残积土中地铁隧道的有限元分析

对巴西圣保罗市地铁扩建项目的弹塑性有限元分析进行了讨论。对原状土样做了试验以研究残积土的本构特性,并确定了一个不相关联的弹塑性本构模型,使其反映在地铁隧道开挖典型应力路径下残积土的特性。提出了模拟开挖的应力释放法,根据这一方法可用二维有限元计算在隧道开挖三维过程中土体的响应,从隧道的实测结果与有限元计算的结果对比中可看出两者比较吻合。     

高地应力软弱围岩铁路隧道的衬砌压力

以关角隧道为工程背景,采用开挖应力释放率模型,研究高地应力软弱围岩地质条件下铁路隧道的衬砌压力.基于现场实测地应力和施工监测位移,根据台阶法开挖中存在的空间效应,推算未监测到的坑道周边位移和掌子面前方位移,再采用改进的BP人工神经网络模型预测隧道围岩的最终位移.利用开挖应力释放率模型获得隧道衬砌压力及应力释放规律.该规律与经典围岩特征曲线规律一致,且与工程经验和现场施工状态基本符合.采用FLAC3D软件对该段隧道开挖过程进行三维数值模拟,验证了上述方法在高地应力软弱围岩地质条件下的正确性和合理性.计算结果和模拟结果均表明:由于高地应力软弱围岩和初支效果不佳,使得关角隧道DyK307+ 900处衬砌压力较大,隧道结构处于不利的受力状态.     

杉树坳隧道台阶法开挖初期支护变形规律分析

以杉树坳隧道工程为背景,分析了台阶法施工的拱顶下沉规律,主要是台阶法衬砌变形与开挖施工进度的关系,探究应力释放过程,对监测数据进行分析得出,上台阶开挖导致拱顶沉降量达到总沉降量的70％以上,进而得到施工过程中的应力释放系数.将此应力释放系数应用于有限元模型计算,把数值计算成果与拱顶下沉实测值进行了比较,证明了该模型能够较为准确地反映上下台阶开挖对初期支护变形的影响,从而为台阶法开挖的数值模拟以及施工过程的控制提供依据.     

小净距大断面偏压隧道围岩稳定性分析

以港珠澳大桥工程连接线上的南湾隧道工程为背景,对穿越断层破碎带的小净距大断面偏压隧道台阶法施工过程进行了数值模拟,分析了隧道拱顶沉降、围岩水平收敛变化规律,并与实测结果进行了对比。研究结果表明:数值模拟结果与实测结果在大小和规律上均吻合,围岩沉降及水平收敛主要集中在上台阶开挖时,隧道围岩应力随着施工逐渐变大;隧道开挖对临空一侧的左洞围岩稳定性影响小于靠山体一侧的右洞。施工实践证明台阶法可以用于小净距大断面偏压隧道的设计和施工中。     

高边坡超浅埋偏压隧道开挖稳定性控制技术研究

本文以晋祠隧道为工程依托,对高边坡超浅埋偏压隧道开挖稳定性控制技术展开研究。采用有限元软件对偏压隧道进行数值模拟,分析施工过程中围岩和边坡稳定性,揭示不同应力释放率下隧道拱顶沉降规律和应力分布状态。在此基础上,对削坡回填治理方案进行数值模拟分析,验证了地形偏压对削坡回填后隧道整体变形的影响明显降低的结论,采用削坡回填法可降低晋祠隧道施工过程中边坡和隧道失稳风险。最后,对削坡回填处置后的偏压隧道进行现场监测和数值模拟结果对比分析,发现隧道拱顶下沉、拱脚收敛和地表沉降均呈现“前期快速沉降、变形量大,后期逐渐收敛、变形量小”的特点,证明削坡回填处置措施在治理高边坡超浅埋偏压隧道失稳时安全有效。     

铁路双线隧道Ⅲ级围岩段全断面(含仰拱)开挖法应用研究

怀化—邵阳—衡阳铁路黄岩隧道采用机械化配套设备施工,在Ⅲ级围岩段落采用全断面(含仰拱)开挖法。本文对全断面(含仰拱)开挖法的技术特点进行了总结。基于ANSYS优化反分析,考虑空间效应修正实测数据,对黄岩隧道砂质板岩的蠕变参数进行反演分析,得到时变本构方程。采用有限元软件ABAQUS建立二维数值计算模型,对采用全断面(含仰拱)开挖法施工的Ⅲ级围岩段的位移和应力进行计算分析。结果表明,采用全断面(含仰拱)开挖法能够保证Ⅲ级围岩段的稳定。     

考虑空间效应的岩堆体隧道管棚力学模型研究

针对现有管棚弹性地基梁模型中基床系数确定方法的不足,研究不同弹性模量、泊松比以及围岩应力释放率下岩堆体隧道洞口段掌子面附近围岩基床系数的分布规律,建立考虑空间效应的岩堆体隧道管棚弹性地基梁模型,进一步结合某岩堆体隧道工程实践,分析了管棚挠度分布的影响因素。结果表明:考虑隧道开挖空间效应的管棚弹性地基梁模型与实测更接近,可以更真实地反映管棚的受力变形行为。管棚变形行为与围岩弹性模量、泊松比等力学参数,开挖进尺、开挖高度、管棚钢管刚度等施工参数,以及应力释放率、隧道埋深等因素密切相关,影响因素多,力学机制较为复杂。对于岩堆体隧道浅埋段,开挖进尺宜取1m左右,开挖高度取3~6m间较合适,宜采用108mm及以上大直径管棚,并采取预加固措施。结论可为岩堆体隧道洞口浅埋段施工参数的合理选择提供理论依据。     

新宝塔山隧道台阶法施工数值模拟分析

采用有限元数值分析方法,对新宝塔山隧道的Ⅳ级围岩段台阶法动态施工过程进行模拟分析,得到每一步开挖过程围岩的位移场和应力场以及支护结构的内力,通过数值计算结果可以对隧道施工过程中围岩的状态进行预测,进而指导施工方案及开挖顺序的确定,同时通过对支护结构内力的分析判断其设计参数是否合理可行。分析和实测结果表明:新宝塔山隧道的Ⅳ级围岩段采用台阶法施工过程中围岩基本稳定,支护结构设计参数选择是合理可行的。     

施工方法对黄土隧道围岩结构相互作用的影响

研究目的:因黄土自身特性,以致于黄土隧道施工时往往会出现围岩变形较大且支护结构受力情况复杂的现象,因而黄土隧道施工时一般采用分部开挖法。为了探明不同的分部开挖法对黄土隧道围岩结构相互作用的影响,现以某富水黄土隧道为工程背景,采用有限元软件Midas GTS分别对CRD法、CD法及三台阶七步开挖法进行数值模拟,分析比较三种施工方法下的围岩位移、应力及弹性反力系数k,并通过实测数据与既有理论对数值计算结果进行检验。研究结论:(1)不同的施工方法对富水黄土隧道的围岩位移、应力以及弹性反力系数k值大小确有一定的影响;(2)通过实测数据与既有理论的检验,证明了数值模拟计算结果的合理性,因此,表2中的围岩弹性反力系数k的取值,可为今后类似工程设计、施工等提供参考;(3)本研究成果有助于理解富水黄土隧道围岩结构相互作用的特点,并可应用于富水黄土隧道计算分析相关领域。     

隧道开挖数值模拟过程中荷载释放率的确定

依据围岩开挖和岩土体力学原理,分析了围岩开挖过程中的三维效应和开挖应力释放等问题。通过AN-SYS软件对围岩级别较低的Ⅳ、Ⅴ级围岩开挖全过程进行三维有限元数值模拟,分别得出了这两种围岩中某一断面在开挖过程各施工步的荷载释放率。为验证所得围岩开挖荷载释放率是否正确,运用二维有限元模型对Ⅳ、Ⅴ级围岩的开挖过程进行了二维数值模拟计算,计算过程中所需的围岩开挖荷载释放率采用本文计算得出的各数值。通过对二位模型和三维模型计算所得结果的对比分析,证明了所得出的Ⅳ、Ⅴ级围岩中开挖荷载释放率的正确性。     

公路隧道施工过程分析及支护参数评价

在复杂地质条件下的隧道工程施工一般采用分步开挖法,围岩及支护结构的最不利承载状态往往发生在初期支护闭合之前,因此有必要对施工过程进行模拟计算。介绍了施工过程有限元数值模拟的方法,通过用设置释放系数的方法来模拟释放荷载的发展,对地层材料、锚杆加固区、喷射混凝土层及钢支撑的有限元模型的建立也进行了探讨。通过ANSYS对两种开挖方式进行了模拟分析,发现施工顺序对围岩的稳定及支护结构的受力影响很大,合理的施工开挖顺序应使围岩尽早构成承载环以分担更多的释放荷载,同时支护结构也应尽早构成承载性能好的拱形结构。加固区围岩强度的提高可使围岩分担更多的释放荷载,可以明显减小支护结构的受力。在云南保腾高速公路勐连隧道的施工中,该分析评价得到了较好的应用,很好地指导了隧道在软弱围岩地层的施工,取得了较好的效益。     

考虑纵向施工的深埋软岩隧道黏弹-塑性时效解析

软岩通常具有较强的蠕变性,深部软岩隧道的围岩收敛和支护受力往往表现出明显的时效特性。因此,考虑隧道掌子面推进的同时,运用流变理论对深部软岩隧道的围岩应力变形时效规律进行分析具有重要意义。研究针对深埋软岩中圆形隧道的纵向开挖过程,同时考虑掌子面推进引起的应力释放效应和围岩自身的蠕变性,推导出隧道纵向施工中围岩应力变形的黏弹-塑性时效解。解答中假定围岩服从Burgers-MC黏弹-塑性模型(CVISC),隧道纵向为连续不间断开挖。基于所提出的理论解,对新疆特克斯软岩隧道开挖过程中的围岩变形应力进行了初步预测和分析;同时,通过对比FLAC数值模拟结果和现场监测数据,验证了解答的正确性和可靠性。进一步,基于解答深入研究深部黏弹-塑性软岩中隧道围岩的应力、变形及黏塑性区域随时间和开挖过程的演化规律。研究结果表明：黏弹性区和黏塑性区边界上应力是定值,与黏塑性区大小无关;在隧道开挖阶段,应力释放引起的围岩位移占主要成分,后期应力释放完成后,围岩蠕变变形占主要部分。本解答为深埋软岩隧道施工过程中的围岩收敛变形和应力预测提供了理论方法。     

深埋软岩盾构隧道围岩压力控制方法研究

以广佛环线东环隧道工程为背景,从盾构隧道动态施工全过程出发,参考考虑开挖面空间效应的二阶段分析方法,拓展盾构隧道施工全过程的两阶段分析方法,以此分别建立盾构隧道施工第一阶段和第二阶段分析模型,研究围岩蠕变过程中围岩应力释放率、填充层厚度、填充层弹性模量对大埋深软岩盾构隧道围岩和支护结构相互作用规律的影响。结果表明:(1)施工过程中可从两方面控制围岩压力,分别为第一阶段中围岩的应力(位移)释放率及第二阶段中管片和填充层的联合支护效果;(2)第一阶段,超挖量、盾壳长度及填充层滞后距离越大,围岩传递到管片衬砌上的荷载越小;(3)壁后填充层在管片衬砌与其的联合支护体系中能起到缓冲作用,使围岩传递到管片衬砌上的荷载更均匀;(4)壁后填充层的弹性模量存在临界值,其值在50～200 MPa范围内,当壁后填充层的弹性模量远大于此临界值时,能分担较多围岩压力,当其弹性模量小于临界值时,围岩能释放一定的围岩应力,以此减小管片衬砌所受围岩压力;(5)第一阶段应力释放率对管片衬砌变形和内力的影响程度在围岩的蠕变作用下有所减小,但填充层厚度及其弹性模量对管片结构的作用规律几乎不受围岩蠕变的影响。     

双线隧道盾构掘进对地表沉降影响的数值分析

研究目的:在双线隧道盾构掘进过程中,先开挖隧道地层变形会对后开挖隧道地层变形产生不可忽视的影响,导致双线隧道盾构掘进完成后地表沉降存在差异性。依托天津地铁某盾构区间隧道掘进工程,基于FLAC3D软件建立隧道掘进过程的有限元模型,从隧道开挖变形、地表沉降的角度分析先挖线路对后挖线路变形特征的影响,验证双线隧道盾构施工导致地表沉降的叠加效应。为保证盾构掘进过程中地表沉降不超标,通过数值模拟分析盾构土仓压力、同步注浆量和出渣量等因素对地表最大沉降量的影响,有效指导盾构隧道施工参数的选择,最后通过现场监测数据验证数值模拟结果的正确性。研究结论:(1)前序次开挖隧道对后序次开挖隧道的隧道拱顶沉降与地表沉降均存在叠加效应影响,后序次开挖隧道的拱顶沉降及地表沉降均略大于前序次隧道的对应沉降值;(2)数值模拟结果与现场实测结果的对比显示,实测地表沉降值相比数值模拟计算值分别高出5. 78 mm、4. 97 mm,隧道的管片沉降实测值与计算值误差均在5%以内,数值模拟计算误差均处于可控范围内,一定程度上验证了数值模拟结果的正确性;(3)本研究结论在城市地铁盾构(TBM)法施工领域,对地表沉降控制方面的机理研究和实践操作有较好的应用效果。     

桃河特大桥主跨65m钢—混结合梁施工过程控制

采用虚拟层合板—壳—梁—实体组合单元法对桃河特大桥施工过程进行了有限元仿真分析,并与实测结果进行了对比,得出如下结论:虚拟层合板—壳—梁—实体组合单元法能够以少量的单元精确模拟结合梁的几何细节,避免了结合梁施工过程力学分析中的重复建模、节点耦合等难题;"U"型钢梁在移梁架设过程中各控制截面的实测应力变化较小,架设过程平稳、顺利;各施工阶段钢梁和钢筋混凝土桥面板应力实测值与理论值较为吻合。     

单边扩帮特大跨公路隧道开挖稳定性分析

通过现场试验、理论分析及数值模拟计算,对深圳横龙山北隧道右线喇叭口扩帮段的围岩力学参数和动态施工力学进行研究,对扩挖修帮段进行深部位移监测得到反挖修帮造成的拱顶下沉和洞周水平收敛的实测数据,并基于神经网络BP模型反演隧道围岩力学参数.采用有限元软件对横龙山北隧道右线喇叭口扩帮段建立三维有限元模型,分析隧道各开挖阶段对地表沉降的影响以及研究隧道各开挖阶段对隧道拱顶、拱脚和竖墙脚各点应力的影响.     

新建隧道施工对临近既有隧道结构安全性影响分析

新建隧道与既有隧道间距较近时,新建隧道的开挖导致围岩应力发生重分布,对既有隧道的结构产生影响,为此针对包西铁路通道新宝塔山隧道出口端,用有限元方法进行了数值模拟分析,并进行施工监控量测,对计算结果和监控量测结果进行分析,结果表明:新建隧道开挖将引起围岩应力重分布,使既有隧道衬砌结构的安全系数有所降低,其降低程度与两隧道间距有关,间距越小其影响程度越大。新建隧道的开挖对既有隧道临近开挖一侧的衬砌结构影响最大。     

考虑应力释放含衬砌的深埋圆形隧道应力及变形的弹塑性解

基于厚壁圆筒受均布压力的弹塑性解,推导考虑应力释放时含衬砌的深埋圆形隧道应力及变形的弹塑性求解公式。采用推导的公式对1个工程实例进行计算,并与FLAC3D有限差分程序模拟解对比分析,验证了求解公式的正确性。研究结果表明:及时施作具有一定刚度的支护,可以降低开挖面围岩应力释放量,从而减小围岩塑性变形;受开挖面变形释放的影响,衬砌与围岩接触界面变形并不连续,不能将支护变形等价于围岩变形;在计算隧道开挖引起的围岩塑性变形时,采用非关联流动法可以更好地描述隧道开挖后岩(土)体的塑性变形特性。     

无粘结预应力混凝土斜交板桥现存预应力测试及数值模拟

基于应力释放法(刻槽法)原理,针对一座已服役14年的无粘结预应力混凝土斜交板桥,在中断交通情况下,对梁板底部混凝土的工作应力进行了现场测试。同时,基于实桥材料和结构参数,利用Midas/FEA 3.0建立有限元模型,对自重和预应力作用下混凝土的工作应力进行了模拟。结果表明,刻槽法分级切割获得的应变释放曲线,可以很好地反映出测点处应力释放的过程,并较准确地获得在役预应力混凝土的工作应力;实例桥梁混凝土工作应力数值模拟结果与实测结果接近,由此估算出当前的现存预应力约为最初张拉控制应力的86.93%(1 067.18 MPa)。对于张拉控制应力与设计值存在较大误差或预应力损失与理论值存在偏差的复杂结构,同样可用混凝土工作应力现场测试与有限元模拟分析相结合的方法估算现存预应力。     

高地应力软岩隧道不同施工方法数值模拟变形分析研究

结合木寨岭隧道的实际施工方法,采用三维有限元软件Midas/GTS,分别对隧道的4种施工方法进行数值模拟,4种施工方法分别为全断面法、二台阶法、三台阶法和超前导洞扩挖法。选取适当的物理力学参数进行数值建模,从模拟结果中提取拱顶沉降、水平收敛、隧道应力、塑性区等数据进行对比分析,从而得出最优的施工方法,即适用于高地应力软岩隧道的施工方法,以及相应的支护措施。并在讨论部分引用类似状况隧道实测数据进行对比分析,验证数值模拟的合理性和正确性,可以为高地应力软岩隧道设计施工提供一定的参考。