TBM开挖深埋铁路隧道引起的围岩扰动分析

TBM深埋铁路隧道地应力水平高,应力场复杂多变。为研究TBM开挖深埋铁路隧道引起的围岩扰动,明确其应力重分布特征及产生机制,依托实际铁路隧道工程,采用FLAC 3D数值模拟软件,建立TBM隧道施工掘进模型,基于力流理论对TBM隧道开挖过程中的围岩应力分布特征及弹性应变能进行分析,采用弹性应变能大小为指标对隧道岩爆位置进行预测。研究结果表明:1)隧道围岩应力及弹性应变能大致呈上下对称分布,TBM的质量对围岩应力分布影响不大; 2)在水平构造型应力场中,σ_x(横向应力)的重分布对σ_1(最大主应力)的应力集中程度影响显著,拱顶和拱底、拱肩和拱脚、拱腰处最大主应力集中分别主要由横向应力、剪应力、竖向应力集中引起; 3)σ_1的应力集中程度反映了弹性应变能的跃升水平,隧道拱底和拱顶发生岩爆的可能性最大。     

富水区城市公路隧道中隔壁法各开挖步力学特征研究

以深圳东部过境高速公路连接线工程为依托,基于应力场-渗流场耦合的数值模拟方法,研究富水区城市公路隧道中隔壁法各开挖步力学特征。结果表明:中隔壁法各开挖步骤的围岩主应力变化特征明显,隧道目标面围岩总体受压,在隧道两侧拱腰至拱脚处存在较为明显的压应力集中现象,而拱底及掌子面则出现少量拉应力集中;不同开挖步拱脚处初期支护应力最大,拱腰、拱肩和拱顶处应力量值较为接近,而拱底处应力最小;初期支护受力随隧道开挖进程变化幅度较小,初期支护具有一定的安全储备;各径向特征点水压力均呈现从注浆圈外侧至初期支护外侧逐渐减小的趋势,而各环向特征点水压力由拱顶至拱底逐渐增大;对于作用于初期支护上的水压力值,数值计算结果稍大于不考虑开挖影响的理论预测值,表明中隔壁法隧道施工各开挖步对衬砌背后水压力大小及分布规律有一定影响。     

大断面隧道应力集中系数的分析研究

基于弹塑性有限差分法原理,对某大断面隧道硐室在简单二维应力场下的应力集中系数进行了分析,并对硐室各控制点的应力集中系数随矢跨比的变化进行了讨论;模拟分析得出隧道Ⅴ级围岩下硐室的应力集中系数的变化情况,其中水平跨度最大处应力集中系数最大,仰拱连接处次之;而硐室各标志点处应力集中系数随矢跨比变化的敏感程度并不相同,其中拱脚附近变化较为敏感.     

富水隧道施工期及运营期衬砌结构力学特性研究

以米亚罗3号隧道为依托工程,首先通过现场实测应力监测数据,对米亚罗3号隧道施工期支护结构应力的演变规律进行了分析研究;然后进一步借助数值分析软件,对不同初始水头高度下,米亚罗3号隧道运营期间围岩和衬砌结构的力学特征进行了研究。应力监测结果表明:隧道上台阶开挖后,拱顶和拱肩处的围岩-初支接触压力、钢拱架应力和外水压力迅速增大,约在30~40d后趋于稳定;下台阶开挖后,拱腰处的接触压力、钢拱架应力和外水压力快速增长,约在30~50d后趋于稳定;随着下台阶的开挖,拱肩处的围岩-初支接触压力再度缓慢增长,而钢拱架应力则明显下降;二衬施作后,其内力快速增长,并在20d后趋于稳定。数值模拟结果表明:当初始水头高度增加时,运营期间米亚罗3号隧道的洞周位移、二衬内力和外水压力均成一定比例的增加;隧道变形主要为竖直和水平方向的挤压变形,最大位移发生在拱底;相对于无地下水的情况,地下水的存在会影响衬砌弯矩分布,导致弯矩最大截面从拱顶转移至拱脚;衬砌所受外水压力在拱底处最小,其余部位分布较为均匀;随着初始水头的增大,拱腰和拱脚背后围岩的塑性区范围会明显增加。     

重庆轨道交通某区间隧道与施工通道交叉段施工力学研究

为确保区间隧道与施工通道交叉段施工的安全和质量,研究了交叉段的围岩应力状态及变形机制,依托重庆轨道交通某区间隧道与施工通道形成的交叉断面特征,建立了三维有限元数值模型,分析了交叉段围岩位移、应力特征及塑性区特征,并结合现场监控量测资料,研究交叉段围岩应力分布和位移变化趋势。结果显示,在隧道交叉部位拱脚出现应力集中,拱顶处竖向位移出现突变,施工时需加强对这2个部位的支护和监控量测;隧道开挖会在左、右侧墙拱脚及左、右隧道之间的小净距区域形成塑性区,施工时需加强支护。研究成果可为隧道交叉段的设计、施工提供科学依据,对同类工程具有一定的参考价值。     

开挖与回填过程中隧道受力和承载拱效应研究

为研究开挖和回填过程中既有隧道受力变化及其与承载拱之间的联系,设计模型试验,通过考察开挖与回填过程中既有隧道的位移、内力及围岩压力,得到隧道受力变化规律,并对隧道受力与承载拱之间的联系进行分析。结果表明: 1)既有隧道上方开挖过程中由于承载拱的存在,会使隧道经历无影响、弱影响、强影响3 个阶段,但既有隧道上方回填过程中不会产生承载拱,填方对隧道的影响基本呈线性增加,隧道处于持续受影响状态; 2)回填后的结构受力普遍大于相同覆土高度下开挖后的结构受力,且拱顶和仰拱相对其他部位受影响较大,易因内侧受拉出现裂纹; 3)承载拱的产生与否主要取决于一定埋深隧道围岩应力状态是否经历三向应力-二向应力转变的历程,隧洞开挖时围岩应力的转移和重分布导致了承载拱的产生。     

地表水平及倾斜下隧道变形受力特性对比分析

地表倾斜是傍山隧道经常遇到的情况,给施工带来极大的困难。因此,基于有限元原理建立了地表水平和地表倾斜的两种模型,通过对比分析地表水平和地表倾斜情况下的围岩变形受力、围岩塑性区分布、支护结构受力情况,研究地表倾斜下隧道的变形受力特性。结果表明：地表倾斜下的围岩和支护结构受力均不关于隧道中心线对称,且围岩水平位移表现为顺坡方向,围岩应力在深埋侧左墙脚和浅埋侧右拱腰部位产生应力集中,深埋侧左墙脚和浅埋侧右拱腰弯矩增大明显,塑性区分布呈“不对称蝴蝶”形分布。     

山岭隧道断层破碎带富水段开挖方法的对比分析

以小北山1号隧道为研究对象,采用FLAC3D有限元模拟分部开挖的几种工法,对隧道穿越F3断层破碎带处的开挖过程进行了模拟。针对4种不同施工工法情况下竖向位移、围岩应力以及塑性区进行了对比分析,结果表明,采用预留核心土法时得到的底部隆起、拱顶沉降量和拱脚最大主应力是四种工法中最小的;尽量减小对围岩体的扰动可以对隧道顶部的沉降控制起到一定的作用;拱肩处出现的受拉塑性区在施工过程中容易造成洞室的整体失稳,需及时支护。     

浅埋偏压隧道施工工法研究与非对称设计优化

为探究偏压隧道的适宜工法并针对偏压特性对支护结构进行非对称优化,基于九绵高速福隆隧道,通过现场监测深浅埋侧非对称周边收敛与地表变形,建立三维山体隧道模型,进行不同工法围岩、支护结构受力变形比选分析以及初期支护厚度、锚杆长度与倾角的非对称优化设计。相关研究表明:1)现场监测发现,地表沉降与周边收敛非对称特性明显,随着离隧道正中距离的增大,深埋侧地表沉降较浅埋侧数值减小较慢。深埋侧上拱腰收敛数值最大且波动较大,浅埋侧下拱腰收敛增速较慢。2)偏压隧道较适宜工法为CD法,能有效控制围岩支护结构变形、锚杆应力、初期支护压应力以及塑性区分布。3)初期支护非对称优化结果为将浅埋侧初期支护厚度减小2cm,深埋侧增大2cm,能将二次衬砌拉应力控制在较小数值。4)锚杆长度非对称优化结果为将浅埋侧锚杆长度减小0.5m,深埋侧增大0.5m,使锚杆受力更为均匀并减小右上拱肩与左下拱脚的塑性区。初期支护应力在右上拱肩与左下拱脚处存在显著偏压,通过将右上拱肩处锚杆朝深埋侧倾斜能一定程度减小初期支护受力不均匀。     

砂卵石隧道施工力学效应数值分析

为了研究砂卵石隧道施工过程中支护结构的受力特征,本文借助数值模拟手段,对砂卵石地层隧道力学效应进行了详细分析。研究发现:(1)初期支护在施工过程中出现了应力集中,拉应力集中主要发生在拱顶、拱腰位置;压应力集中主要发生在拱脚、拱顶和拱腰位置。(2)随着施工的推进,应力一直在积累增加,同时压应力和拉应力最大值出现的位置主要在拱脚和拱顶处。其中压应力最大值由拱顶到拱腰再到拱脚,即由上往下转移,并且在下台阶支护施做后,拱脚处压应力突然增大。     

大断面公路隧道临近大型溶洞围岩稳定性分析

依托某高速公路隧道,运用有限元分析软件,对大断面公路隧道临近溶洞不同尺寸的围岩稳定性及钢拱架内力进行了分析。结果表明:①洞周位移随溶洞尺寸的增大均有所增加,溶洞尺寸显著影响掌子面挤出;②掌子面临近溶洞位置的塑性应变最大;③初期支护整体承受的弯矩以正弯矩为主（内侧受拉）,墙脚位置出现小范围的负弯矩（外侧受拉）,并伴随应力集中现象,是受力的薄弱环节,随着溶洞尺寸的增大,临近溶洞位置的弯矩出现不同程度的减小;④初期支护的轴力整体呈上大下小的分布,随着溶洞尺寸的增大,初期支护临近溶洞位置的轴力显著增加,加剧了轴力分布的不均匀性。     

连拱隧道衬砌厚度不足对结构安全性的影响研究

为解决因衬砌厚度不足而诱发的连拱隧道结构裂损及安全问题，针对整体式曲中墙连拱隧道，通过相似模型试验，重点研究衬砌厚度不足条件下连拱隧道围岩压力特征、衬砌内力分布以及裂损演化规律。研究结果表明： 1)连拱隧道中墙墙角部位的弯矩最大，中墙墙角外表面产生裂缝,内表面结构压溃，裂损程度最为严重，为最不利位置。 2)衬砌厚度不足部位的边缘是衬砌薄弱截面，左线左拱肩存在衬砌厚度不足时，厚度不足位置右边缘的衬砌内侧开裂；左线左边墙存在衬砌厚度不足时，厚度不足位置上边缘的衬砌外侧开裂。 3)连拱隧道中墙顶部与拱腰接触部位出现较大的拉应力，衬砌厚度不足位置的改变对中墙顶部衬砌受力造成一定的影响，厚度不足位置对侧隧道中墙右上角部位的裂缝出现晚于拱顶裂缝，是连拱隧道结构破坏的重点区域。     

侧部溶洞对隧道围岩稳定性影响分析

以纳溪高速公路叙岭关隧道为背景,以方形溶洞为例,运用三维有限元方法分析隧道侧部溶洞对隧道围岩稳定性的影响.研究结果表明:随着隧道的不断推进,右拱脚附近竖向位移和最大主应力有较明显的增加;拱顶、拱底围岩变形有朝溶洞方向位移的趋势;侧部溶洞对围岩的影响范围大约是2倍隧道洞径,对1倍隧道洞径内的围岩及侧部溶洞应及时处理.隧道...     

广东某隧道溶洞处治段支护结构变形及受力特征研究

以广东某新建公路长大隧道工程为例,运用三维有限元软件（FLAC3D）对该隧道溶洞处治段支护结构的变形及受力进行了分析,探讨了溶洞处治结构对隧道变形及受力的影响。研究结果表明:三车道公路隧道开挖中,隧道周边位移变形规律为:拱顶沉降 仰拱隆起 水平收敛;溶洞处治结构传导了两侧围岩作用力,维持了溶洞处围岩稳定性,对减小隧道拱顶变形意义重大,但对隧道水平收敛及仰拱隆起基本无影响;溶洞处治后,溶洞内部棱角处存在应力集中现象,易发生失稳,导致溶洞的二次坍塌,为保证隧道结构的安全,应对溶洞内部进行相应的处理。     

大断面隧道装配式约束混凝土施工体系研究与应用

为解决大断面隧道软弱围岩控制难题及人力施工效率低、安全性差的问题,结合约束混凝土支护研究成果,研发拱架智能安装系列设备、装配式约束混凝土拱架（FCC拱架）及相应的配套装置,形成大断面隧道装配式约束混凝土施工体系。开展FCC拱架机械施工过程力学模拟试验,对拱架机械施工过程中的变形及受力进行实时监测,明确拱架机械施工过程力学特性,提出增设肩部节点区抗弯护板的加强措施,进行装配式约束混凝土支护机械化施工现场试验,分别对隧道围岩收敛变形、围岩与初支接触压力、加强后的拱架内力分布特征与规律进行了研究。结果表明：在FCC拱架自重及机械施工双重影响下,拱架肩部节点区变形产生突变,发生明显的应力集中,为受力变形关键部位;加强后的FCC拱架现场举升安装过程中未见有明显的变形;现场试验段围岩偏压现象明显;上台阶围岩变形及受力呈现三阶段波动增长,以拱顶及拱肩部位波动最为强烈;拱架受力整体呈现"上大下小"的特点,最大应力值出现在拱顶外侧,其次左拱肩部位;机械化施工能够有效提高施工效率及装配化水平,保障施工安全可靠,有效控制大断面隧道围岩变形,可为类似工程建设提供借鉴。     

不同土质围岩条件下隧底围岩脱空规律与结构受力特征研究

针对铁路隧道隧底围岩脱空病害问题,采用室内试验与数值模拟方法,探明不同土质围岩类型、隧底结构形式条件下隧底围 岩脱空演变规律,给出不同土质围岩类型条件下隧底围岩脱空类型;进而,明确不同脱空类型条件下隧底结构受力特征。研究结果 表明: 1)在相同隧底围岩类型条件下,底板结构形式比仰拱结构形式更易发生围岩脱空现象;相同隧底结构条件下,黏性土、卵石 土、砂质土3 种隧底围岩的脱空程度依次降低。2)隧底围岩脱空类型主要与围岩类型有关;卵石土、黏性土和砂质土围岩最终脱空 类型依次为多处小范围局部脱空、整体性脱空、隧底中心区域大范围脱空。3)在相同围岩脱空类型条件下,底板结构受力特征变化 比仰拱结构更为剧烈,应力集中现象更为明显,更易引发隧底结构损坏。4)随着脱空范围增大,隧底结构弯矩变化量、轴力减小量 均呈增大趋势,轴力分布逐渐呈“中间大,两端小”的不均匀分布形态。     

大跨度浅埋偏压隧道围岩变形分析

利用有限元数值模拟分析了两组工况下偏压隧道的围岩变形及隧道衬砌受力情况，结果表明:衬砌外荷载主要由上覆岩土体自重以及围岩沿着潜在滑移面产生剪切变形形成，剪切变形对围岩及衬砌受力影响显著。在平行于偏压面岩层与衬砌交界处（浅埋侧拱脚、深埋侧拱肩）的内力明显突变。地表注浆加固在一定程度上改善了围岩物理力学特性，减小偏压引起的剪切变形，有利于围岩稳定及隧道衬砌受力。     

基于扁拱突变理论的路基下伏溶洞顶板稳定性分析

根据路基下伏溶洞受荷体系的力学特性,将结构体系简化为两端固定铰支的扁拱模型;基于突变理论推导得到扁拱的能量势函数和分叉集方程,从而建立了路基下伏溶洞顶板突变模型平衡曲面;根据溶洞顶板突变失稳的条件,提出了确定路基下伏溶洞顶板的极限承载力及最小安全厚度的方法;并对溶洞顶板厚度h、溶洞顶板跨径l、溶洞顶板失高f、岩层的弹性模量E、溶洞顶板上覆荷载q五个影响因素进行参数分析,可得如下结论:溶洞顶板的极限承载力随着溶洞顶板厚度的增加,溶洞顶板失高的增加、岩层弹性模量的增加而增加,随着溶洞顶板跨径、溶洞顶板上覆荷载的增加而减小.