基于三维数值模拟的软岩超大断面隧道施工技术优化研究

为研究超大断面隧道在软岩地层中开挖施工引起的变形情况,基于铁路设计规范和围岩分级标准对王岗山隧道穿越岩层进行围岩亚分级,通过考虑开挖方向、复杂围岩条件及断层破碎带的影响,利用ABAQUS有限元软件开展三维施工过程模拟,获得三台阶法开挖后的隧道衬砌及围岩受力及变形特征。在此基础上,提出采用更适宜控制变形的双侧壁导坑开挖法,并对其控制效果进行验证。最后,分析影响隧道衬砌和围岩变形的相关因素,得到利于控制变形过大问题的最优进尺设置参数及初期/临时支护形式。数值计算结果表明:1)双侧壁导坑法能够有效降低隧道开挖引起的衬砌及围岩变形;2)锚杆在复杂地层中能够发挥重要作用;3)循环进尺和初期支护强度均对施工引起的变形存在影响,使用新型复合管片临时支护有利于控制隧道衬砌及围岩变形;4)断层破碎带是王岗山隧道施工必须重视的关键部位,除采用合理的开挖工法外,还应辅以其他降低围岩扰动进而控制开挖变形的有效措施。     

公路隧道新奥法施工围岩位移时空效应分析

隧道工程作为一种特殊的工程结构体系,隧道一经在地层中开挖,地层中的原状力学便会被打破并进行调整,应力的释放与调整必将导致围岩的变形,而这个变形在时间与空间上都有着相对独立的特性。隧道的这种变形正好体现了隧道围岩及隧道支护的工作状态,新奥法隧道正是通过围岩及支护的变形观测来掌控结构本身的工作状态,以达到安全施工的目的。本文通过分析围岩变形的特点,结合某隧道量测剖面的实测数据,分别对围岩变形的空间效应和时间效应进行了分析,探讨了空间效应和时间效应相分离时隧道围岩及支护的变形特性,并就现场的变形情况进行了单独的分析。分析结果表明隧道围岩及支护的协同变形有单独的时间和空间效应,其变化有相应的规律,分析结果有利于施工监控量测时对数据的分析和判断,并有助于现场施工的安全性与科学性。     

隧道施工引起地表变形预测的半解析法

基于弹性力学Mindlin解,假定隧道围岩为均质弹性体,给出了用于预测隧道施工引起地表变形的半解析法。该方法是采用三点勒让德-高斯求积法利用点荷载下的Mindlin位移解,推导了均质弹性地层中隧道开挖施工引起地表变形的半解析计算公式,可以模拟并预测隧道开挖面不同支护方式引起的地表变形。通过对地铁隧道工程的实例分析并与Verruijt方法计算出的地表变形比较分析,结果表明：用该方法计算出的地表变形预测值与实际沉降曲线较吻合,较用Verruijt方法计算出的结果更精确。     

昔格达地层隧道围岩及初期支护变形规律研究

为探明昔格达地层隧道开挖过程中初期支护背后空隙注浆的时机以及预留变形量的大小,以成昆复线铁路昔格达地层隧道为背景,采用现场实测与统计分析的方法对昔格达地层隧道围岩和初期支护的变形规律以及预留变形量进行深入分析。研究结果表明:1)昔格达地层隧道上台阶开挖后初期支护与围岩间存在初始空隙,拱顶围岩与初期支护间的差异沉降为1~2 mm,受地质、埋深及施工等因素影响,中台阶开挖较易引起隧道塌方,建议中台阶开挖前对拱部初期支护背后的空隙进行注浆回填。2)昔格达地层隧道预留变形量可根据掌子面施工揭示围岩情况调整,若施工揭示的昔格达组以页岩为主,建议预留变形量设置为24~30 mm;若施工揭示的昔格达组以砂岩为主,建议预留变形量设置为118~123 mm。     

浅埋隧道施工地层位移控制的数值计算研究

以数值计算作为分析手段,模拟研究了浅埋隧道全断面开挖引起地层损失的主要因素。理论分析结果表明:即使在软弱围岩条件下,调节或改善核心围岩的力学行为及其强度,可以维护掌子面的稳定性和控制掌子面及其前方地层发生的绝大部分地层损失;超前加固隧道拱部、边墙和仰拱围岩,主要是减小掌子面后方地层损失,在相同的加固条件下在地层位移控制方面,仰拱超前加固最好,其次为边墙超前加固,最后为拱部超前加固。影响隧道拱部、边墙和仰拱超前加固效应的主要因素有加固层的厚度和加固后加固层的力学行为。     

上软下硬复合地层双线平行隧道施工影响分析

在隧道建设过程中会遇到上软下硬的复合地层,如何控制复合地层隧道开挖对围岩和地层变形的影响成为亟待解决的工程问题。青岛地铁十三号线(R3)二期工程在施工中,隧道穿越上覆地层以土层为主、下部以岩层为主的"上软下硬"复合地层。通过采用数值模拟和现场监测并反馈的方法对青岛地区"上软下硬"复合地层双线平行隧道围岩变形特征和地层移动规律进行研究。研究结果表明:隧道在穿越均一或复合地层时,围岩和地表会产生不同程度的变形;隧道围岩软硬岩比例越高,隧道拱顶下沉、隧道底板隆起和地表沉降量也越大,且以先行隧道拱顶沉降最为显著,在施工中应加以重视。这为双线平行隧道在上软下硬复合地层施工提供了一定的指导意义。     

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。     

基于力学效应的隧道车行横通道布置方式

以汕昆高速公路龙川至怀集段金门隧道为依托,采用三维有限元仿真和现场试验相结合的方法,基于力学效应对隧道车行横通道不同的布置方式进行了研究与分析。结果表明:车行横通道开挖将导致主隧道围岩位移增大,但相比于主隧道施工的影响较小;车行横通道与主隧道的交叉角度越小,横通道施工引起的围岩变形越大,产生的应力集中越明显;相比于紧急停车带与车行横通道相邻的情况,紧急停车带与主隧道相对时,围岩总体变形和附加应力均较大;依托工程采用车行横通道与主隧道60°相交,紧急停车带与车行横通道相邻布置时,围岩变形满足规范要求。     

金鹗半明半暗连拱隧道两种施工方案比选

针对金鹗半明半暗连拱隧道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半明半暗隧道施工方法进行了动态数值模拟,建立了不同施工方法下围岩的应力场、位移场,进而对这两种施工方法进行比较分析,得出无论先开挖明洞还是先开挖暗洞两种施工方案没有本质差别。     

三车道大断面黄土隧道变形规律数值分析

依托唐家塬隧道实体工程,采用FLAC有限差分数值法对比分析了CD法和CRD法开挖引起的隧道位移变化规律。结果表明:CRD法相比CD法可有效减小隧道施工对围岩造成的扰动;CD法和CRD法开挖引起的拱顶沉降分别为83.11mm和71.06mm,引起的地层变形急剧增加范围分别为拱顶以上6m和4m,并且随地层的深度基本呈指数型变化;变形以竖向为主,水平收敛普遍小于拱顶下沉,数值计算与现场监测变形规律基本一致。     

软岩浅埋隧道施工对地表及围岩变形的影响分析

浅埋隧道开挖对周围环境的影响值得关注，基于重庆武隆隧道穿越厂房基础引起地表变形的工程背景，简化为平面应变模型，采用两种不同的计算方法对隧道施工进行了数值模拟分析，目的是研究不同软岩隧道开挖方式对地表变形及围岩受力情况的影响。通过支护与不支护两种工况的对比计算，结果表明，对浅埋隧道实施强支护、短开挖，并加强关键部位的加固，可有效减小隧道开挖对周围环境造成的影响。     

深圳地铁近接隧道暗挖施工地表沉降控制

为研究变净距近接隧道暗挖施工中开挖工序对地表沉降的影响,以期得到最优开挖工序,以深圳地铁近接隧道施工为工程背景,运用理论分析、FLAC3D数值模拟和现场实测数据反馈等多种手段,对比了4种不同开挖工序引起的地表沉降,并对围岩支护后隧道施工在纵横方向上的地表沉降规律进行了研究。得到:1)若先行隧道开挖采用上下台阶法,后行隧道采用CRD法,那么后行隧道采用上下断面法开挖优于左右断面法,且先开挖靠近先行隧道的部分要优于先开挖远离先行隧道的部分;2)随着近接隧道净距的减小,开挖工序对地表沉降的影响减弱;3)加固圈对抑制变净距隧道的不均匀沉降有着明显的效果;4)采用上下断面法开挖的近接隧道,上半部分开挖是控制地表沉降的关键,最大地表沉降值发生在靠近后行大跨度隧道中轴线一侧。     

大直径泥水盾构施工对软土地层的沉降影响研究

依托江苏江阴澄江西路过江隧道工程,对大直径泥水盾构施工对软土地层的扰动影响进行研究。主要研究方法及结论如下： 1）对盾构掘进中地表纵向沉降规律进行探讨,在前人研究的基础上对引起土体扰动的4个阶段进行验证,得出软土地层施工中不同阶段对土体扰动程度的比例。2）使用ABAQUS有限元软件,建立三维有限元模型,在数值计算中考虑土体非线性变形。通过数值模拟可知,横、纵、竖向位移趋势符合工程实况,最大沉降量与实测数据比较接近;增大上部土层的E,c,φ值可以有效地减小软土地层的沉降量,降低盾构施工对土体的扰动影响。从而论证了通过对土体表层注浆加固可以达到减小沉降,降低土体扰动的目的。     

既有隧道下的隧道施工引起的沉降评价

既有隧道下的隧道施工引起的沉降日益受到比以往更多的关注。由于在这些基础设施（建筑地面,砌体地下隧道,管道和其他设施）下的隧道施工在过去几十年隧道施工对现有基础设施建设的损害已经产生。基于Mair的理论分析和确定在既有隧道下新隧道施工引起的地面沉降和地面体积损失之间关系。由方程和三维有限元数值模拟确定地面沉降。计算现有隧道因新隧道施工引起的最大沉降。通过使用三维有限元分析,提出因隧道施工导致现有隧道的沉降和地面体积损失的控制方法。在新隧道施工之前使用大管棚（LPS）增强技术,通过与不使用LPS增强技术的情况进行比较,从而对使用LPS增强技术对地面体积损失控制的效果进行评价。结果表明LPS增强技术可以显著减少新隧道施工导致现有隧道的沉降,地面损失方法被证明是估计LPS增强效应的有效途径。     

浅埋暗挖隧道扣拱施工影响效应分析

在浅埋暗挖隧道扣拱开挖支护施工中,易产生应力集中、塑性区域叠加、地层反复扰动、力学转换复杂、不平衡推力等现象,影响拱部初期支护稳定性,易引起边跨混凝土开裂,出现渗漏水。介绍浅埋暗挖隧道扣拱施工工序及施工要点,通过对地层应力、变位的监控量测,分析力学特性、变形规律,并对各工序的影响效应进行分析。研究表明： 1）应力变化具有明显的空间效应,随着施工工序的变化,应力也相应变化,拱肩变化最为明显,拱顶变化较小; 2）不同工序的施工引起的变形不同,初期支护拱架割除产生1~2 mm下沉量,占总下沉量的30%; 3）确定了初期支护割除对拱顶下沉的影响范围为掌子面前方、后方,纵向距离为6 m,约等于2倍洞径。     

高地应力软岩隧道施工变形控制方法试验研究

为了研究高地应力软岩隧道施工变形控制方法,以兰渝铁路木寨岭隧道为例,通过对超前导洞法与三台阶法进行现场试验,分析了2种施工方法在高地应力软岩地层的变形控制效果,总结了三台阶法施工各阶段的围岩变形规律,主要结论为： 1）超前导洞法与三台阶法施工,隧道中台阶是变形控制的重点; 2）2种方法对高地应力软岩大变形总体控制效果相近,应结合其施工效率进行比选; 3）隧道开挖后应及早施作仰拱,这对控制隧道变形极为有利。     

桃树坪隧道穿越富水粉细砂地层双导洞超前法施工技术

在建兰渝铁路桃树坪隧道为Ⅰ级铁路双线隧道,施工穿越上第三系富水粉细砂地层。为了解决由于出水量大,岩性软,成岩作用及稳定性差,在隧道开挖过程中,含水粉细砂层软化现象明显,常呈流塑状,无自稳性,造成大断面隧道施工极其困难的问题,结合桃树坪隧道3#斜井正洞围岩特点研究采用了双导洞超前法施工,通过导洞超前降水、先行稳固拱脚,解决了富水粉细砂层大断面隧道开挖困难、初期支护变形严重难以控制的问题。     

联络通道冻结法施工三维力学分析

应用人工冻结土体技术开挖隧道的联络通道,涉及到土体冻结的热力学作用以及冰冻土体与隧道结构相互影响等一系列复杂的物理力学过程。采用FLAC3D建立主隧道、联络通道及冻结管的三维数值模型,综合考虑了温度计算、冻土与非冻土的转变及土体的冻胀作用,研究了人工冻结法对隧道管片及周围土体的力学响应。通过对冻胀率参数敏感度分析,研究土体冻结变形、冻胀力及隧道管片内力的变化,所得到的初步结果对冻结法施工有着实际的工程意义。     

盾构隧道施工地表沉降数值分析研究

隧道施工引起的地层损失所导致的地表沉降变形预测和控制，是隧道工程领域重要的研究课题之一。以盾构隧道开挖引起地表沉降变形为研究对象，采用有限元数值分析软件模拟盾构隧道施工过程，分析盾构隧道引起的土体应力场、位移场变化，对比分析不同的地层损失、不同的土体本构模型、土体排水和不排水条件下隧道施工引起的地袁沉降变形规律，并进行了不同影响因素的敏感性分析。结果表明，地表沉降槽近似正态分布曲线，地表沉降的主要影响因素依次为隧道埋深、内摩擦角、压缩模量、粘聚力和泊松比；提出了盾构隧道施工引起的地表沉降计算模型，并采取有针对性的措施来减少地表沉降，减小对周围环境的不良影响。     

水平旋喷加固在富水未成岩粉细砂层中的应用

为在以富水砂层为代表的软弱地层顺利施工隧道与地下工程大断面,以兰渝铁路某隧道富水未成岩粉细砂层水平旋喷加固及支护施工为例,对水平旋喷加固机制、旋喷参数选择、机械设备配置及施工关键控制技术进行研究及应用。通过高压水平旋喷在开挖线周遍形成水平咬合桩和开挖面稳定锚固桩,有效避免了开挖过程拱顶流砂、坍塌及工作面失稳的现象,实现了富水砂层隧道大断面开挖,提高了开挖施工综合效率。