局部软岩偏压下隧道结构及钢拱架受力状态分析

为研究局部软岩偏压隧道施工中钢拱架实际的受力特征及变形状态,采用有限元建立三维地层-隧道模型,对隧道开挖过程中偏压隧道结构及钢拱架受力状态进行弹塑性模拟分析。在建模时,通过考虑钢拱架的实际截面尺寸及沿纵向的布置方式以准确模拟钢拱架的受力状态;在考虑隧道软岩偏压时,假定4种典型工况:均质地层无偏压、拱脚-边墙软岩偏压、边墙-拱腰软岩偏压及拱肩-拱顶软岩偏压等。基于数值计算结果,对钢拱架的应力分布、变形模式及内力,初期支护最大、最小主应力等进行分析。结果表明:不同工况下,钢拱架均处于受压状态,剪力最大区域主要分布在边墙和拱脚区域,为此建议加强边墙-拱脚区域的锚杆支护。     

一种无中导洞连拱隧道衬砌开裂原因分析及结构优化

为解决传统连拱隧道中导洞法施工工序繁琐、结构受力转换复杂等问题,云南某隧道采用了一种无中导洞连拱隧道,其后行洞钢拱架焊接于先行洞钢拱架,使初期支护相互搭接形成了连拱隧道中墙,从而避免了中导洞开挖,但在隧道施工中,先行洞二次衬砌左侧起拱线至左拱腰出现了大量纵向与斜向裂缝。结合隧道实际地质和施工状况,运用Flac3d建立了地层-隧道结构数值模型,研究分析了初期支护各自独立封闭成环和初期支护搭接处界面特性对无中导洞连拱隧道衬砌开裂的影响。结果表明:后行洞初期支护独立闭合成环时,即使初支结构之间产生了一定的滑移,隧道衬砌结构仍处于安全状态;后行洞初期支护未独立闭合成环时,搭接处会产生较大的相对滑移,初期支护承载力不能充分发挥,难以有效控制围岩变形和塑性区发展,先行洞二次衬砌承受了较大的围岩荷载,其左拱腰内侧边缘拉应力远超过了衬砌混凝土的抗拉强度,由此造成了左拱腰处衬砌开裂。因此,为避免无中导洞连拱隧道衬砌出现裂缝,建议在设计中应使连拱隧道初期支护各自独立闭合成环,合理加强中墙位置初期支护结构,施工中对关键施工环节、关键受力部位采取有效控制措施,保证支护结构的整体承载力。     

小净距隧道开挖空间效应分析

依托某隧道的设计及施工,建立小净距隧道的三维计算模型,对小净距隧道IV级围岩段台阶法开挖进行数值模拟计算,对其开挖过程中位移场、应力场、喷射混凝土初期支护随空间变化规律进行分析,结果表明:小净距隧道施工过程中存在先行洞和后行洞相互扰动的现象,量测断面的位移主要产生于隧道开挖至量测断面及通过后;边拱和仰拱所受弯矩大,在拱腰位置出现较大的正负弯矩容易造成初期支护混凝土开裂。     

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。     

黄土隧道新型组合结构支护效果分析及参数优化研究

黄土隧道在开挖过程中经常发生支护结构破坏或过度变形。依托某黄土隧道，提出一种新型组合结构支护体系(π形拱架),采用理论计算对比了π形拱架与传统工字钢提供的支护反力，结合现场监测和数值模拟分析了不同支护体系下围岩控制效果，优化新型组合结构的构造参数，同时基于正交试验探究了构造参数对围岩支承效果影响显著性大小。结果表明：π形拱架提供的支护反力是型钢钢架的3.14倍，具有强度大、承载力高的优势；建立对比分析模型，较传统支护体系相比，新型支护体系下的拱顶沉降降幅达到53.8%,等效塑性应变减少约64.4%,初期支护最大压应力和拉应力分别减少约35.3%、35.9%;进而建立参数优化模型，通过对围岩竖向位移和塑性区的综合评估，建议拱架壁厚取6 mm,灌浆强度选择C30,翼板长度以200 mm为宜；结合正交试验结果，各因素影响程度由小到大依次为因素B(灌浆强度)<因素A(钢管壁厚)<因素C(翼板长度)。本研究可进一步促进新型拱架在黄土隧道施工支护中的应用。     

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。     

大断面黄土隧道台阶法施工数值模拟研究

针对新建忻州隧道工程,运用有限元通用软件ANSYS,对大断面黄土隧道采用台阶法施工的过程进行数值模拟,探讨了采用台阶法施工隧道的围岩、初期支护及二次衬砌应力场和位移场随施工步的变化规律。在此基础上,研究了隧道初期支护、二次衬砌的支护效果以及隧道开挖对已施作初期支护受力及变形的影响。结果表明:①隧道施作初支有利于降低地层压应力,减小隧道变形;施作二衬能有效降低地层和初支的主应力,对隧道变形影响不大;②隧道的进一步开挖将导致已施作初支的压应力及位移值增大,使初支处于更危险的状态。     

基于围岩压力及结构力学特征测试的隧道初期支护时机探讨

台阶法施工的隧道工程,上台阶的开挖支护是关键工序,其施工效率影响整个隧道施工的进度。因此,以黔张常铁路吴家边隧道为依托,基于现场测试结果,对Ⅳ级围岩隧道上台阶的开挖进尺和初期支护时机进行了探讨,重点研究了不同开挖进尺和初期支护时机工况下围岩压力的变化特征、初期支护的内力演变特征及其安全性。通过研究得到:Ⅳ级围岩地段上台阶开挖进尺最长可到6 m,再进行相应的支护体系施作,可提高机械设备的工作效率,加快施工进度;支护结构在刚度相同的情况下,结构内力按时间分配;二次衬砌基本不承担围岩压力,只是作为安全储备。     

直接弹性抗力法及其在隧道初期支护结构计算中的应用

为更加直观地证明隧道初期支护具有单独承载能力的事实,提出直接弹性抗力法原理。直接弹性抗力法以拱(圆曲梁)和弹性地基拱(弹性地基圆曲梁)2段函数分别反映拱部支护结构脱离围岩以及侧壁支护结构压向围岩2段结构的内力及位移,能极大地简化计算过程,较为真实地反映隧道支护结构的应力状态;并结合链杆支座拱、铰支座拱模型,分别模拟实际施工的无分布锚杆影响、有分布锚杆影响但锚杆无切向力、有分布锚杆影响且锚杆有切向力3种支护应力状态,比较全面地概括隧道支护施工可能产生的应力状态,充分证明隧道初期支护具有单独承载能力的理论事实。强调"先柔后刚,先放后抗"属于概念,初期支护变形的主要原因是地基承载力不足造成沉降,锚杆锚固力和喷射混凝土早期强度等严重影响初期支护单独承载;再根据隧道支护结构各种可能的应力状态,提出对隧道初期支护结构细节设计的改进建议,如锚杆与钢架的连接、钢架之间的连接、钢架底脚的处理、锁脚管桩、型钢钢架与格栅钢架的组合结构等,通过实践证明隧道初期支护具有单独承载能力的理论。     

破碎围岩小间距隧道施工响应模拟分析

采用FLAC3D有限差分数值模拟程序,对破碎围岩条件下小间距隧道施工过程进行了动态模拟。通过对应力场、位移场的分析,研究了其施工响应特征。研究结果表明:地表沉降主要集中在核心土开挖过程中;先行洞与后行洞在开挖过程中相互影响,表现为位移、变形和应力的增大,其中以先行洞在地表沉降和拱脚应力方面对后行洞的响应更为明显,而对塑性区的变化则影响较小。实测值与数值模拟结果较接近,二者的变化规律大致相同。     

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。     

单拱4车道公路隧道不同施工方法下初期支护力学特征研究

由于单拱4车道公路隧道通常采用扁平的拱形结构形式,从而导致隧道开挖后围岩的二次应力分布不均匀,初期支护的支护效果不佳。为了研究采用不同施工方法时各种初期支护手段的力学特征,采用有限差分软件FLAC3D对不同围岩条件下单拱4车道公路隧道的施工动态过程进行了三维数值模拟,得到了不同施工方法下初期支护的应力和位移特征。通过比较分析这些力学特征,提出了不同围岩条件下使初期支护达到最佳效果的施工方法。     

穿过滑坡的隧道变形与受力数值模拟分析

通过对某下穿滑坡隧道的开挖施工进行三维数值模拟,分析研究了隧道围岩位移、应力及初次衬砌应力的变化规律,并分析了采用中壁交叉法(CRD)进洞对控制开挖施工中围岩位移、应力变化的有效性.结果表明,受滑坡体的影响,隧道围岩纵向应力偏大,初期支护承受很大的纵向拉应力,拱顶和拱底处拉应力高度集中,而采用CRD法进洞能及时对开挖部...     

公路隧道软弱破碎围岩高强钢筋格栅拱架支护性能研究

软弱破碎地层围岩稳定性差,与支护间接触压力大,支护结构应力状态复杂,因此支护结构的支护性能是满足隧道施工及运营期安全与稳定的重要保障。高强钢筋格栅拱架是以高强钢筋为主材的一种格栅拱架形式,具有支护强度高,与混凝土黏结性好,重量轻等诸多优点,但其在公路隧道软弱破碎围岩中的支护性能仍有待考量。为此,结合圆管弹性应变理论推导出的支护刚度计算公式,对不同拱架结构进行等截面换算,得出高强钢筋格栅拱架和型钢拱架的支护特征曲线;采用有限元数值计算方法将钢拱架与混凝土分部建模,进一步分析2种支护拱架的力学特性和变形特征;最后在现场开展对比试验,通过监测沉降收敛位移、围岩压力、拱架应力,分析施工中高强钢筋格栅拱架的支护性能。理论验算和数值分析结果表明,高强钢筋格栅拱架与I20b型钢拱架的极限承载力基本相同,但高强钢筋格栅拱架支护刚度相较I20b型钢拱架弱,I20b型钢拱架对变形控制能力更强;现场对比试验结果显示,2种支护拱架产生的收敛变形相差不多,且围岩接触压力分布规律基本相同,高强钢筋格栅相较I20b型钢拱架的承载应力更高,但远小于材料本身屈服强度;此外,现场施工表明采用高强钢筋格栅拱架能有效提升人工支护作业效率,对于特长公路隧道快速施工具有更好的应用价值。综合分析,高强钢筋格栅拱架在软弱破碎地层能够提供与I20b型钢拱架相近的支护抗力,适用作特长公路隧道软弱破碎围岩的初期支护拱架结构。     

高含水量土质隧道不设系统锚杆的试验研究

鉴于土质隧道施工方法、支护时机、施工工艺等对系统锚杆支护效果的影响,及高含水量土层中锚杆成孔困难、注浆效果差、抗拉拔力低等缺点,提出在高含水量土质隧道中不设系统锚杆,初期支护采用“型钢拱架＋喷射混凝土＋钢筋网＋锁脚锚管＋纵向连接筋”组成的新型支护结构。为了评价这种新型支护结构的受力、变形特性以及衬砌结构的可靠性,在天恒山隧道Ⅵ级围岩段设置了两个监测断面,对隧道初期支护的拱部下沉、净空收敛、围岩压力、喷射混凝土应力、型钢拱架应力、纵向连接筋应力等进行监控量测。监测结果表明,不设系统锚杆时,隧道支护结构的变形和受力均在允许范围之内,初期支护工作状态良好。不设系统锚杆,可缩短工期和降低工程造价,具有着显著的经济价值和社会效益。     

浅埋湿陷性黄土隧道下穿民居施工技术

在兰渝铁路黑山隧道出口湿陷性黄土浅埋段下穿民居施工中,综合考虑湿陷性黄土的变形特性,以控制地表沉降变形、保证施工安全为主要目的,采用中管棚配合小导管超前预支护,使用双侧壁导坑法开挖,加密型钢架加强支护,通过围岩监控量测动态调整支护参数,并配套采取初期支护增设套拱、初期支护喷射混凝土变更为模筑(吊模)C45混凝土、增设锁拱锚管等措施,安全顺利通过下穿民居段。     

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。     

超大跨度隧道上台阶CD法中隔壁力学计算模型及施工力学行为研究

为研究超大跨度隧道分部开挖法施工中隔壁结构的施工力学行为,以山东滨莱高速公路改扩建工程双向八车道乐疃隧道为依托,基于初期支护钢架与中隔壁钢架之间的内力传递、变形协调及拱脚变位,将支护体系等效为支座可移动的三次超静定无铰拱-梁固接结构,建立了上台阶先导初期支护钢架-中隔壁钢架共同承载变位力学计算模型,采用理论分析、现场测试和力学模型计算相结合的方法,对超大跨度隧道上台阶CD法施工时中隔壁的力学行为进行分析。研究结果表明:拱顶沉降和周边收敛主要经历急剧增长、缓慢变形和趋于稳定3个阶段,且各变形值均小于设计预留变形量150 mm;受施工工序和结构约束条件变化的影响,钢架内外侧应力整体呈现出先急剧变化后逐渐趋于稳定的规律,各测点应力小于型钢屈服强度235 MPa;力学模型计算结果和现场实测数据的平均相对误差为12.6%,且规律基本一致;钢架轴力在上台阶施工过程中始终为受压,且最大值均在钢架拱脚处,受后导开挖影响,中隔壁钢架轴力增大,初期支护钢架轴力减小;先导开挖时钢架弯矩大部分部位为正,拱顶部位为负,受后导开挖影响,中隔壁钢架正弯矩值及正弯矩区域减小,同时初期支护钢架正弯矩区域减小,钢架拱脚附近弯矩出现负值;钢架结构整体处于偏心受压状态,受后导开挖影响,中隔壁钢架和初期支护钢架小偏心受压区域均发生移动,且两者钢架小偏心受压长度占比增大。     

隧道洞口仰坡测点位移三维有限元数值分析

文章以某连拱隧道为例,结合地形地质条件,建立了三维弹塑性有限元模型,对该连拱隧道的施工过程进行了动态数值模拟,施工过程采用采用中导坑台阶法施工。分析开挖对围岩和边坡稳定性状态的改变过程,最后得出仰坡位移趋于平稳的结论。     

浅埋偏压连拱隧道施工方案数值模拟

以湖南炎汝(炎陵-汝城)高速公路熊猫洞隧道为背景,采用MIDAS/GTS有限元软件对该隧道进口浅埋偏压段施工过程进行二维施工模拟,比较了先开挖深埋侧主洞和先开挖浅埋侧主洞两种施工顺序,获得了浅埋偏压连拱隧道在采用不同施工顺序施工时隧道变形、中隔墙及初期支护结构的应力和位移等变化情况.计算结果表明对于浅埋偏压连拱隧道洞口段,应采用先开挖埋深较浅一侧隧道,再开挖埋深较深一侧隧道的施工顺序.