旁侧基坑开挖偏心卸载下盾构隧道横断面受力变形研究

为了研究基坑开挖导致旁侧既有盾构隧道产生偏心卸载而带来的不利影响,采用MIDAS/GTS NX软件建立精细化的三环盾构管片模型。基于修正惯用法计算的盾构衬砌环初始围压和Mindlin公式计算得到的基坑开挖卸载产生的附加围压,通过将总围压施加在盾构管片模型上,模拟计算得到盾构衬砌的横向变形和内力;采用椭圆度作为评价隧道安全状况的指标,研究基坑开挖偏心卸载对盾构隧道的影响规律。结果表明： 在基坑开挖偏心卸载过程中,衬砌结构会产生斜向“压扁”的效果,呈现“斜椭圆”变形;由于应力集中的原因,在管片与管片的接缝处应力较大,混凝土应力最大值处在邻接块与标准块之间;混凝土和螺栓的最大应力值会随着椭圆度的增大而增大;随着基坑围护结构位移增大,基坑侧壁应力释放系数β值逐渐增大,隧道的水平位移值也随之增大;在基坑开挖过程中要严格控制围护结构的位移量,以保证盾构隧道安全。     

一种改进的位移释放率计算方法及其在Ⅴ级围岩中的应用

为了探究高地应力作用下Ⅴ级围岩的开挖卸载效应，针对隧道开挖过程中实时位移释放率难以计算这一问题，提出一种改进的位移释放率计算方法，对不同工法作用下Ⅴ级围岩的变形规律进行数值分析和模型试验研究。首先基于正交试验原理，以黄土、砂、石膏、水泥、水为原材料配置得到Ⅴ级围岩相似材料；然后以自行设计的模型试验箱为载体，对配制出的相似材料进行平行试验，以保证每组材料在改变一种原材料基础上其余材料均不变，从而得到各组材料的应变-时间变化曲线；最后利用改进的位移释放率计算方法，结合模型试验过程实时监测数据，得到Ⅴ级围岩不同开挖工法下的位移释放率变化曲线，并与数值分析结果进行对比验证。研究结果表明：配制出的围岩相似材料在物理力学性能上均能很好地满足试验需要且具有经济环保等优点；平行试验下，各组材料均对开挖卸载产生影响且石膏产生的影响最大；模型试验结果表明，开挖前期台阶法位移释放率最大，随着开挖的进行双侧壁导坑法位移释放率逐渐增大直至最大，模型试验所得位移释放率在数值上虽与数值模拟结果略有区别但整体趋势保持一致，两者均显示隧道开挖过程中CRD法的位移释放率最小且开挖后期位移释放率逐渐趋于平稳，故建议在该高地应力Ⅴ级围岩段隧道施工时全程采用CRD法。     

不同应力场软弱围岩隧道施工力学特征的数值分析

岩体内部的初始应力及隧道开挖后的围岩应力是隧道工程的关键影响因素,为了更全面地了解不同应力场软弱围岩公路隧道施工的力学特征,建立有效的有限元模型,采用不同加载方式,模拟不同应力场,对软弱围岩公路隧道施工过程中隧道围岩位移和应力变化特征及其影响范围进行了详细分析,并对衬砌结构的受力特征进行深入研究.结果表明:不同应力场决定了隧道施工过程中围岩塑性区的大小和位置,这也就决定了隧道施工中重点监控的位置;在不同应力场隧道开挖完成后,拱上20 m水平面围岩竖向位移、拱上中心线围岩竖向位移及仰拱底围岩竖向位移随着侧压力系数的减小而明显增大,拱腰处围岩水平位移则随着侧压力系数的减小而明显减小;应力场对衬砌结构的内力影响很大.     

弹塑性解析法确定隧道二衬合理支护时机的应用研究

基于弹塑性理论,推导了隧道工程围岩塑性区内的应力和位移公式以及衬砌结构的应力和位移公式,推导出不同围岩等级下隧道开挖半径及支护范围,并给出了二次衬砌施工时合理的洞周位移值,所得结论对同类工程具有指导作用.     

隧道洞口浅埋偏压段施工性态数值模拟分析

针对渝湘高速公路斑竹林隧道软弱围岩洞口浅埋偏压段施工难题,采用数值模拟手段对施工过程进行计算分析.分析计算结果,得出主要结论:水平方向的围岩变位相对比较大,可能大于隧道围岩竖向位移;右隧道(埋深大)围岩拱顶特征点处竖向位移大于左隧道,围岩位移值最大值达到22.63 mm,发生在开挖时左隧道右边墙处.结合现场监控量测成果分析,证实了数值分析的正确性.基本掌握了山岭隧道洞口浅埋偏压段围岩和衬砌的变形、应力变化特征,认为该类型隧道围岩变位是隧道施工过程中需要控制的关键性因素.     

浅埋隧道单侧扩建施工方案优化

目前国内外常见隧道扩建施工大都采用传统新建隧道的施工方法,但由于传统开挖方法忽略了原隧道衬砌对围岩的长期支撑稳定优势,降低了施工效率。依托重庆渝州隧道扩建施工实例对扩建优化施工方案进行了深入研究,提出了浅埋隧道单侧扩建优化施工方案,即横向采用合理拱轴线开挖,纵向采用跳槽开挖的新方法。通过现场监控量测和ANSYS三维有限元模拟还原施工全过程进行对比分析。采用优化施工方案时,随着开挖掌子面的推进,原隧道衬砌受压应力计算值增大,纵向跳槽开挖时未拆除的原隧道衬砌能够发挥柱的作用,承担因跳槽开挖而产生的围岩压力,可有效提高施工安全稳定性。横向采用合理拱轴线开挖,使得开挖后围岩压力传递更加合理,并显著降低了初期支护结构拉应力和一定程度上增加了初期支护结构压应力。数值计算结果及现场监控量测数据对比显示,浅埋隧道单侧扩建开挖方案优化后拱顶位移比现状开挖方式小约16%～20%,且拱顶基本不出现受拉区,证明优化后的开挖方案在地下工程开挖卸荷时改变了原围岩的应力路径,能够充分调动围岩的自稳能力。故采用优化施工方案不但能够减少拱顶沉降,降低衬砌的拉应力,还能在保证施工安全的同时缩短施工工期,为今后的类似隧道扩建工程提供借鉴。     

不同结构形式下公路隧道的稳定性数值分析

主要对平底隧道和仰拱隧道二者的围岩受力和隧道周围位移进行对比分析,得到以下结论:开挖过程中两种隧道模型最大压应力值存在差别,且上台阶开挖要比下台阶开挖时最大压应力值要大;开挖过程中仰拱隧道的最大拉应力一直略小于平底隧道,说明施加仰拱对围岩整体受力较好;随着隧道开挖步的进行,两种隧道模型均呈现出拱顶沉降和拱底隆起位移增长的趋势,且仰拱隧道拱顶沉降值一直略大于平底隧道,而仰拱隧道拱底隆起值一直略小于平底隧道;两种隧道模型上拱墙竖向沉降基本一致,而仰拱隧道底部隆起位移均小于平底隧道,且仰拱隧道隆起位移最大值要比平底隧道小6. 78%,这与仰拱隧道底部围岩和衬砌的"拱作用"有关。实际工程中应综合考虑各方面进行方案选取。     

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。     

多位移反分析浅埋偏压隧道初期支护荷载分布研究

为了直接求解浅埋偏压隧道支护结构承受的围岩压力荷载,确保隧道支护结构施工稳定性,解决监控数据难以直观反馈施工优化的技术难题,采用拱顶沉降与水平收敛相结合的多位移反分析法,建立平面有限元模型,引入应力释放率与荷载偏压参数,结合浅埋偏压隧道特点,运用影响值加载原理,推导了围岩偏压分布公式。结合工程实例,对比同断面压力盒数据表明,利用多位移反分析法推导的偏压围岩分布公式可靠,计算结果可靠,公式系数的调整能有效配合并指导施工变更,以期为相似地质条件下隧道监控量测反馈施工再设计提供参考。     

隧道围岩与初衬间的相互作用研究

对隧道围岩与初衬之间的相互作用进行了研究,并对二次衬砌前的围岩和初衬中应力与位移及其释放进行了计算分析.首先利用线性黏弹性理论,导出了隧道开挖后围岩和初衬中的应力与位移;然后选取Maxwell和Poyting-Thomson三参数固体流变模型模拟围岩,研究了隧道围岩与初衬之间的相互作用;最后结合公路隧道施工,计算了二次...     

公路隧道最优开挖方法探讨分析

结合隧道洞口过渡段不合理的开挖方式极易导致洞口段塌方的现状,以承赤高速公路第十九标段锥子山1号隧道右线工程为依托,通过FLAC~(3D)数值模拟的方法对V_2级围岩浅埋隧道采用单侧壁导洞法、预留核心土法、双侧壁导洞法、台阶法等4种开挖方法进行研究,通过对比分析隧道围岩位移与应力、衬砌结构位移与应力、塑性区体积,得出以下结论:单侧壁导洞法开挖会造成偏压,所得偏压量可为以后类似地质条件隧道开挖提供参考;开挖方法是否适合工程条件与其应力释放率大小及释放集中程度有直接关系,初步推断应力释放率有与围岩位移成正比、与围岩应力成反比的关系;双侧壁导洞法应力释放缓和,围岩、衬砌、锚杆位移与应力控制均是4种方法中最优的,塑性区发展控制也较为理想,认定为V_2级围岩浅埋隧道开挖最合理方法。     

基于位移释放系数的深埋圆形压力隧道力学行为的解析解

为解决含有孔隙水的可渗透岩层中隧道围岩的力学行为，采用复变函数法与Biot孔隙弹性理论相结合的方法，建立了一个基于位移释放系数的可渗透深埋圆形压力隧道的应力和位移的解析模型。根据应力应变本构方程及平面应变协调方程导出了应力函数的非齐次双调和方程。选取计算参数进行算例计算，并将计算结果与商业有限元软件的计算结果进行对比，两者基本一致。通过选取不同的隧道参数及远场应力比进行敏感性分析，发现隧道在软衬砌和硬衬砌条件下会产生较大差异的力学行为。位移释放系数和孔隙压力对围岩中的环向应力和径向应力有显著的影响。     

泥砂岩互层隧道围岩蠕变变形的有限元分析

随着我国高速公路隧道建设事业的迅速发展,越来越来的隧道开挖需要面临泥砂岩互层围岩蠕变变形过大的安全问题。基于贵州省望安高速公路河边隧道的工程概况,采用ABAQUS有限元分析软件,建立了泥砂岩互层隧道围岩蠕变计算模型,得到了围岩蠕变30 d后的水平位移和竖向位移分布云图,给出了监测点水平位移和竖向位移随时间的变化曲线,分析了泥砂岩互层隧道围岩蠕变过程中水平位移和竖向位移的分布规律。计算结果表明,泥砂岩互层隧道围岩蠕变过程中拱顶沉降随时间增加的程度最显著,且预留变形量由拱顶沉降控制。     

基于特征曲线法考虑围岩刚度弱化隧道开挖变形分析

基于特征曲线法,建立考虑围岩刚度劣化本构模型开展不同开挖方式下隧道开挖空间变形特性研究,并与工程实际监测数据进行对比分析。结果表明:考虑刚度弱化后,三种开挖方式拱顶位移数值均增大;隧道开挖只对工作面前方20 m范围内围岩结构产生影响,对20 m范围以外影响甚微;在开挖工程中,距开挖工作面±10 m范围内拱顶围岩位移变化最大;为了有效控制围岩变形,开挖方式的优先顺序依次是中隔壁方式、预留核心土和台阶法;与未考虑刚度弱化的经典本构模型相比,采用刚度弱化本构模型计算得到的围岩压力释放过程更符合实际情况,拱顶位移计算结果与工程现场实际监测数据更为接近。     

不同开挖方法对公路隧道围岩稳定影响分析

位于我国西部的某公路隧道处于软弱地质围岩中,为了研究该公路隧道最优的开挖方法,基于有限元仿真软件MIDAS/GTS模拟隔壁法、环形留核心土法和台阶法3种不同的开挖方式对隧道围岩稳定性影响进行分析。有限元计算结果表明,3种不同的开挖方法不仅对隧道围岩卸荷的顺序存在较大差异,而且不同开挖方法对应的应力集中程度、应力应变大小及变化规律也不尽相同。通过分析3种开挖方式的应力和位移云图,详细对比了各开挖方式对应的各特征点X方向和Z方向应力值和位移值,综合考虑该公路隧道的围岩地质条件、施工进度、施工成本及施工安全,确定该隧道最优的开挖方式为台阶法开挖。     

软岩隧道超前导洞应力释放力学机制及适用性

为研究软岩隧道超前导洞的适用性，基于经典弹塑性理论，建立深埋软岩隧道超前导洞法开挖应力释放的力学模型，采用2阶段的方法推导考虑超前导洞应力释放的隧道开挖弹塑性解。定义围岩应力释放比来反映应力释放的效果，并研究不同地应力、围岩弹性模量、强度等条件下超前导洞开挖半径对应力释放效果的影响。结果表明： 通过施作超前导洞可以降低作用在支护结构上的围岩压力，尤其是在高地应力环境或围岩较软弱的条件下，采用超前导洞法进行应力释放效果更加明显。但导洞半径并非越大越好，现场试验表明： 对于3车道大断面软岩隧道，导洞断面太大对隧道围岩的稳定不利。隧道施工中，应在保障围岩稳定的前提下进行应力释放，做到初期支护尽早封闭成环，实现隧道安全快速施工。     

宁波将军山大跨隧道围岩压力特征分析

为了探究宁波将军山大跨隧道围岩压力的分布特征,采用理论分析、现场监测等手段讨论了围岩压力经验公式的适用性及其分布特征、释放规律。研究结果表明:1)对大跨隧道Ⅲ、Ⅳ级围岩深埋隧道围岩压力建议采用普氏理论或深浅埋法计算,Ⅴ级围岩浅埋隧道建议采用深浅埋法计算;2)大跨隧道在上台阶开挖后Ⅲ、Ⅳ级围岩压力释放比为0.4~0.6,Ⅴ级为0.7~0.8,围岩等级越高,先期围压释放比例越大。     

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。     

高速公路大跨度双连拱隧道动态施工数值模拟研究

基于FLAC3D有限差分软件,通过建立高速公路六车道双连拱隧道的计算模型,重点对隧道三导坑法开挖过程中,围岩竖向位移和最大主应力的变化情况进行了详细分析,并对隧道成型后围岩塑性区的开展及锚杆的受力情况进行了计算,其成果可为类似工程提供借鉴。     

基于地层损失的盾构隧道土压力非线性解析方法

针对盾构隧道结构在层状不均匀地层中承受的土压力荷载问题,根据调用强度设计(MSD)原理考虑土体非线性硬化特征,并采用Peck公式对应的土体位移场模式,提出施工不排水条件下盾构隧道结构周围土压力与开挖致地层位移势能的平衡方程,建立改进的隧道结构土压力非线性计算模型,并得到隧道上覆土体为均匀地层和层状不均匀地层2种工况下土压力荷载与地层损失率之间的非线性相关关系。将该计算方法应用于上海地区地铁隧道的土压力荷载计算,详细分析了应力释放系数与地层损失率之间的非线性相关关系,对均匀地层条件下不同的隧道覆土深度、土体强度、土体卸载模量以及侧压力系数进行了参数分析,并对上覆双层地层条件下不同的地层相对刚度、地层相对强度以及双层地层的相对空间位置关系进行了参数分析。结果表明:隧道开挖导致的地层损失对土压力荷载的计算结果具有显著影响,地层应力释放系数随地层损失率的增长呈现较为明显的非线性特征;在均匀地层中,地层刚度对土压力-应力释放系数非线性曲线的影响较为显著;在层状不均匀地层中,地层相对厚度及地层相对位置对土压力-应力释放系数非线性曲线的影响同样十分显著。