大断面软岩隧道台阶法施工安全数值模拟研究

在中风化围岩及不良地质条件下,选取可靠的隧道喷锚支护结构和合理的开挖步距是采用上下台阶法安全施工的关键因素。基于地层结构法的有限元数值模拟可以有效计算喷锚支护结构内力,从而为结合安全系数法评价支护结构的安全性产生了积极作用。三维数值分析表明,相对于隧道拱顶竖向沉降及支护结构安全系数,围岩径向塑性区扩展受开挖步距的影响更大,是确定安全开挖步距的关键因素。基于此,得到的IV级中风化白云岩中隧道安全开挖步距的极限长度为70m。本文隧道喷锚支护结构安全性及安全步距的确定方法可以为类似岩石隧道台阶法施工提供有益的指导和借鉴。     

高速公路偏压连拱隧道变形测量与计算分析

通过试验反演确定隧道围岩参数,建立隧道开挖数值计算模型,对施工变形进行模拟计算,同时布置相关测点对隧道围岩变形进行测量,将数值计算结果和测量结果进行对比分析。由围岩内部变形、隧道变形和地表变形分析得知,左洞变形大于右洞,左洞地表沉降量大于右洞,说明施工顺序对隧道变形影响较大,隧道径向6 m之外的围岩变形受开挖影响小,隧道径向6 m以内为围岩松动圈。     

宝兰铁路苏家川大断面黄土隧道三台阶施工变形控制技术

为研究第三纪砂质黄土条件下的大断面隧道施工变形控制技术,以宝兰铁路大断面黄土隧道施工为依托,通过midas数值模拟软件对比分析不同仰拱封闭距离引起拱顶沉降实测数据,阐述大断面黄土隧道施工变形规律,以确定其合理的仰拱封闭距离为35 m;采用三台阶临时仰拱法,合理控制开挖步距:上台阶为0.6 m,中台阶和下台阶为1.2 m;辅以注浆小导管超前支护和锁脚锚杆加固等技术措施,达到了很好的变形控制效果,最大沉降控制为50~160 mm;通过分析不同隧道断面净空变形规律,总结第三纪砂质黄土地质条件下,大断面黄土隧道施工预留变形量可取120~160 mm。     

深埋富水岩体隧道三台阶法施工数值模拟和参数优化——以正盘台隧道工程为例

为解决深埋富水岩体隧道三台阶法施工参数优化问题,以崇礼高速铁路正盘台隧道三台阶法施工参数优化为例,以上台阶开挖高度、上台阶长度、下台阶长度和单步开挖进尺为参数,采用三水平流固耦合数值模拟正交试验,进行围岩稳定性分析和参数优化。计算结果表明:1)上台阶开挖高度对拱顶下沉、侧墙水平位移、开挖面挤出位移、塑性区范围的影响最显著。2)Ⅳ级围岩地段,上台阶开挖高度取开挖跨度的27.8%,约为4m;上台阶长度和下台阶长度均取开挖跨度的55.6%,约为8m;单步开挖进尺取开挖跨度的20.8%,约为3m。     

考虑围岩蠕变效应的隧道开挖变形分析

软弱隧道围岩无论在室内试验研究还是在实际工程中都表明其变形具有蠕变特性,容易造成围岩较大变形而使围岩失稳。本文依托张涿高速东马各庄隧道,对隧道开挖后围岩变形进行现场监测及分析,利用有限元软件采用西原正夫蠕变模型对隧道开挖过程进行数值模拟分析,并将现场实际量测值与数值计算数据进行比较,为隧道二衬设计时间的确定和施工过程的安全可靠性提供科学依据。     

小净距偏压公路隧道开挖顺序优化

小净距偏压隧道合理开挖顺序对隧道围岩稳定和支护措施优化有很大的影响。结合净距4.0m、偏压25°公路隧道工程实践,通过二维、三维弹塑性有限元数值仿真模拟,分析了隧道开挖顺序对围岩破坏接近度、围岩变形位移以及对空间围岩体塑性破坏和位移的影响,得到了先开挖浅埋侧隧道优于先开挖深埋侧隧道的结论,为小净距偏压隧道优化设计和施工提供了科学依据。     

高地应力软岩隧道台阶参数对变形的影响分析

以某铁路隧道台阶法施工为例,通过建立数值分析模型,分析高地应力软岩环境下铁路单线隧道台阶法开挖时台阶高度和长度变化对变形的影响,并结合现场变形监测数据进行了验证。分析结果表明:台阶参数对控制隧道变形有重要作用;台阶高度均应控制在3~4 m,且在满足施工机械作业空间要求的情况下,应尽量减小上台阶开挖高度;开挖台阶长度为4~6 m较为合适。     

单跨5车道公路隧道工法优化及施工力学特性研究

为解决超大断面公路隧道传统工法工序繁杂、效率低等问题,依托厦门芦澳路—海沧疏港通道2#分岔隧道大跨段(国内在建最大断面公路隧道),利用"以索代撑"的思想,并结合围岩强度高的特点,提出主动支护的钢架岩墙组合支撑法并对其进行工法优化。通过岩石三轴压缩试验和Hoek-Brown估算方法获得围岩力学参数,并采用数值计算的方法验证该工法的合理性,确定预应力锚索长度为10m,预应力值为1000k N,同时对其施工力学特性进行研究。结果表明:围岩变形主要发生在岩墙((5)分部)开挖前,且以竖向变形为主,上台阶开挖是引起隧道拱部沉降和仰拱隆起的主要原因;在预应力锚索的作用下,隧道岩墙((5)分部)的开挖和中隔壁的拆除对围岩变形和初期支护内力影响较小;初期支护拱脚处压应力集中,拱顶和仰拱处受到较大的拉应力;隧道围岩变形及初期支护承载力均满足公路隧道施工安全要求。     

软岩大断面隧道施工数值模拟与监控量测对比分析

隧道在开挖过程中的稳定性受到众多因素影响,其中软弱围岩大断面隧道尤为突出。文中以某隧道工程为依托,采用FLAC3D有限元软件分别建立隧道在围岩等级、埋深等不同工况下的施工阶段模型,得出位移云图、应力云图及塑性云图,通过对计算结果整理分析,根据隧道开挖步所对应的位移量作出位移-时间关系曲线及拟合回归曲线,并对比实际监测数据总结得到软弱围岩大断面隧道在施工过程中的变形特征和变形规律,确定合理二衬施作时间。     

复杂地质隧道施工的沉降变形分析

针对黄土隧道围岩强度低、自承载力弱、开挖变形大的问题,基于数值模拟法对黄土隧道施工过程模拟仿真,得到隧道围岩开挖溶洞的位移变形特征和应力变化,并给出相应的隧道变形沉降控制措施。研究结果表明:隧道开挖过程中,掌子面上部围岩形成一个U形的整体沉降区,由隧道表面延伸到拱脚处,边界接近垂直。隧道开挖对围岩影响集中在隧道中线35 m范围,掌子面前方20 m内,其中在隧道中线20 m,掌子面前方6 m沉降值达到总沉降的24%~45%,沉降集中在掌子面至初支护封闭阶段。实际工程中,可通过加强拱脚强度、提高初期支护和超前支护、减少封闭距离来有效控制围岩沉降变形。     

上加山深埋软岩隧道开挖大变形控制技术研究

针对深埋软岩隧道在施工期间易发生拱顶失稳进而引发围岩大变形问题，以上加山隧道为依托工程，采用FLAC 3D数值模拟技术，主要对比分析了环形开挖留核心土法、上下台阶挖掘法和全截面挖掘法等3种施工方式下的隧道拱顶沉降变形规律、拱底隆起变形规律、地表沉降变形规律、应力场分布规律，阐明了3种开挖方式对深埋软岩隧道围岩稳定性影响。研究结果表明：洞顶沉降主要发生在距离隧道左右两侧大约0.5倍洞径处，地表沉降主要发生在距隧道轴线0～35 m范围内。3种不同开挖方式主要影响了隧道拱顶沉降与拱底隆起变形程度，其中环形开挖留核心土法>上下台阶挖掘法>全截面挖掘法。结合地质雷达检测与现场监测结果表明，采用环形开挖留核心土法施工相对比其他两种开挖方式可有效控制深埋软岩隧道拱顶下沉变形与拱底隆起变形。     

红砂岩隧道开挖稳定性的三维数值分析

以湖南西部某红砂岩浅埋隧道为例,建立了三维有限差分数值模型并模拟了隧道不同开挖步过程中掌子面附近围岩应力和地表沉降的变形规律,最后利用数值计算结果与实测数据进行了对比分析。结果表明:隧道开挖对掌子面前方影响范围约为2D,在掌子面后方1D范围内围岩应力发生明显变化,随掌子面向前推进逐步趋于稳定;地表沉降量主要发生在上台阶开挖时,当仰拱施作完成形成稳定的闭合环结构后,沉降变形很快趋于稳定。主应力最大值位于拱腰,其次是拱脚,而塑性区主要出现在拱肩和拱脚。实测数据与计算结果基本吻合。     

基于尖点突变理论的围岩稳定性分析

针对围岩失稳阈值的不确定性,通过有限元软件模拟隧道开挖过程,基于突变理论研究不同开挖步对应掌子面的变形规律,结合二分法使用曲线拟合法分析围岩失稳阈值,预判围岩失稳时机。结果表明:Ⅳ类围岩隧道宜采用台阶法边开挖边支护施工,拱顶沉降为隧道开挖主要风险控制点;突变理论能够动态把握围岩变形,模拟工况台阶法有支护、无支护、全断面法施工围岩变形突变分别发生在开挖70、56、60m位置。     

考虑时间效应的深埋小净距隧道围岩压力分析

囿于地形地貌、地质条件、选线要求等条件的限制,公路工程中常采用小净距形式的隧道,小净距隧道围岩压力是其复合式衬砌结构设计中的关键问题,但目前关于小净距隧道初支与二衬围岩压力分布及其随时间变化规律的相关研究仍较为稀缺。以龙兴岭隧道为背景,在FLAC3D平台上对4洞小净距隧道的开挖支护过程展开了细致的数值模拟,重点关注了作用在初支与二衬上的围岩压力分布。进一步考虑围岩蠕变效应,探讨了小净距隧道复合式衬砌支护结构的围岩压力及其初支/二衬荷载分担比随时间的变化规律,并与现场监测结果相互验证。结果表明:复合式衬砌支护结构围岩压力总体上关于设计中线近似呈对称分布,小净距隧道主洞(后行洞)开挖扰动引起辅洞(先行洞)二衬上围岩压力略微增大;围岩蠕变作用下,初支围岩压力随时间呈下降趋势,二衬围岩压力随时间呈上升趋势,但二者之和基本保持不变;蠕变稳定后,主洞上台阶部分(拱顶至拱腰)的二衬荷载分担比约为25%～45%,主洞下台阶部分(仰拱至边墙)的二衬荷载分担比约为20%～35%。研究成果可为小净距隧道复合式衬砌结构的设计施工及后期运维提供参考依据。     

基于正交设计的大断面隧道分部开挖步距敏感性研究

为了研究大断面分部开挖法隧道分部开挖步距敏感性,基于正交设计原理,通过AQAQUS有限元软件建立三维动态开挖支护数值模型,对三种大断面隧道分部开挖法:中隔壁台阶法、CRD法及CD法进行了不同开挖步距下的计算,对比研究各工况下大断面隧道施工过程中拱顶沉降、地表位移及支护结构应力变化规律,揭示不同开挖步距对大断面隧道围岩与支护结构的变形及受力状态影响规律,同时对大断面隧道分部开挖步距的选择提出参考意见。     

弱节理小净距隧道合理净距及围岩稳定性研究

为了研究弱节理小净距隧道的合理净距及围岩的稳定性,以大荒沟小净距隧道工程为研究背景,基于量化GSI围岩评级系统,确定了弱节理隧道围岩力学参数;基于Hoek-Brown强度准则的应变软化模型,采用FLAC~(3D)软件模拟得到0.9B～1.7B净距条件下隧道中夹岩柱塑性区分布,分析了中夹岩柱的稳定性,确定了弱节理小净距隧道的最小合理净距。通过理论方法计算了小净距隧道围岩压力,进行支护结构设计。通过FLAC~(3D)软件分别对支护条件下小净距隧道采用二台阶法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、CD法、CRD法、环形开挖预留核心土法进行数值模拟,分析不同工况下围岩拱顶位移及水平位移的分布特征,选择合理的施工方法,优化隧道开挖支护方案。研究结果表明:采用FLAC~(3D)数值模拟得到不同净距条件下中夹岩柱塑性区分布情况,能够确定隧道最小合理净距;采用FLAC~(3D)数值模拟分析不同开挖工况条件下围岩的变形规律,确定了环形开挖法为理想的施工方法;通过现场监测分析可知,选择1.5B净距及环形开挖预留核心土法施工较为合理,锚喷支护与中夹岩柱长锚杆共同作用,能对约束小净距隧道双洞开挖后中夹岩柱松动圈的发展起到重要作用。     

高地应力大变形隧道台阶法开挖过程中围岩变形分析

在施工过程中围岩变形规律对高地应力隧道施工控制大变形非常关键,也是选择隧道开挖方式、支护型式、支护参数、支护时机的技术依据。采用有限元数值模拟分析对高地应力大变形隧道采用台阶法开挖过程中的围岩变形规律进行数值模拟分析,并针对其开挖过程中的预留核心土长度对变形的影响进行了探讨,提出了合理的台阶长度和核心土长度,其结果对高地应力大变形隧道的设计与施工具有指导作用。     

隧道穿越断层破碎带施工过程围岩位移特征研究

以试刀山隧道改扩建工程为依托,选取软弱破碎带围岩段,通过三维数值模拟对隧道动态施工全过程进行弹塑性计算分析,选取该区域内某一特定横断面,主要围绕断面各监测点围岩位移随动态施工的变化特征和数值大小进行初步研究和分析。通过对计算结果分析归纳得出:从纵断面上看,对其拱顶沉降及拱底回弹影响最大的是前后6 m范围内的掌子面施工,约占总位移量的60%;对指定断面拱腰水平位移影响较大的是指定断面前后3 m范围内的掌子面施工,约占总位移量的60%~70%;从横断面上看,上台阶开挖所引起的指定断面拱顶沉降大于下部台阶开挖的影响,隧道施工对围岩塑性区的影响主要集中在洞壁外3~4m范围。此外,该数值模拟的分析结果对于该段隧道的施工监测具有一定的指导意义。     

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。     

内蒙地区黄土隧道大变形控制研究

以内蒙地区窑沟黄土隧道为工程依托,通过对施工过程中该隧道围岩变形的监控量测,了解隧道开挖过程中黄土隧道围岩变形的规律:拱部沉降的量值远大于净空收敛的量值,进而明确黄土隧道大变形的控制应以拱部沉降为主。运用有限元分析确定黄土隧道施工过程中控制隧道大变形的途径:初期支护的及时跟进能显著降低黄土隧道围岩的变形;桩处理隧道黄土地基可以有效地降低围岩变形;系统锚杆的施作对围岩变形基本没有影响。