岩溶区运营公路隧道衬砌受力特性模型试验分析

岩溶区隧道的修建改变了原有地下水平衡,溶洞的存在会使水压力集中作用在隧道衬砌上产生集中应力,严重威胁到隧道的正常运营与安全。以广东省岩溶地区运营公路隧道为工程依托,基于室内隧道模型试验,研究岩溶区运营公路隧道在不同溶洞空间分布形态大小特征、不同节理倾角、强降雨条件下衬砌的受力特性,以隧道衬砌表面应变、孔压、土压力和衬砌周边围岩位移的试验测试数据为分析依据,得出结论:沿经过隧道衬砌中心位置走向为45°和135°的溶洞对隧道衬砌不良作用大;溶洞的直径对于隧道衬砌受力特性影响最小,其作用主要是通过与围岩节理面倾角和溶隧间距(溶洞与隧道)的组合来体现;溶洞与隧道距离约在该距离为1.5倍隧道直径时,隧道衬砌的安全性最差;围岩的节理面倾角对隧道衬砌安全性的影响较为复杂,主要表现为以围岩沿节理面方向运动发生的附加应力作用和地下水沿节理面渗流所发生的孔压调节作用。     

顶部溶洞水压对隧道突涌水灾害影响的数值分析

岩溶地区地质条件复杂,在隧道修建中存在溶洞突涌水安全隐患,而顶部溶洞带来的灾害性更加明显,溶洞水压是其重要影响因素。针对隧道顶部溶洞,建立数值模型,将溶洞水压作为工况因素,分析围岩中的孔隙水压力变化规律,揭示隧道开挖过程中突涌水通道的分布情况。基于数值模型中单元孔隙水压力突变最大值判断方法,溶洞与掌子面围岩达到塑性状态后,监测两者之间的单元孔隙水压力随开挖步变化速率,找出每一行单元中的最大值,从而确定不同溶洞水压下的突水通道及安全厚度。研究表明,随着顶部溶洞水压增大,突水通道距离溶洞底部由近及远,而安全厚度也随之增大。     

上伏溶洞下深埋隧道塌落破坏的上限分析

为了预测上伏溶洞下深埋岩溶隧道塌落范围及上伏溶洞与隧道的临界高度,构建上伏溶洞下深埋岩溶隧道的横、纵断面上的塌落机制,结合非线性Hoek-Brown强度准则和极限分析上限法,并考虑孔隙水压力的作用下对上伏溶洞下深埋隧道的塌落范围进行研究,将孔隙水压力当作外力进行做功且根据虚功率方程和变分法原理推导出上伏溶洞下深埋隧道的塌落范围理论公式以及上伏溶洞与隧道的临界高度计算公式,利用数值计算软件MATLAB对公式进行求解和绘制隧道的塌落形状。将所提方法和既有研究、有限元数值模拟进行对比,所提方法和既有研究的计算结果误差为-4.32%~7.63%,和有限元数值模拟的计算结果误差为4.31%~6.73%,误差均在一定的精度范围内,充分验证了所提方法的合理性。分析不同参数对上伏溶洞下深埋隧道塌落范围的影响规律。研究结果表明：不同参数对上伏溶洞的深埋岩溶隧道塌落范围影响显著,孔隙水压力系数增大将导致深埋隧道的塌落面增大,上伏溶洞与隧道的高度H越大深埋隧道的塌落越不容易塌穿至溶洞,为深埋隧道提供适当的支护力可有效地抑制塌落风险。因此,上伏溶洞对深埋隧道的稳定性影响显著,该方法可为上伏溶洞下深埋隧道的塌落范围预测及上伏溶洞与隧道的临界高度的确定提供理论依据。     

某铁路运营隧道溶洞强化治理设计及施工

借助某运营铁路隧道溶洞的强化治理设计及施工,重点阐述减震动爆破技术在近接运营正洞的高位引水支洞施工中的应用,强调高位引水系统布设及下向深孔注浆充填加固是运营隧道溶洞强化治理的关键,说明运营隧道在遭遇到较大的岩溶水害时,通过修建具有较大坡度的高位引(泄)水支洞及利用大直径钻孔连接正洞溶腔,以排泄正洞二次衬砌外周边的高压岩溶水及充填物,来达到降低岩溶水对正洞衬砌结构的高压作用,从而恢复溶洞段运营正洞衬砌结构体系工作环境,确保运营隧道衬砌结构安全。     

引水洞爆破施工对既有隧道衬砌的影响分析

某铁路隧道建成运营后,受溶洞区域水压大的影响,岩溶核心段出现衬砌渗漏水现象。为了解决衬砌渗漏水问题,通过在正洞顶部施作引水洞,截取岩溶水,减小作用在隧道衬砌周围的荷载。本文结合某铁路隧道引水洞爆破施工,通过从爆破震动、结构变形等动态监控和土压力、型钢应力、混凝土应变等静态监控,分析引水洞施工期间正洞衬砌结构受力和变形情况,得出爆破震动速度和结构受力都控制在允许标准以内,并且隧道结构变形很小、结构受力相对稳定,说明引水洞施工对正洞衬砌结构影响小,保证了运营线的安全。     

遵毕高速尖山岩溶隧道坍塌数值模拟与施工控制

以遵义至毕节高速公路段尖山Ⅰ号隧道Zk1745＋061岩溶坍塌为工程实例开展了深入的研究;通过超前地质预报、超前水平钻孔、地质测绘手段,首先查明溶洞发育规模及空间形态分布;数值模拟了岩溶隧道坍塌的机理,认识了隧道顶板溶洞块、碎石土的塌陷破坏,以及引起地面出现塌坑的过程;为确保隧道施工及运营安全,采用大管棚辅以小导管超前支护、洞内加强支护结构、三台阶七部法施工措施;隧道强支护处治措施后,隧道安全、顺利地穿越了岩溶发育区段,处治过程中未出现二次坍塌等事故。成功处理了该岩溶坍塌问题,为类似隧道溶洞块石土填充坍塌的处治提供了借鉴。     

渝湘高速公路彭武段长滩隧道大型溶洞处治

渝湘高速公路彭武段长滩隧道左右洞在施工开挖过程中均出现了突水,涌水量约19000 m3/d。施工开挖和物探揭示左右隧道岩溶形态复杂,水平与竖向均发育,左右洞联通。结合不同地质条件,对本隧道大型溶洞处治设计方案进行研究,针对溶洞形态及地质条件,提出采用不同桥型处治左右溶洞,充分考虑结构安全、工程经济和施工的可行性。介绍隧道内桥梁设计思路,为类似工程设计、施工提供借鉴。     

模型试验模拟不同工况下基坑开挖对既有隧道的影响

为探讨基坑开挖过程对既有隧道内力及变形的影响,通过室内模型试验模拟三种工况下基坑的开挖对既有隧道截面弯矩、土压力、直径变化规律,同时对比分析了各工况下隧道的内力与变形特点。研究结果表明:基坑开挖引起既有隧道截面纵向弯矩变小,横向弯矩变大,导致既有隧道的横向直径拉长,纵向直径压短;基坑开挖过程中,既有隧道横向土压力减小,导致横向内径增大,纵向土压力有所增大,导致隧道截面纵向内径减小;基坑开挖过程中,隧道的深度越大,开挖影响隧道结构的弯矩与位移越小;隧道与基坑的水平间距越小,基坑开挖影响隧道的弯矩与位移变化越大。     

施家梁隧道K44+090岩溶水处治设计

施家梁隧道为3车道大断面高速公路隧道,在施工开挖过程中雷口坡组灰岩与须家河组砂岩的界面上出现了3个看似不连通的溶洞,K44+090处发现的溶洞甚至为一无水干溶洞。但由于对溶洞的处治认识不足,忽略了各溶洞的连通性,致使隧道二次衬砌完成后,雨季来临时二次衬砌开裂,给隧道衬砌结构造成了很大危害。介绍K44+090岩溶水的处治设计思路,为以后类似工程施工和设计提供借鉴。     

在役岩溶公路隧道模型试验研究

以某高速公路某隧道为依托,在优选岩溶填充物、围岩和衬砌材料的相似材料的基础上,开展了几何相似比为1∶40的在役岩溶公路隧道室内相似模型试验,详细分析了对围岩土压力的分布规律和发展趋势,揭示了隧道岩溶处治后的隧道围岩和衬砌力学行为。试验结果表明:1重晶石粉、石膏粉、水泥按1∶12∶2的配比为胶结料,砂胶比3∶1,砂胶混合料水灰比1∶8,能较好的模拟Ⅴ级围岩;2在上覆岩层自重荷载作用下,以低于隧道围岩弹性模量的材料填充岩溶后,会导致填充材料产生比围岩更大的压缩变形,从而引起围岩土压力重分布和地表不均匀沉降;3当岩溶处在衬砌拱肩、拱腰和拱脚时,经处治后的岩溶仍对衬砌产生偏压的不利作用,需要引起高度重视。     

岩溶隧道断续节理掌子面突水判据及灾变过程

为了给岩溶区隧道掌子面突水灾害的预警与防治提供理论支持,针对岩溶隧道掌子面断续节理防突岩体,从断裂力学角度分析了地应力和岩溶水压力等自然营造力作用下断续裂纹的压剪起裂属性以及分支裂纹尖端应力强度因子随水压和支裂纹扩展长度的变化规律,推导了断续节理岩体发生轴向张拉贯通破坏突水的临界水压力。运用两带理论和推导的临界水压力公式,建立了基于最小安全厚度的岩溶隧道掌子面断续节理防突层失稳突水判据,并分析了掌子面前伏岩溶水压力、断续主裂纹长度、断续裂纹排距及裂纹与最大主应力夹角等对防突层最小安全厚度的影响规律。采用可考虑流固耦合效应和岩体结构特征的三维离散元数值分析方法,研究了岩溶隧道近接前方高压富水溶腔顺序开挖中掌子面防突层岩体位移场、渗流场等演化规律及其临突特征。数值模拟结果表明：随着岩溶掌子面的不断推进,掌子面防突层岩体挤出位移逐渐由单一卸荷引起向卸荷和前伏岩溶水压共同影响过渡;掌子面各测点位移及位移增加幅度均持续增大;掌子面挤出位移和掌子面水流速度在突水通道即将形成时出现激增和突升现象,具有明显的突水前兆特征。     

岩溶尺寸及位置对隧道基底加载沉降的影响研究

建立了岩溶隧道概化模型,运用FLAC3D有限差分软件对隧道基底在加载过程中,不同尺寸及位置的全充填性溶洞的影响进行了数值研究。结果表明:溶洞尺寸和位置的影响存在界限值,岩溶顶板安全厚度为0.4倍隧道直径,岩溶上边界影响范围为1倍隧道直径,岩溶下边界影响范围为3倍隧道直径,岩溶左右边界影响范围为2倍隧道直径;当岩溶超过上述影响范围时,隧道设计、施工可不考虑溶洞影响。     

岩溶隧道处治结构桩基设计与施工监测

通过对清连(清远—连州)高速公路白须公1号隧道溶洞桥梁桩基设计、施工及监测分析,结合岩溶地质发育形态,总结了岩溶发育区桥梁基础地质勘探、溶洞顶板安全厚度计算、桩基设计及施工中应注意的问题,确保隧道建设及运营的安全。     

隐覆溶洞对地铁盾构隧道稳定性影响的数值分析

为研究岩溶区隐覆溶洞对盾构地铁隧道区间稳定性的影响，依托位于高原岩溶发育区昆明轨道交通4号线联大街站—吴家营站区间盾构地铁隧道工程，应用物探钻孔法和电磁波CT法勘探盾构地铁隧道区间的溶洞分布； 采用三维有限元数值分析方法，分别研究盾构隧道不同埋深时隧道下侧溶洞对隧道稳定性的影响，以及隧道周边溶洞半径、溶洞填充状态、溶洞位置、溶洞隧道间距对盾构隧道开挖稳定性的影响，分析岩溶发育区盾构法地铁隧道施工过程中隧道结构的稳定性。研究结果表明： 1）综合应用钻孔法和电磁波CT法，可较好地判断岩溶强发育区内的溶洞分布； 2）当隧道周边溶洞尺寸和位置不变时，盾构隧道围岩塑性区和变形量随溶洞埋深的增大而增大； 3）当隧道周边溶洞半径增大时，溶洞与隧道围岩间的应力集中区域变得分散，盾构隧道围岩变形量减小； 4）隧道周边溶洞内填充物及数量对盾构隧道围岩的变形量基本没有影响； 5）隧道周边溶洞位置对盾构隧道围岩变形的影响程度分别为盾构隧道围岩左、右侧的溶洞大于盾构隧道围岩下侧的溶洞，盾构隧道围岩下侧的溶洞大于盾构隧道围岩上侧的溶洞； 6）隧道周边溶洞仅在距隧道一定范围内才对盾构隧道施工稳定性有较大影响。     

软土地基大直径地铁盾构隧道运营期衬砌结构受力特性现场测试研究

为了解大直径地铁盾构隧道衬砌结构的受力性能,基于广州轨道交通4号线南延段大直径地铁盾构隧道工程,采用水土压力计和钢筋应力计传感器对衬砌结构运营期间的外荷载和钢筋应力进行现场测试,得到衬砌结构外荷载和内力的响应规律。通过衬砌结构计算模型理论值与现场测试结果的比较,说明衬砌结构计算模型的合理性。研究结果表明:1)衬砌结构顶部的水土总压力实测值和上覆土柱的重力基本一致;2)衬砌结构底部的水土总压力呈现中间小、两边大的分布形态,计算模型中可在衬砌结构下部半圆周范围内布置土弹簧模拟衬砌结构的实际受力情况。     

节理岩体隧道的稳定性分析及破坏机理

以往只有位移,应力,尺寸和塑性区分布在分析节理岩体隧道的稳定性时考虑。这样,既不可以明确发现破坏面的位置和范围,也不能得到的安全系数量化标准。定量分析节理岩体隧道稳定性模型试验与数值分析在本文得出了研究。通过使用有限元强度折减法计算破坏状态和节理岩体隧道的安全系数。结果表明,联合倾角对破坏面的位置产生更大的影响。如果α＝0°时,破坏面对称分布在两侧;如果α＝30°和45°,滑动面旋转节随理倾角的变化,并相应地分布在节理的上下部分;如果α≥60°,破坏面转移到底部。特别地,如果α＝90°时,可形成拱顶的中间破坏面。安全系数结果表明,安全系数降低了不同程度的节理岩体隧道同质隧道,但节理倾角对安全系数的影响不大相比。节理间距和强度的降低,安全系数降低。     

洞壁厚度和水压对公路隧道施工突水的影响

为了避免突水事件的发生,并保证隧道施工安全,采用有限元法,对不同溶洞条件下公路隧道的施工过程进行了数值模拟分析,结果表明:在隧道施工中,溶洞洞壁的厚度和溶洞内水压力的大小是引起岩溶突水的关键因素。     

三峡翻坝高速公路隧道

三峡翻坝公路位于湖北省宜昌市境内,穿越两坝一峡,地质条件极为复杂。沿线季家坡隧道、鸡公岭隧道和天鹅岭隧道岩溶强烈发育,隧址区遍布断层、溶洞、岩溶管道以及断裂破碎带等不良地质是全线最典型的高风险岩溶隧道,也是全线控制性隧道工程。为确保隧道施工安全,指挥部和山东大学联合承担了西部交通课题高风险岩溶隧道不良地质预报与灾害控制研究,针对上述3条高风险岩溶隧道,开展了大量的现场试验和相关科学研究工作。三峡翻坝公路是为缓解三峡坝区、葛洲坝区水运压力而建的一条重要通道,为     

盾构隧道施工引起的超孔隙水压力规律研究

本文首先对现场实测盾构隧道施工引起的孔隙水压力值进行了分析研究，总结出超孔隙水压力产生和消散的规律。其后，本文建立了能够模拟盾构隧道动态掘进的三维弹塑性固结有限元模型。采用改模型，对单条盾构隧道施工引起的超孔隙水产生和消散规律以及土体固结沉降规律进行了充分研究，其结论与现场实测规律一致，也证明了本文所建立的盾构隧道三维弹塑性固结耦合有限元模型的适用性；另外，也总结出了近间距盾构隧道在淤泥质粘土和粉质粘土中的合理开挖面间距。通过对近间距盾构开挖问题进行模拟，揭示了后建盾构推进引起的超孔隙水压力场，以及由此产生土体固结沉降的空间不对称性。     

砂土覆盖型岩溶地层盾构隧道施工地面注浆加固实例分析

隧道沿线溶洞的加固处理是岩溶地层中盾构隧道施工的关键。以广州地铁某区间盾构隧道施工为背景,论述砂土覆盖型岩溶地层中盾构隧道施工面临的主要工程地质风险;由溶洞处理流程入手,从溶洞处理判断标准、注浆填充方案、注浆材料选择以及注浆加固效果检验等方面详细介绍盾构隧道施工中通过地面注浆加固进行溶洞处理。同时,对监测区间内溶洞注浆加固效果以及隧道掘进引起的地面、房屋沉降情况进行监测分析。研究结果表明： 溶洞注浆加固效果良好,隧道掘进造成的地面房屋沉降变化平稳,地面注浆加固处理在砂土覆盖型岩溶地层盾构隧道施工中具备一定的工程适用性。