔墙的极限长度为60/tanα(m)。     

不同TBM导洞位置对洞周围岩变形的影响研究

采用翠屏隧道的建筑内轮廓、围岩参数及支护参数,运用MIDAS GTS NX模拟研究TBM导洞+上下台阶扩挖法开挖公路隧道时,TBM导洞在建筑内轮廓的顶部、上部、中部、下部及边墙处等5个不同位置处对隧道洞周围岩变形的影响。结果显示:导洞在下部时,隧道拱顶及拱底的位移值相对导洞在其他位置时最小,对控制拱顶及拱底位移变形最有利;导洞位置在边墙处时,洞周左右边墙位置处的位移变形量最大;导洞沿拱顶、上部、中部、下部等4个位置逐渐往下,洞周左右边墙位置处的位移变形量逐渐减小,即导洞在下部时洞周左右边墙位置处的位移变形量最小。即导洞在下部时,位移变形量在洞周左右边墙、拱顶及拱底位置处时位移变形量最小。推荐在采用TBM导洞+上下台阶扩挖法开挖公路隧道时,导洞布置在建筑内轮廓的下部。     

隧道交叠段变形规律及支护应力研究

新建隧道下穿既有隧道时,交替开挖工序可能会对既有隧道产生不利影响,文中以某公路隧道交叠段为对象,对新建隧道开挖进行全过程数值模拟,分析开挖过程对既有隧道底板变形的影响,同时考虑交叠段隧道结构之间相互作用关系,分析新建隧道支护应力及围岩变形。结果表明,新建隧道开挖后,竖向位移最大值出现两主洞隧道拱顶部位,水平位移最大值出现主洞左、右边墙部位,主洞左、右边墙角部位可能出现局部拉裂破坏,既有隧道底板沉降最大值出现在新建隧道主洞顶部上方。     

上下台阶法和CRD法施工下超大断面隧道围岩控制机制数值试验研究

为明确超大断面隧道软弱围岩破坏及控制机制,系统开展上下台阶法和CRD法开挖方式下超大断面隧道软弱围岩控制机制数值试验,对比分析不同强度等级围岩下隧道拱顶位移、最大塑性应变、支护构件受力变化规律,得出结论:不同开挖方式对隧道拱顶位移、最大塑性应变、支护构件应力影响显著;CRD法对隧道的拱顶位移、最大塑性应变、支护构件应力的控制效果比上下台阶法要好,且随围岩强度等级越低、隧道拱顶沉降越大,塑性区范围越大,支护构件应力越大,围岩稳定性越差。     

施工过程中大跨破碎隧道围岩应力变化规律及控制

为了再现隧道开挖过程中围岩与支护结构的相互作用和荷载分担比,进一步优化施工工艺,对某隧道洞口施工过程进行了数值模拟。通过模拟发现,破碎地层中开挖大跨隧道,边墙受力较大,塑性区面积大于顶部,要求锚杆的锚固深度较大;其次两隧道中间顶部最早出现塑性区,对围岩的扰动较大,应采取注浆加固围岩,提高其自承能力;仰拱中部塑性区扩展较大,可适当施作锚杆,控制底鼓破坏;协同围岩与锚杆的支护作用可适当降低工程造价,更好地发挥围岩自承的作用。     

藻溪隧道反压护拱施工和优化分析

为了研究反压护拱施工对浅埋偏压小净距隧道稳定性的影响,首先介绍了藻溪隧道反压护拱的施工过程,并以此为工程背景,利用FLAC3D有限差分软件模拟了在不同厚度反压护拱下的隧道开挖过程。通过分析围岩位移、应力和塑性区的变化情况,得到了反压护拱厚度对浅埋偏压小净距隧道稳定性的影响规律。结果表明:随着反压护拱厚度的增加,浅埋侧左洞拱顶向上隆起值减小,周边位移减小,仰拱隆起加剧;深埋侧右洞拱顶下沉减小,周边位移增加,仰拱隆起稍有增加;反压护拱厚度增加能显著缓解隧道浅埋侧左洞和中夹岩柱的偏压程度,而对缓解深埋侧右洞的偏压不明显。根据围岩塑性区体积随反压护拱厚度的变化情况,建议在地表注浆加固后,Ⅴ级围岩宜施作5m厚的反压护拱。     

不同应力场软弱围岩公路隧道结构安全性数值分析

针对目前隧道衬砌结构在运营中出现较多病害的现状,运用数值计算手段,建立三维有限元数值模型,对不同应力场软弱围岩公路隧道结构安全性进行了评价,详细研究了衬砌结构在不同应力场作用下出现裂缝时的应力和变形,研究结果表明:不同应力场,隧道衬砌结构均先在拱脚处出现裂缝;随着侧压力系数的增大,衬砌结构承载减小;拱脚处应作为隧道结构长期安全性应力监控的重点;另外,在λ为0.5、1.0的应力场中,边墙处压应力值也较大,而在λ为1.5的应力场中,拱顶处的压应力值较大;隧道结构在长期安全性变形的监控中,在λ为0.5的应力场中,边墙、拱顶处应重点监控;在λ为1.0的应力场中,拱肩、拱顶处应重点监控;在λ为1.5的应力场中,拱腰、拱顶处应重点监控.     

岩溶地区隧道衬砌受力及变形特征的有限元分析

运用ABAQUS有限元分析软件,结合岩溶地区山岭隧道的工程实例,建立隧道施工过程的三维有限元模型,研究了岩溶地层对隧道围岩和初期支护结构受力和变形的影响。结果表明:在岩溶地区开挖隧道,衬砌拱顶承受较大的应力而边墙部分承受较小的应力;边墙及拱顶均存在下沉现象,且位移呈直线增长趋势,隧道围岩底部存在一定程度的反拱现象。     

极软岩隧道横洞开挖空间力学效应研究

为研究极软岩隧道车行横洞交叉段施工力学特性,以大梁山特长公路隧道V级极软围岩段为依托,采用现场试验结合数值模拟试验分析其空间效应。研究断面现场监测结果表明:6个断面在深度为1 m、2m和3 m处内部围岩位移受横洞开挖影响较小,可忽略不计。拱腰和拱脚处钢支撑内力在横洞开挖后小幅增大,影响区集中于拱腰及以下部位,对拱顶部位影响较小。远离横洞侧拱脚、拱腰及拱顶处围岩压力与层间压力所受开挖影响很小,而近横洞侧拱腰处影响相对较大,在施工中应值得注意。数值试验结果表明,混凝土应力受横洞开挖影响主要表现为压应力增大,产生压应力增大区;围岩塑性区在开挖前有一定程度增大和区域改变,锚杆轴应力施工前后变化不大。     

软岩隧道埋深及施工进尺对围岩稳定性影响分析

该文以中国西部某隧道为研究对象,采用三维有限元数值模拟手段对埋深及施工循环进尺对隧道围岩的稳定性进行了分析,针对不同埋深状况下围岩应力、围岩位移、塑性区及其初支应力的状况,以及不同循环进尺对围岩应力、围岩位移等的影响进行了探讨。研究结果表明:隧道埋深越深,对围岩和支护体系均存在不利影响,需在埋深较大的地段,加强监控量测,必要时需施加钢支撑,以增加初期支护的抗压能力;大进尺施工对围岩应力的最大拉应力和洞周位移影响较大,建议施工时循环进尺选择1.5~2m为宜。