基于MIDAS/GTS的某公路隧道入口段软弱岩石力学及变形特性研究

为了探索软弱围岩中公路隧道入口段的岩石力学和变形特性,本文选取某采取环形开挖预留核心土法施工的公路隧道入口段为例,借助于MIDAS/GTS有限元软件对围岩的力学和变形特性进行了研究,得到主要结论如下;首先,随着隧道开挖和支护的进行,洞口围岩竖向和水平向应力均持续增大,周围岩体的受开挖影响范围也逐渐增大,但对受影响最大的隧道拱脚位置围岩应力分析可见,开挖上半断面留核心土对围岩的干扰最大;其次,施工过程中围岩受力在其可承受范围内,但隧道拱脚和隧道左侧拱腰上部位置出现明显的应力集中现象;最后,隧道开挖破坏了原有围岩的稳定性,使得隧道两侧拱腰向隧道方向产生对称的的位移,拱顶产生向下的位移。     

溶洞对隧道围岩稳定性影响的数值分析及应对措施

岩溶等不良地质情况的存在对隧道建设极易产生极大的安全隐患。为研究隧道上部既有溶洞对隧道围岩的影响,以霍永高速某隧道为工程依托,通过有限元计算软件MIDAS GTS建立起隧道结构与围岩的数值模型,着重研究了上部溶洞在不同位置及不同大小的情况下隧道衬砌的位移及应力变化特征。结果表明:溶洞对围岩位移产生了显著的影响,其中拱顶下沉的增幅最大;溶洞的半径越大,围岩所产生的变形也就越大;当溶洞半径R=2m时,随着溶洞距离的增大,剪应力并未发生任何实质性的变化;当距离L=2m时,随着溶洞半径的增大,剪应力逐渐增大。于此同时给出相应的应对策略,以降低施工及后期运营过程中的安全风险。     

软弱围岩大断面隧道相向施工围岩稳定性分析与掌子面加固研究

相向施工的软弱围岩隧道临近贯通时,两开挖面的扰动区将会叠加,围岩应力及变形异常复杂,存在掌子面大变形和失稳问题。结合狮子垄隧道,采用数值手段分别对单向、相向施工时的隧道围岩应力与位移场进行研究,分析临近贯通时围岩的稳定性。结果表明,相向施工时,随着掌子面前方土体长度的减小,围岩塑性区明显增大,变形加剧,拱效应逐渐减弱,稳定性大大降低;两开挖面间存在极限距离,当2个掌子面距离小于该值时,围岩大范围临近塑性破坏,必须采取有效应对措施,方可保证隧道施工安全。在对掌子面加固、提高初支强度等措施效果分析的基础上,采用竹锚管注浆对狮子垄隧道贯通段掌子面进行加固,并提高初支强度,保证了该软弱围岩大断面隧道顺利安全贯通。     

底部隐伏溶洞隧道施工阶段围岩稳定性分析

结合实际隧道工程施工案例,运用有限元软件分析了底部隐伏溶洞对隧道围岩稳定性的影响,并将计算结果与监控量测数据进行对比。结果表明,随着隧道开挖面逐渐进入岩溶区,仰拱处围岩位移急剧增长,且由于底部岩体整体性变弱及仰拱与溶洞间的岩体变形刚度减小,仰拱位移逐渐大于拱顶位移;在距离岩溶区大约1D范围内,仰拱底处围岩竖向位移显著上升,拱顶、仰拱底处围岩最大主应力逐渐减小,拱肩处围岩最大主应力逐渐增大。     

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。     

断层泥倾角对隧道稳定性影响的数值分析

以某铁路隧道为例,运用FLAC3D数值软件模拟不同断层泥倾角对隧道稳定性的影响。结果表明:掌子面轴向位移、初支弯矩沿开挖方向可以分为3个阶段,即完整围岩稳定阶段、交界面临近位置变化阶段及断层破碎带段稳定阶段。在距离交界面较远的位置,位移、内力沿隧道纵向变化较小,与在单一土层或岩层中开挖相似。在土岩交界面临近位置,随着断层泥倾角的增大,土岩交界面影响的范围减小。围岩及初支的位移、内力曲线对开挖进深的敏感性不同,随着断层泥倾角的增大,围岩及初支的位移、内力曲线斜率更大。     

基于修正剑桥本构模型的盾构隧道开挖对邻近桩基影响分析

为了保证在我国黄土地区城市地铁盾构开挖在靠近桩基础时的安全性,降低盾构开挖对桩基础的扰动影响,基于ABAQUS数值模拟有限元分析软件,采用土体的修正剑桥本构关系,建立地铁盾构法开挖施工的三维有限元分析模型。对隧道盾构开挖过程中邻近桩基础的变形和地表沉降规律进行了计算分析。研究结果表明:隧道盾构对邻近桩基础的影响主要表现在桩基础的隧道埋深位置处,垂直隧道纵轴的水平方向(X方向)位移量上;在盾构开挖过程中,随着开挖面与桩之间距离d缩小,桩的水平方向位移逐渐增大;在d大致为[-0.5D,+0.5D]范围内时,变形最大;当d继续增大时,水平方向位移也继续增大,最终趋于稳定值。通过综合分析数值模拟计算和施工现场监测得到的地表位移变形曲线,可以发现在隧道轴线正上方位置地面的沉降最大,向隧道轴线两侧沉降逐渐减小,但在桩基附近的地表沉降相对较小,而桩顶承台也受到不均与沉降的影响产生偏移。在该隧道工程实际开挖中,需要加强承台不均匀沉降监测,以便及时采取控制措施。     

雨水作用下隧道塌方模型试验研究

采用模型试验方法,研究分析了Ⅳ级围岩条件下隧道开挖后,因降雨而引起的隧道塌方.试验结果表明,随着水的人渗,地表位移逐渐增加,隧道塌方前,地表位移增加趋势明显,塌方后,隧道侧壁垂直应力及水平应力减小,拱底垂直应力增大,且距隧道越近的测点应力变化幅度越大.     

覆土厚度对城市软岩隧道围岩稳定性的影响分析

针对城市地铁隧道浅埋表层土厚度对隧道围岩稳定性的影响,利用有限元方法研究了不同覆土厚度条件下浅埋软岩隧道开挖过程中的变形规律.结果表明：受开挖的影响,左右两侧的x方向位移较明显,y方向位移主要表现为竖向沉降且由于受到开挖的影响其变量较大;表层土厚度越大,隧道围岩越不稳定;覆土较薄,围岩应力集中现象出现在隧道两侧,覆土较厚,围岩应力集中出现在x方向下方45°位置;衬砌区域上下侧所受应力高于左右两侧,且衬砌区域应力显著大于软岩.     

考虑重力影响的含空洞地层浅埋隧道围岩应力及位移解析解

为了明确地层空洞对浅埋隧道施工引起的地层应力和位移的影响，建立了含空洞地层浅埋圆形隧道围岩应力和位移解析模型，该模型既能考虑隧道开挖边界上的重力释放过程，又能考虑隧道与空洞的相互作用。采用复变函数法和Schwarz交替法对模型进行了理论求解，并将该模型解析解与有限元数值解进行了对比分析，两者吻合较好。基于所建立的解析模型，分析了应力释放系数、空洞位置及尺寸对地层应力和变形的影响规律。结果表明：随着应力释放系数和空洞尺寸的增大以及空洞与隧道间距的减小，空洞影响效应逐渐增大；空洞位于隧道拱顶时影响最为显著，空洞位于隧道斜上方时影响次之；空洞导致圆心连线两侧0°~5°范围内的隧道洞周环向应力减小，两侧5°~45°范围内的环向应力增大；空洞导致靠其一侧的隧道收缩变形增大，其中圆心连线位置上的隧道收缩变形增长最为显著；而地表最大差异沉降位于空洞正上方处。研究成果对含空洞地层浅埋隧道施工引起的围岩变形和应力预测具有重要的理论意义和应用价值。     

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。     

高地应力状态下软岩公路隧道的大变形机理与规律研究

高地应力区软岩隧道地质条件复杂,使软岩隧道变形控制难度加大。以某一工程实例为对象,运用MIDAS/GTS软件建立了软岩公路隧道模型,分析了不同侧压力系数下对高地应力软岩隧道开挖变形的影响作用。研究结果表明:随着侧压力系数的增大,隧道围岩水平位移由向隧道外挤压变形转化为向隧道内收敛变形,K值在0.5~0.75时,存在一个水平位移零点,最终水平变形量为0;对于隧道竖向位移变形,当侧压力系数小于1时,隧道最大竖向位移出现在拱顶处。当侧压力系数大于1时,上拱变形加强,但整体依然表现沉降变形,隧道最大竖向位移出现由拱腰转移到拱间处。K值在1附近时,隧道水平变形和拱顶变形所形成的最终变形量相等,可根据现场对水平位移和拱顶位移间的位移关系来判定隧道围岩侧压系数的大致取值范围。     

浅埋小净距隧道合理净距及围岩稳定性分析

以贵州盘兴高速公路司家寨小净距隧道工程为例,采用有限差分法对不同净距下的小净距隧道进行了数值模拟研究,对比分析其拱顶沉降、拱底竖向位移、中夹岩竖向位移及剪应变增量的变化规律,探讨Ⅴ级围岩下的隧道合理净距以及围岩稳定性。结果表明:净距较小时隧道左右洞开挖的应力叠加效应明显,随着净距的减小,计算的各数值明显增大,围岩特别是中夹岩极有可能发生屈服破坏甚至失稳;小净距隧道选择净矩D为10 m较为合适。隧道的最大变形出现在拱顶、拱底靠近中夹岩柱方向约20°左右位置,而中夹岩的最大变形主要出现在中岩体靠近开挖断面位置且处于上下分布。     

特长公路隧道通风竖井施工阶段稳定性分析

结合某隧道2#通风竖井施工项目,采用数值模拟的方法,分析了竖井及风道的施工对围岩衬砌稳定性的影响。研究结果表明：竖井开挖初期,衬砌压应力、壁座拉应力和位移量均随着竖井的开挖逐步增大,最大值分别为8.1 MPa、1.03 MPa和2.62 mm。开挖到第五步和第六步时对衬砌的应力和位移影响最为不利,应采取相应的保护措施。风道开挖后拱底上抬、拱顶下沉,拱底衬砌最大位移量为3.2 mm,临近竖井部位衬砌拉应力值达到3.76 MPa,可能对初期衬砌造成局部破坏。竖井和风道连接部位衬砌和围岩均出现拉应力集中,最大拉应力值分别达到3.8 MPa和1.6 MPa,围岩最大上抬位移为2.66 mm,竖井和风道连接部位出现局部破损,在实际工程的施工中需予以加固。     

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.     

岩溶地质环境下影响高速公路隧道溶洞稳定性的数值模拟

以四川某高速公路岩溶隧道为对象,在岩溶地质环境下,通过FLAC3 D软件,模拟了隧道溶洞稳定性数值。结果表明,隧道开挖后,当隧道与溶洞之间的距离比较远时,隧道底部围岩变形方向竖直向上,与之相反,隧道顶部围岩变形方向竖直向下,而隧道边墙围岩变形方向水平向内。当隧道底部存在溶洞时,溶洞与隧道底部周围形成应力释放区,拱腰附近形成应力增高区。在隧道施工时,要对隧道底板变形方向及大小密切关注。随溶洞半径的增大,应变值则减小,随着溶洞增大,溶洞周围应变出现增大的趋势,通过对比有无溶洞的应变,表明无溶洞应变分布较广,应变绝对值要小于有溶洞的值。     

施工过程对软弱围岩隧道空间效应的影响分析

为了研究在软弱围岩隧道三台阶开挖过程中,施工工序对围岩变形、应力的空间效应影响,以某软弱围岩双线铁路隧道为例,通过数值模拟,分析隧道周边围岩的变形和应力的空间变化过程,并将计算结果与现场监测数据进行对比验证。结果表明： 先行最大拱顶沉降和先行最大收敛位移分别达到总位移的53.3%和67.28%;上、中台阶的开挖对拱顶和起拱线处围岩应力的变化影响巨大;锁脚旋喷桩与围岩之间的压力变化受上、中台阶开挖的影响较大,且待开挖台阶土对隧道周边产生外撑力,能对接触压力有一定影响。     

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...     

基于无网格算法对隧道围岩弹塑性分析

通过引入广义粒子动力学数值法模拟隧道围岩的弹塑性变形特征,应用于隧道围岩模型结构分析中,确定隧道围岩不同侧压系数下的塑性区和应力场。研究结果表明:随水平应力的提高,隧道围岩塑性区从两帮朝顶部和底部方向转移。当λ2.0时,随水平应力提高,顶部和底部塑性区宽度开始增加,当λ2.0时,塑性区从顶底部向两肩和底角区域扩展,导致隧道稳定性突降;随洞壁距离的增加,隧道切向应力表现出一个先递增后下降的变化趋势,径向应力呈现出逐级递增,并在不同洞壁距离处获得原岩应力状态;隧道顶板和边墙水平位移随着λ的增大而不断增大,在λ1.0情况下,顶底板总位移相较于隧道围岩边墙位移要大;当λ1.0时,边墙总位移较围岩顶底板位移大;在剪胀角增加的过程中,塑性变形区也在不断的增加,围岩承载力也获得了一定幅度的增加。     

隧道断层突水突泥前兆信息演化规律数值模拟研究

为研究隧道穿越断层突水突泥灾害发生机制，在分析渗流诱发断层突水突泥机制的基础上，依托江西永莲隧道断层破碎带突水突泥灾害工程实例，采用数值模拟方法，建立可模拟隧道动态开挖穿越断层带过程的有限元计算模型，分析隧道开挖过程中渗流场、应力场、隧道涌水量、塑性区分布等灾害前兆信息的演化规律。研究结果表明，当掌子面接近断层时，应力场、位移场、渗流场、塑性区分布等前兆信息均发生了突变。主要表现在： 1）应力集中现象达到最大，增幅接近1倍，高应力集中极易导致隧道施工至断层附近区域围岩失稳； 2）隧道围岩位移包括拱顶沉降与拱底隆起急剧性、突变性增大； 3）渗流速度急剧增大，地下水更容易向洞内渗透，地下水对围岩的蚀溃破坏作用加大； 4）围岩塑性区范围覆盖了整个洞周范围并且屈服深度有所增加； 5）隧道开挖接近断层时极易造成突水突泥灾害，施工中应积极采取有效的防控措施。