不同位置充水溶洞对隧道开挖临界拱圈影响的数值分析

为揭示不同空间位置溶洞对隧道开挖拱圈的受力情况及危险程度,采用数值模拟方法,建立了分布于隧道拱顶、拱腰、边墙、拱脚及拱底的5种充水溶洞模型,在渗流模式下进行耦合收敛计算。在每一种工况下,采用全断面法模拟隧道开挖,随着开挖步的推进,溶洞与隧道间围岩逐渐达到塑性区贯通,以此时的隧道开挖拱圈为临界拱圈,并在临界拱圈均匀设置孔隙水压力监测点,分别提取各监测点在模型渗流平衡状态与开挖至临界拱圈时的孔隙水压力,计算两者孔隙水压力相对变化率。根据风险等级,将孔隙水压力相对变化率划分为红、橙、黄三级范围,最终基于数值计算结果可确定各工况的临界拱圈危险分区。该研究成果可用以指导隧道在不同空间溶洞下的合理施工和安全措施布控。     

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。     

弁山大断面隧道软弱破碎围岩加固技术

应用有限元方法对弁山隧道软弱破碎围岩加固效果进行数值模拟,对比分析了不同工况下隧道围岩与结构位移、围岩应力、围岩塑性区、初期支护和二次衬砌受力等指标。结果表明,应采取对拱圈和隧底围岩进行全面加固的技术方案,并对拱脚进行重点观测。研究成果可供类似大断面软弱破碎围岩隧道参考。     

岩溶隧道围岩及支护稳定性数值模拟分析

以弹塑性理论为基础,利用通用有限元分析软件ANSYS,通过数值模拟方式,分析岩溶隧道围岩及支护稳定性。重点从围岩应力、位移、塑性区角度探究既有隐伏溶洞对隧道围岩及支护稳定性影响。研究成果为隧道工程开挖及支护施工提供理论指导和技术支持。     

岩溶地区双隧道开挖围岩稳定性数值分析

结合广乐高速公路长基岭隧道施工工程,利用有限差分软件FLAC3D对2条隧道之间岩体中含有溶洞情况下的隧道围岩稳定性进行数值模拟研究。结果表明:隧道开挖后,隧道围岩分别向隧道内和溶洞内变形,且变形幅度随着溶洞尺寸的增大普遍变大;隧道围岩塑性区分布位置和范围随着溶洞尺寸的不同出现明显的变化;隧道底部围岩由于拉应力的出现可能使围岩产生过大的变形和岩体破坏,对其稳定性要给予特别的重视。所得结论可为同类隧道的设计、施工和研究提供有益的借鉴和参考。     

侧部水压充填型岩溶隧道围岩变形特征分析

结合宜万铁路大支坪隧道施工,利用FLAC如软件对侧部水压充填型岩溶隧道施工过程中的围岩变形特征进行了数值模拟研究,并与现场实测结果进行比较。计算及监测结果表明：隧道开挖后,靠近溶洞的隧道右侧向内水平位移,远大于远离溶洞的隧道左侧的水平位移,是最有可能发生围岩突水失稳的区域。     

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。     

高水压公路隧道的结构受力特征及对围岩稳定性的影响

以四川省某公路的高水压隧道为对象,采用有限元软件ANSYS11.0,对其结构的受力特征和围岩的稳定性进行了研究。结果表明,水压力对隧道所受的轴力、弯矩、剪力影响最大,受水压力的影响,轴力增加69%以上、弯矩增加97%以上、剪力增加203%以上。在水压力作用系数相同时,在衬砌背后排水系统排出的地下水时,衬砌内力、塑性应变、隧道位移最大值要大于从衬砌渗出的数值,但增幅很小。无论是蛋形断面还是圆形断面,隧道轴力、位移矢量、竖向位移的最大值均有一定程度的减小,两种断面的减小幅度非常相近,圆形断面对隧道结构受力与围岩稳定性要比蛋形断面好。水压力分布不均匀的衬砌内力、塑性应变、隧道位移最大值比分布均匀的要大,其中弯矩、塑性应变最大值增加非常明显,分别增加了100%、443%,水压力分布不均匀对隧道结构受力、围岩稳定性影响较大。     

隧道上覆溶洞防突安全厚度预测系统及工程应用

为了研究上覆溶洞与隧道间防突安全厚度,采用FLAC~(3D)建立了一系列上覆溶洞的隧道模型,模型中选择溶洞距离、溶洞大小、溶洞水压、隧道埋深、围岩级别作为工况因素。利用数值分析方法,揭示了不同工况下隧道开挖过程中上覆溶洞与隧道间单元塑性破坏直至贯通现象,并以塑形区贯通时溶洞与隧道间最短直线距离为防突安全厚度。基于不同工况下防突安全厚度数值计算结果,利用回归理论建立防突安全厚度预测模型,并形成一套基于VC++开发平台的防突安全厚度预测软件系统。该软件将理论和数据样本界面化,可实现对理论与繁琐计算的可视化操作。软件系统应用到翻坝高速鸡公岭隧道,结果表明,软件预测安全厚度与实际开挖有较好的吻合,以期为相似隧道工程提供一定的参考。     

小净距隧道富水破碎区段防排水施工技术研究

为了安全快速地穿越富水破碎带区段,结合小净距隧道的结构特点,基于现场钻探揭露结论及涌水量、水压的测定结果,提出了小净距隧道左右洞交替作为导流洞的防排水施工技术。基于流固耦合理论,采用FLAC~(3D)数值模拟软件分析了左右隧洞并行掘进时,围岩孔隙水压力及围岩位移的分布特征,揭示了围岩变形与孔隙水压力的相互作用机理,并结合现场围岩变形监测数据与掌子面最大涌水量数据,验证了该防排水施工技术的可行性。     

上下台阶法和CRD法施工下超大断面隧道围岩控制机制数值试验研究

为明确超大断面隧道软弱围岩破坏及控制机制,系统开展上下台阶法和CRD法开挖方式下超大断面隧道软弱围岩控制机制数值试验,对比分析不同强度等级围岩下隧道拱顶位移、最大塑性应变、支护构件受力变化规律,得出结论:不同开挖方式对隧道拱顶位移、最大塑性应变、支护构件应力影响显著;CRD法对隧道的拱顶位移、最大塑性应变、支护构件应力的控制效果比上下台阶法要好,且随围岩强度等级越低、隧道拱顶沉降越大,塑性区范围越大,支护构件应力越大,围岩稳定性越差。     

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。     

湖底明挖隧道两侧回填材料受力变形特性分析

湖底明挖隧道采用结构自防水与回填材料主动防水的方案,为研究高水位压力对湖底明挖隧道回填材料受力与变形的影响,通过现场试验测试了泥岩层、黏土层在不同埋深(1、5 m)下的土压力和孔隙水压力;利用数值模拟分析了回填层在不同上覆水位(分别为3、5、7和9 m)下的沉降变化规律。研究结果表明:随埋深增加,高水位压力对回填层土压力和孔隙水压力的上升程度加剧。埋深5 m处黏土层的土压力和孔隙水压力均最大;同埋深下泥岩层较黏土层承受的土压力和孔隙水压力较小。随着上覆水位压力增大,回填层累计沉降值不断增大;埋深1 m处黏土层的沉降累计最大,达到0.028 m。相同压力和埋深下,泥岩层的受力与位移较黏土层均较小,作为回填材料更具工程稳定性。     

软岩隧道埋深及施工进尺对围岩稳定性影响分析

该文以中国西部某隧道为研究对象,采用三维有限元数值模拟手段对埋深及施工循环进尺对隧道围岩的稳定性进行了分析,针对不同埋深状况下围岩应力、围岩位移、塑性区及其初支应力的状况,以及不同循环进尺对围岩应力、围岩位移等的影响进行了探讨。研究结果表明:隧道埋深越深,对围岩和支护体系均存在不利影响,需在埋深较大的地段,加强监控量测,必要时需施加钢支撑,以增加初期支护的抗压能力;大进尺施工对围岩应力的最大拉应力和洞周位移影响较大,建议施工时循环进尺选择1.5~2m为宜。     

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。     

分岔隧道喇叭口段现场监测数据分析与数值模拟研究

介绍了某分岔隧道喇叭口段的现场监测方法,并结合具体施工过程,对现场监测结果进行了分析;通过数值模拟手段分析了隧道各开挖阶段对地表沉降及围岩不同位置的应力和位移的影响。研究结果表明:随着深度增加,围岩逐渐趋于稳定;上覆围岩越薄,地表沉降越大。研究结果可为同类隧道设计、施工提供必要的依据。     

基于流固耦合理论的海底隧道围岩力学特性分析

采用理想弹塑性本构模型,在海水渗流的情况下,基于流固耦合理论,给出了海底隧道围岩应力、位移分布的解析解以及塑性区范围,并利用有限差分FLAC2D软件中流固耦合分析模块对海底隧道围岩进行力学分析,与理论推导的结果进行了对比,证明了理论推导的正确性,同时探讨了海底隧道开挖渗流机制和孔隙水压力场分布特征。理论分析了不同支护阻力下的围岩应力重分布规律以及海水压力、上覆岩层厚度对围岩力学特性的影响。该结果可对富水地层条件下的海底隧道工程开挖设计提供一定的理论参考。     

富水隧道施工期及运营期衬砌结构力学特性研究

以米亚罗3号隧道为依托工程,首先通过现场实测应力监测数据,对米亚罗3号隧道施工期支护结构应力的演变规律进行了分析研究;然后进一步借助数值分析软件,对不同初始水头高度下,米亚罗3号隧道运营期间围岩和衬砌结构的力学特征进行了研究。应力监测结果表明:隧道上台阶开挖后,拱顶和拱肩处的围岩-初支接触压力、钢拱架应力和外水压力迅速增大,约在30~40d后趋于稳定;下台阶开挖后,拱腰处的接触压力、钢拱架应力和外水压力快速增长,约在30~50d后趋于稳定;随着下台阶的开挖,拱肩处的围岩-初支接触压力再度缓慢增长,而钢拱架应力则明显下降;二衬施作后,其内力快速增长,并在20d后趋于稳定。数值模拟结果表明:当初始水头高度增加时,运营期间米亚罗3号隧道的洞周位移、二衬内力和外水压力均成一定比例的增加;隧道变形主要为竖直和水平方向的挤压变形,最大位移发生在拱底;相对于无地下水的情况,地下水的存在会影响衬砌弯矩分布,导致弯矩最大截面从拱顶转移至拱脚;衬砌所受外水压力在拱底处最小,其余部位分布较为均匀;随着初始水头的增大,拱腰和拱脚背后围岩的塑性区范围会明显增加。     

Elastoplastic Analysis of Surrounding Rocks of Subsea Tunnel Considering Seepage

基于双剪统一强度理论,推导圆形海底隧道围岩在流固耦合作用下的应力场、位移场、塑性区半径、围岩特性曲线方程的解析解.通过计算表明:由于海底隧道通常位于高水压富水区,很高的孔隙水压力和渗水压力会降低隧道围岩的有效应力,使地层的成拱作用和稳定性降低;中间主应力对海底隧道围岩的应力场、位移场、塑性区半径都有一定的影响,考虑中间主应力效应有利于充分发挥围岩的自身强度;在海底隧道的围岩稳定性分析和衬砌结构设计中,合理地考虑渗流作用以及围岩材料的中间主应力效应是必要的,选用符合岩体自身实际的强度准则是正确进行岩石工程力学分析的基础.通过选用不同的中间主应力效应系数和不同的有效孔隙水压力系数,可以使本研究结果适用于各种工程实际情况,并对海底隧道围岩稳定性的判别、支护结构的设计以及预注浆范围的确定具有一定的工程实用意义.     

多溶洞隧道围岩应力解析解研究

基于复变函数,推导了双溶洞隧道之间相互影响的应力解析解。研究表明：当溶洞距隧道位置不变的情况下,溶洞洞径越大,隧道围岩应力越大;当溶洞洞径以及溶洞距离隧道位置不变的情况下,溶洞离隧道越远,隧道围岩应力越小;当溶洞洞径以及溶洞与隧道距离不变的情况下,溶洞的位置分布不同,隧道围岩应力的分布会改变。