基于有限差分方法的石林隧道施工方案比选

针对永宁高速公路石林隧道软岩大变形段在不同施工方法下围岩和隧道支护结构的力学问题,运用有限差分方法对CD法和三台阶开挖法进行了动态数值模拟,通过对比不同施工方法下围岩的应力场和位移场情况,为隧道开挖施工方法提供依据。     

监控量测在软岩大变形隧道施工中的应用

由于软岩单轴抗压强度普遍小于15MPa,多以破碎、松散和强风化状态赋存且具有可塑性、遇水膨胀性、流变性等特点,隧道开挖穿越软岩地段时,常伴随围岩变形量过大、支护出现病害等问题,严重制约了隧道结构的安全与稳定。通过监控量测技术对隧道软岩大变形段施工过程中围岩和支护结构受力位移情况进行动态监测与回归分析研究,得出隧道拱顶最大沉降量为257mm,需要提前采取围岩加固措施,在开挖第19d时施作二衬能有效抑制围岩和初支继续变形,且应力应变监测表明二衬是安全稳定的。     

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。     

高地应力状态下软岩公路隧道的大变形机理与规律研究

高地应力区软岩隧道地质条件复杂,使软岩隧道变形控制难度加大。以某一工程实例为对象,运用MIDAS/GTS软件建立了软岩公路隧道模型,分析了不同侧压力系数下对高地应力软岩隧道开挖变形的影响作用。研究结果表明:随着侧压力系数的增大,隧道围岩水平位移由向隧道外挤压变形转化为向隧道内收敛变形,K值在0.5~0.75时,存在一个水平位移零点,最终水平变形量为0;对于隧道竖向位移变形,当侧压力系数小于1时,隧道最大竖向位移出现在拱顶处。当侧压力系数大于1时,上拱变形加强,但整体依然表现沉降变形,隧道最大竖向位移出现由拱腰转移到拱间处。K值在1附近时,隧道水平变形和拱顶变形所形成的最终变形量相等,可根据现场对水平位移和拱顶位移间的位移关系来判定隧道围岩侧压系数的大致取值范围。     

高地应力千枚岩隧道二次衬砌施作时机研究

二次衬砌施作时机一直是高地应力软岩隧道工程设计与施工过程中面临的关键技术难题之一。为此,依托在建成都-兰州铁路典型千枚岩隧道工程,基于隧道变形长期监测结果,分析高地应力软岩隧道变形时程特点,考虑软岩隧道荷载特点,确定了二次衬砌施作时机原则;考虑隧道测量丢失变形,提出软岩隧道第1稳定阶段变形量确定方法;通过现场实测变形数据统计回归,基于一定保证率确定不同大变形等级和不同断面下的软岩隧道二次衬砌施作时机,并进行现场试验验证。研究结果表明:适当刚度的初期支护可以实现高地应力软岩隧道前期变形稳定,但无法保持围岩长期稳定,二次衬砌应该在初期支护变形达到第1稳定阶段后施作,既可以减少二次衬砌荷载,又可以控制围岩变形;采用指数函数拟合软岩隧道变形具有较好的相关性,但参数差异性较大,同时在确定隧道第1稳定阶段变形量时应考虑测量丢失变形;轻微、中等大变形段拱顶下沉变形速率小于0.1~0.2mm·d^-1,边墙收敛速率小于0.5mm·d^-1,严重、极严重大变形段拱顶下沉变形速率小于0.4mm·d^-1,边墙收敛小于0.6mm·d^-1,即可进行二次衬砌施作;轻微大变形段、中等大变形段和严重大变形段分别在隧道开挖45~55 d,55~60 d和80~90 d后达到二次衬砌施作标准。     

高速公路软岩隧道复合支护机理的FLAC解析

结合软弱围岩隧道工程地质和支护设计特点 ,应用有限差分方法 ( FLAC)模拟研究了软岩隧道受力变形特征和围岩收敛曲线 ,并分析了复合支护结构中一次支护和二次支护结构的作用机理及作用效果。研究结果表明 ,软岩隧道开挖和一次支护后围岩支护压力随拱顶位移增加而连续减小 ,预测的最大位移均发生在隧道拱顶。但是 ,在同样支护压力下 ,考虑软岩流变特征的收敛曲线的拱顶位移要大得多 ,必须及时设置二次支护。另外二次支护结构还将起到承受流变压力的作用     

软岩隧道挤压型大变形非线性流变属性及其锚固整治技术研究

针对隧道高地应力软弱围岩洞室施工开挖变形与围岩失稳以及衬护结构设计问题，阐述开展岩土流变学研究的必要性以及对软岩挤压型大变形非线性流变问题的研究内容和方法，介绍隧道围岩挤压型大变形的定义、变形特征，及国际上隧道围岩挤压大变形的判定。介绍隧道围岩挤压型大变形非线性流变理论、相应的专用设计软件研制及其工程应用，主要介绍有关的研究内容及其创新性方面； 以广义Komamura-Huang流变模型为基础，建立一种能较完整地反映围岩二维、三维大变形非线性流变全过程的Komamura-Huang“弹-线黏弹-非线性大变形黏塑性”流变模型，并在ABAQUS软件基础上进行专用软件的二次开发，将其应用于兰新铁路兰武客运专线乌鞘岭铁路隧道岭脊段围岩5#断层带中，后又应用于甘南木寨岭高速公路隧道和云南滇中红层引水隧洞2处软岩围岩挤压大变形隧道，采用大尺度让压锚杆/预应力长让压锚索进行了整治研究，并分别进行了二维和三维非线性大变形黏弹塑性数值模拟分析。指出有待进一步深化研讨的若干问题。总结针对软岩挤压型大变形沿用现行刚性支护方案的不合理性和失效教训。提出管控/约束隧道围岩大变形持续发展的让压支护锚固技术措施--一种新型大尺度让压锚杆/预应力让压锚索，介绍让压锚具的受力机制及构造，强调其10个关键性设计施工参数。以兰州木寨岭高速公路隧道围岩挤压型大变形非线性流变分析与采用让压锚杆进行工程整治的试验段情况为例，对该隧道围岩挤压大变形进行二维数值模拟，并对施作让压锚杆进行工程整治的主要有关设计参数进行分析计算。“边支边让、大尺度让压锚杆”方法已先后在几处工程中得到了成功实施，取得了应有的经济效益，其工程技术收益应更受业界关注。     

隧道软弱围岩的卸荷特征与大变形控制研究

隧道软弱围岩大变形往往表现出时效性的流变变形特征,对此特征提出了一种环状间隔式衬砌与主动性卸载相结合的永久性支护理念。在合理的简化下建立了隧道衬砌段与非衬砌段的隧道力学分析模型,并在围岩常用蠕变模型、Mohr-Coulomb强度准则和非关联塑性流动法则基础上,对支护段围岩进行黏弹塑性求解,得到了围岩的黏弹塑性变形位移解。在参考现有围岩应力释放模型并确定无支护段围岩应力释放系数之后,对无支护隧道段围岩进行求解,得到了围岩的黏弹塑性变形位移表达式,建立了未支护洞段围岩位移与支护洞段围岩压力的关系。算例分析表明,理论分析与实际工程中围岩的应力和位移的变化是相吻合的。     

小间距隧道围岩力学参数正交设计反演

根据西康高速公路18标长哨段的隧道围岩收敛位移现场监测结果,利用正交设计理论,对该区段小间距隧道围岩变形特性及塑性区大小影响较敏感的力学参数进行了反演分析,获得了比较接近工程实际的围岩综合力学特性参数,即千枚岩的弹性模量、泊松比、凝聚力和内摩擦角,有效地克服了千枚岩难于取样和难以进行力学参数试验的困难。利用反演分析所获得的力学参数对长哨小间距隧道的施工过程进行了数值仿真,分析了该隧道施工期间围岩的应力与变形规律,给出了围岩稳定性评价,为小间距隧道工程设计与施工提供了具有一定参考价值的重要资料和信息。     

山区高速公路浅埋软岩隧道围岩变形分析及支护对策研究

山区高速公路工程地质条件复杂,软岩隧道的大变形难支护问题十分突出,开展围岩变形机理研究并提出相应的支护对策尤为重要。以河北省西部山区某浅埋软岩隧道为例,通过分析隧道工程地质条件,定性地研究土石混合体隧道围岩稳定性。采用能较好处理岩土体工程中各种复杂非线性问题的ABAQUS软件,建立隧道围岩三维数值仿真模型,刻画出隧道的动态开挖过程,对软岩隧道支护前后围岩的应力场与位移场特征以及土石混合体软岩隧道支护结构的受力情况进行分析,为研究系统锚杆在软岩隧道中的作用机理提供理论依据。结合现场监控量测,提出土石混合体软岩隧道部分取消系统锚杆的建议。     

背斜核部层状软硬岩区隧道变形时空效应分析

背斜核部可能集岩体破碎、软硬相间、层状分布、高地应力、地下水等岩土工程问题于一体,加上软岩流变特性致使其围岩变形机制复杂。为了解复杂工区围岩变形规律,根据雅康高速公路周公山隧道背斜核部软硬岩区监控量测资料,对围岩变形时空效应进行了分析。结果表明:①最大接触压力位于断面K8+559拱顶部位,达760.7kPa;最大变形位于断面K8+559拱顶部位,达760.7mm;②时间上:围岩变形呈周期性,周期为14d,初始4d变形明显,4～8d缓慢变形,8～14d趋于稳定状态;且鉴于支护效力逐渐发挥,后期的变形量值及速率均小于前期的变形量值及速率;③空间上:沿开挖方向,越靠近背斜核部变形越大;同一断面上,边墙水平位移最大;④对软硬岩区隧道工程应充分考虑软岩的时效变形,合理选择支护时机和支护措施。     

软岩小净距隧道贯通错距选择研究

软弱围岩小净距隧道在双向开挖贯通时,隧道双幅相隔较近且相互扰动大,容易引起围岩大变形甚至导致贯通段失稳,合理选择左、右幅贯通错距具有相当重要的现实意义。针对云南省某软岩小净距大断面隧道贯通时的贯通错距选择问题,对隧道贯通段进行受力分析和数值分析,分析不同贯通错距下引起的围岩位移和应力的变化情况,经综合对比认为错距在(3～5) D时围岩拱顶沉降和周边收敛值均小于围岩允许的预留变形量,围岩的受力较小,有利于岩体稳定;隧道断面大时取小值,断面小时取大值。选取3D为贯通错距并在实际施工中得到了较好的验证,可为类似软岩小净距隧道贯通错距选择提供参考。     

山岭隧道软弱围岩工程地质特性及施工对策

如何在软弱围岩地质条件下安全快速地修建长大隧道是当前隧道工程界面临的重要课题之一,尤其是当隧道穿越高地应力软弱围岩时,常常形成大变形等地质灾害,严重影响施工安全和进度。通过对软弱围岩工程地质特性、软岩隧道变形机制及变形控制基本理念进行分析,并结合相关工程实例提出软岩隧道支护结构安全稳定性评判标准及施工应采取的相应对策。认为:1)软弱围岩隧道由于支护参数、施工方法选择不当,支护结构强度和刚度不足以抵抗较高的围岩压力时,往往会出现结构大变形和破坏;2)软岩地段初期支护承受施工期间全部荷载,二次衬砌需承受后期围岩流变产生的荷载,软岩隧道衬砌应通过增设钢筋、加大厚度等方式增加结构强度;3)超前支护与加固技术可提高围岩的自承能力并减小作用在支护结构上的荷载,且应当成为当前软弱围岩隧道施工技术研究的发展方向;4)在高地应力山岭隧道方面,应进一步开展施工阶段地应力测试,以利于针对性地选择施工方法和支护参数。     

沙湾特长隧道软弱破碎千枚岩围岩参数敏感性分析与反演研究

为解决甘肃渭武土建试验2标沙湾特长隧道围岩软弱破碎、遇水软化以及强度低等使得围岩力学参数难以准确确定的难题,采用ABAQUS数值计算和正交设计方法进行参数敏感性分析,确定各参数对围岩变形的影响程度。基于粒子群优化的BP神经网络算法建立PSO-BP参数反演分析方法,并编制反分析程序。根据反演的参数进行数值模拟,分析围岩和支护结构位移、应力及塑性区分布情况。研究结果表明： 沙湾隧道围岩位移影响因素重要性依次为黏聚力c、泊松比μ、内摩擦角φ、弹性模量E;PSO-BP参数反演分析方法是一种有效的反分析方法,具有较高的精度。     

软岩隧道不同开挖方法对围岩变形的影响

为分析软岩隧道的不同开挖方法对围岩的稳定性及变形规律的影响,以贵广铁路大岐山隧道为工程背景,利用MIDAS/GTS进行数值模拟,对围岩在使用台阶法和双侧壁导坑法开挖时的位移和应力变化进行分析。结果表明:采用双侧壁导坑法进行开挖的围岩变形及应力均小于台阶法,利用双侧壁导坑法进行软岩隧道的开挖较为安全。     

兰渝铁路两水隧道高地应力软岩大变形控制技术

兰渝铁路两水隧道地质条件极为复杂,洞身围岩为千枚岩及炭质千枚岩,属极软岩,受高地应力影响,施工时发生了挤压性大变形,变形和破坏极为严重。以现场测试和理论分析为手段,结合隧道变形特征,探索和研究了适合两水隧道的软岩变形控制技术,并得出以下结论:1)软岩隧道的变形特性及稳定性(塑性区)取决于地应力、围岩的力学特性、开挖断面等,且与围岩的支护条件密切相关;2)通过采用加大预留变形量、加大支护刚度、多重支护,优化施工方法、适时施作二次衬砌等手段有效地控制了大变形,较好地解决了两水隧道高地应力软岩施工问题。在此基础上,提出了软岩隧道大变形分级标准及其对应的支护参数。     

虎跳峡分岔大断面公路隧道稳定性分析

虎跳峡地下立交隧道是国内目前断面尺寸最大的山区地下立交隧道,施工时需要多方面考虑各断面的安全性。为分析虎跳峡大断面隧道的稳定性,建立有限元三维隧道模型,结合强度折减法,对围岩整体区域进行弹性模量、内摩擦角、黏结力参数折减,对围岩进行安全性分析,得到大断面隧道的安全系数为1.63。提取拉应变与位移数值结果可知:当围岩较为完整时,直接开挖后,围岩的整体变形较小,加固措施对于围岩的稳定性提高幅度有限,并且竖向位移模拟结果与现场的监测数据较为接近。     

基于BP神经网络的阿拉套山隧道围岩物理力学参数反演分析

为研究高寒地区设置中心深埋水沟单线铁路隧道的围岩力学参数问题，以兰新铁路新建博州支线阿拉套山隧道为工程背景，基于FLAC3D数值模拟软件联合MATLAB中的神经网络工具箱构建BP神经网络算法，建立隧道开挖位移正演和反演模型，对围岩物理力学参数作反演分析。通过对中心水沟开挖前的拱顶和拱腰监测数据做拟合分析，发现隧道变形已趋于稳定，反演过程不需考虑中心水沟开挖对围岩的二次扰动。以水沟开挖前的拱顶沉降值和拱腰收敛值作为输入函数，以围岩的体积弹性模量K、剪切弹性模量G、黏聚力c、内摩擦角φ、重度γ作为输出函数训练神经网络模型，利用训练好的模型进行所需参数的反演分析。将反演参数代入FLAC3D正演模型计算后，提取中心水沟开挖前的拱顶沉降值和拱腰收敛值，与中心深埋水沟开挖前的实际监控量测值相比较为接近。结果证明，围岩物理力学参数的反演较为合理，对于变形的预测较为准确，可为隧道后期工程的施工和优化设计提供参考。     

基于卸载效应的软岩隧道开挖方案优化分析

为了得到软岩隧道较为合理的开挖施工方案,以某公路隧道软岩隧段为研究对象,借助FLAC3D,对该隧段在不同卸载条件下的开挖方案进行了数值模拟,研究了在不同卸载条件下该隧道软岩段围岩的应力应变特征,并与现场监测结果进行了对比验证。结果表明:开挖卸载过程中,卸载顺序对围岩的受力变形具有明显的影响,开挖卸载面附近形成一个应力降低区,最大挤出位移集中在掌子面或核心土的中心区域,三台阶预留核心土开挖方法最大竖向位移和最大围岩压力均较其它四种开挖卸载方法要小。综合考虑围岩应力、竖向位移、掌子面挤出位移对围岩稳定性的影响以及施工便利,较为合理的开挖方案为三台阶开挖方法。现场监测验证了数值分析的可靠性和三台阶开挖方法的合理性。     

上软下硬大跨隧道变形数值分析与规律研究

如何保证上软下硬岩质大跨隧道拱顶围岩的稳定,进而控制上覆地层的变形是浅埋暗挖大跨隧道研究热点。依托大连地铁一期工程203标段兴工街站,利用三维数值模拟,分析在不进行注浆加固和不施加任何支护措施的情况下隧道与围岩的变形规律,详细分析总结了围岩位移场、地层沉降、地表沉降、水平位移等方面的相关结论,揭示隧道与围岩变形的主要影响因素和关键工序。研究成果可以为此类隧道修建积累实践经验,为控制措施的制订提供科学依据。