达成高速铁路岩溶隧道围岩稳定性分析

结合达(州)成(都)高速铁路某岩溶隧道工程,建立岩溶隧道三维实体模型,利用三维快速拉格朗日法FLAC3D对隧道底部含有溶洞的围岩稳定性进行数值模拟研究,并将数值计算结果与现场监测结果进行比较分析.研究结果表明随着隧道施工接近并通过溶洞顶部,隧道拱顶处围岩向下变形,其值不断增大,拱腰处围岩沿隧道径向收敛,其值变化较小;仰拱处围岩最初向上变形,在隧道施工到溶洞顶部时变为向下变形,且其下沉值不断增大;围岩塑性区主要集中在隧道拱顶、仰拱底、拱腰和溶洞顶部处,溶洞顶部与隧道底部的塑性区有相互连通的趋势;隧道拱顶左右各约45°的范围、隧道底部以及溶洞周围的部位为应力释放区,拱腰处为应力增高区.     

重庆地铁北碚站结构设计数值模拟研究

基于岩质地层条件下的重庆地铁北碚站,对暗挖车站施工工法的选择、中空注浆锚杆设置的合理性问题进行数值模拟分析。分析结果表明:采用类似围岩条件施工经验简化的五部开挖法施工,将会引起过大的拱顶沉降与地层变形,无法满足相关规范的要求,而双侧壁导坑法能更加有效地限制隧道拱顶处地层应力的释放与塑性区的发展;中空注浆锚杆在不考虑注浆效果的情况下,未能形成良好的拱效应,对限制拱顶处地层的沉降作用极其有限,因此需加强对中空注浆锚杆注浆质量的控制,建议将注浆效果纳入工程检测范围。本研究结论可为类似条件下的暗挖工程提供借鉴与参考。     

大断面黄土隧道开挖引起的围岩力学响应

以胡麻岭隧道为工程背景,采用现场监测与三维数值模拟结合的方法,分析隧道开挖后黄土围岩应力场、位移场与塑性区的变化规律;同时对台阶法施工中影响围岩力学响应的因素进行分析.结果表明:围岩接触压力分布很不均匀;拱腰、墙角和边墙是施工过程中的薄弱环节,应加强支护刚度,设置锁脚锚杆或扩大拱脚;建议取消拱部系统锚杆,既有利于控制围岩变形又可减少工程投资;支护结构调整了围岩应力的分配,改善了应力集中且控制了塑性区的发展,故应坚持“及时支护、及早封闭成环”的原则;上台阶支护对控制拱顶沉降起着关键作用,施工中应引起足够重视;拱顶沉降在变形允许范围内,说明现行支护设计参数满足安全性要求;掌子面空间效应的影响范围约为其前方2～3倍洞径;数值计算结果与现场实测结果基本吻合.     

丽香铁路长坪隧道锚杆支护参数优化研究

以丽江-香格里拉铁路长坪隧道为工程背景，采用数值模拟方法分析不同锚杆长度和不同施作部位支护效果，针对性提出锚杆支护优化方案，并结合现场试验对锚杆支护方案进行验证。结果表明：增加锚杆长度可有效控制围岩变形和塑性区范围，并减小初期支护结构应力；但随锚杆长度增大，其对变形控制效果逐渐降低，综合考虑经济性，锚杆长度应适当。三台阶开挖方法，拱部锚杆对控制拱顶下沉具有显著作用，但对边墙收敛影响较小；下台阶锚杆对隧道围岩变形及塑性区范围影响较小，建议上台阶锚杆长度为4.5 m,中台阶锚杆长度为6.5 m,取消下台阶锚杆。经现场试验变形控制效果良好，虽喷射混凝土存在部分开裂，但变形稳定，未发生侵限问题。     

地铁隧道穿越厚碎裂岩层的支护优化分析

青岛地铁3号线汇泉广场站—中山公园站区间穿越厚碎裂岩层地质,其岩体节理裂隙较为发育,导致围岩自稳能力较差,以及施工风险较大。结合现场地质条件和施工环境,提出了4种隧道支护结构加固方案;通过数值模拟分析了各加固方案的地表沉降、初期支护结构主应力及围岩塑性区发展情况;基于灰色关联定量分析了各加固方案对5项评价指标的综合支护效果。结果表明:全断面WSS超前帷幕注浆对地层沉降和围岩塑性区发展控制效果最好,超前小导管支护对抑制围岩塑性区发展较明显;碎裂岩层隧道的综合加固效果为:全断面WSS超前帷幕注浆>超前小导管支护>增大拱顶锚杆长度、增设拱肩及拱脚锚杆>提高初期支护刚度。     

无中导洞连拱隧道施工方案优化分析

本文以云南香丽高速上长坪隧道为研究背景,利用有限元软件对无中导洞连拱隧道施工方案及施工工序进行二维计算分析。通过对不同工况隧道开挖后地表和拱顶沉降、围岩应力以及支护结构内力进行对比分析,结果表明:对于不同工法而言,左洞采用两台阶预留核心土,右洞采用CRD法开挖,地表沉降相对于其它工况而言最大能减小19. 86%,隧道拱顶沉降、仰拱隆起也比其它工况要小;对于不同开挖工序而言,先开挖远离既有洞部位,围岩位移控制效果明显;不同工法开挖,围岩应力、支护结构内力以及围岩塑性区变化差别在10%以内;连拱隧道左洞开挖完后,右洞的第一步开挖的位置对后续围岩位移的控制有很重要的影响。     

非圆形隧道毛洞围岩的应力和塑性区

为研究隧道工程中常见的非圆形毛洞围岩的应力和塑性区分布,采用复变函数方法,得到平面应变状态下受双向挤压应力作用的毛洞围岩应力解析解,并将其代入Drucker-Prager屈服准则,估算围岩的塑性区范围。以工程中常见的大断面双线铁路隧道为例,先通过搜索边界映射点的方法得到隧道毛洞的映射函数;再求得隧道毛洞附近围岩的应力分布,对推导出的非圆形隧道毛洞围岩应力解析解的正确性进行验证;最后分竖向挤压应力较小与较大2种情况,讨论侧压力系数对隧道毛洞围岩塑性区的影响。结果表明：离毛洞边4倍毛洞宽度处,应力值稳定,趋于所加荷载;当竖向挤压应力较小或较大时,侧压系数的改变分别会影响塑性区的位置或形状;拱腰处塑性区主要由竖向挤压应力产生,而拱顶与仰拱处塑性区则主要由水平挤压应力产生;在隧道设计和施工过程中,当围岩侧压系数较小或较大时,须分别在拱腰、拱顶与仰拱处加强支护。     

高地应力软岩隧道大变形分级标准研究

针对兰渝铁路黑山隧道二叠系板岩大变形特征,展开了拱顶下沉、水平收敛、初支围岩压力、初支混凝土应力及初支钢架应力等测试,对该隧道的大变形进行了研究。结合国内外大变形分级标准和采用的措施,提出了该软岩隧道具有工程特性、应力状态和所处地质构造背景特殊复杂的特点,在这些因素共同作用下,产生了围岩变形特征复杂的大变形。施工中除了按照围岩级别对应的支护措施,还要结合大变形等级综合考虑,采取加强措施才能控制变形,确保施工安全顺利。     

软弱围岩浅埋隧道全长黏结砂浆与水泥基药卷锚杆的锚固效果对比研究

铁路隧道锚杆主要有2种锚固方式:全长黏结砂浆和水泥基药卷,前者施工质量较好,可加固杆体周围岩体,后者施工简便,能快速发挥作用,在现有施工工艺的前提下,为了比较全长砂浆与水泥基药卷这2种锚固剂在浅埋软弱破碎围岩中的锚固效果,以郑万高铁许良隧道为依托工程,采用现场试验的方法对全长砂浆锚杆与水泥基药卷锚杆的锚固效果问题进行研究,选取Ⅴ级围岩段分别设置全长砂浆锚杆段50m与水泥基药卷锚杆段50m进行对比试验,且改善了全长砂浆锚杆注浆工艺,使其注浆密实度达到90%。对比试验的项目有:锚杆轴力、初支钢架应力、喷混凝土应力、水平收敛和拱顶沉降。现场实测结果表明:全长砂浆段的拱顶沉降和净空收敛在边墙锚杆施做后得到了更好的控制,得益于注浆工艺的先进性及后期强度的迅速提高,全长砂浆锚杆受力较大,且使喷射混凝土和钢架受力较均匀。相比之下,水泥基药卷段的围岩变形持续发展,受限于锚固质量及后期强度的不足,水泥基药卷锚杆受力较小,导致喷射混凝土和钢架承担较大部分的围岩压力,且不均匀。结论:在当前施工工艺和地质条件下全长黏结砂浆锚杆锚固效果较好。     

考虑中主应力后对隧道围岩稳定性的影响

在分析中主应力对隧道围岩强度影响的基础上,采用FLAC3D有限差分元软件,建立考虑中主应力的岩体强度准则本构模型,并同摩尔库伦准则相比较,研究考虑中主应力后对隧道围岩稳定性的影响。结果表明:考虑中主应力后,计算得到的岩体强度较不考虑时显著增加,当中主应力大于等于岩体抗压强度时,围岩强度提高75%~200%;若围岩服从摩尔库伦准则,则在一定数值范围内,中主应力不影响隧道中围岩的应力分布,且对拱顶沉降及塑性区也几乎没有影响;若围岩服从考虑中主应力的岩体强度准则,则随着中主应力的逐渐增大,围岩强度逐渐增大,拱顶沉降、开挖扰动范围和塑性区半径均逐渐减小。因此,在隧道侧向应力较大时,采用考虑中主应力的岩体强度准则进行数值模拟,更能准确地反应围岩的稳定性。     

极小净距交叠隧道二衬支护控制研究北大核心

青岛地铁2号线枣李区间隧道下穿3号线泉李区间隧道,交叠段隧道围岩以强风化花岗岩为主,岩体破碎。为保证地铁正常铺轨及长期安全运营,开展了二衬支护控制研究。通过理论分析确定出二衬最佳支护时段,并提出三种二衬支护方案,利用数值模型分析各方案对交叠段围岩拱顶沉降、二衬结构变形及应力、塑性区形态特征的影响。最终提出交叠隧道二衬支护的最优方案为:在交叠区影响范围外,3号线在隧道初支变形趋于稳定后施作二衬;在交叠区段,2号线开挖完成且3号线二次变形稳定后对其施作二衬。模拟结果验证了理论分析的正确性,为交叠隧道二衬支护控制提供了技术指导。     

极小净距交叠隧道二衬支护控制研究

青岛地铁2号线枣李区间隧道下穿3号线泉李区间隧道,交叠段隧道围岩以强风化花岗岩为主,岩体破碎。为保证地铁正常铺轨及长期安全运营,开展了二衬支护控制研究。通过理论分析确定出二衬最佳支护时段,并提出三种二衬支护方案,利用数值模型分析各方案对交叠段围岩拱顶沉降、二衬结构变形及应力、塑性区形态特征的影响。最终提出交叠隧道二衬支护的最优方案为:在交叠区影响范围外,3号线在隧道初支变形趋于稳定后施作二衬;在交叠区段,2号线开挖完成且3号线二次变形稳定后对其施作二衬。模拟结果验证了理论分析的正确性,为交叠隧道二衬支护控制提供了技术指导。     

软弱围岩隧道CD法和台阶法施工力学行为分析

为分析软弱围岩隧道在不同开挖方法过程中稳定性以及拱顶沉降变化规律,以某隧道工程实例为背景,借助有限差分软件FLAC~(3D)数值模拟并和实际监测数据对比分析,研究软弱围岩隧道在CD法和台阶法两种不同开挖方法施工过程中围岩变形、应力变化和围岩塑性区分布规律。实际监测数据和模拟计算结果均表明,采用CD法开挖断面关键点位移和应力明显小于台阶法,随开挖步影响范围也比台阶法要小。总之CD法较台阶法能更好控制围岩变形和应力发展,塑性区分布范围也明显小于台阶法。     

铁路隧道不同跨度下水平旋喷桩承载特性分析

为探究水平旋喷桩在不同跨度铁路隧道下承载特性,依托南三龙铁路与赣龙复线联络线道岔进新考塘隧道影响段存在的7种不同隧道跨度断面,采用二维有限元方法,模拟7种不同跨度下水平旋喷桩预支护效果,分析水平旋喷桩结构变形、应力及塑性应变规律。计算结果表明:不同跨度下,旋喷桩变形和常规隧道衬砌变形类似,即拱顶沉降,拱肩、腰、脚等处体现不同程度收敛,各点变形随跨度增大而增长,当跨度大于16 m时,增长速率加快,拱肩及拱腰位置尤其明显;旋喷桩内力部分,当跨度较小时,拱顶内侧受拉,而拱腰处受压,当宽度增大,拱部拉应力区向拱腰处扩展,且拉应力极值增大,而拱腰与拱脚之间压应力迅速增大;随着隧道跨度不断增大,水平旋喷桩等效塑性应变不断增大,影响范围自拱顶到拱脚呈扩大趋势。     

深埋黄土隧道初期支护破坏模式研究

研究目的:分析初支结构在施工过程中的破坏模式,对于研究深埋黄土隧道初支的受力机理以及优化隧道设计具有重要意义。本文以蒙华铁路阳山隧道工程为依托,通过水文地质情况、围岩压力、格栅应力等方面的分析,结合施工过程中初支结构的破坏情况,从而获得深埋黄土隧道初支结构的破坏模式。研究结论:(1)受老黄土节理发育影响,深埋隧道开挖过程中围岩容易产生较大的拱顶沉降,对初支结构造成的压力较大;(2)地表水的渗透会弱化老黄土节理面之间的强度,对围岩稳定性影响较大;(3)初支结构在拱肩部位的轴力值和弯矩值较其他位置偏大,容易发生小偏心受压的脆性破坏;(4)本研究成果可为深埋黄土隧道初支的受力机理研究和工程设计提供参考。     

顶部隐伏充水溶洞隧道施工阶段围岩稳定性分析

结合某岩溶隧道施工过程,利用有限差分软件对顶部存在水压充填溶洞的某隧道围岩稳定性进行数值模拟研究,并将数值计算结果与现场监测结果进行比较分析。结果表明：围岩塑性区主要集中在隧道拱顶、仰拱底、拱腰和溶洞顶部处,溶洞顶部与隧道底部的塑性区有相互连通的趋势。随着隧道接近并通过充水溶洞,拱顶和墙脚两处围岩最大主应力先减小后增大,拱肩处一直增大,拱腰和仰拱底处先增大后减小,主应力最大值位于拱肩区域,其值约为3.0 MPa。     

青岛地铁穿越富水弱胶结地层支护方案优化研究

为解决青岛地铁穿越富水弱胶结地层隧道安全快速施工难题,针对隧道上部天然隔水层保护前提下的支护方案优化,考虑支护结构对围岩稳定性控制的影响,通过数值模拟分析了不同支护方案下隧道开挖后围岩变形规律与塑性区扩展特征;基于隧道上覆岩层塑性区范围、隧道沉降和收敛值等控制指标优化了支护方案,并结合Peck公式采用非线性拟合方法建立了地表变形预测公式。结果表明:以超前小导管结合超前锚杆的联合支护体系能够有效控制隧道开挖围岩变形,并对上覆隔水层起到一定保护作用,优化后支护方案安全、合理、高效,为类似条件下的地铁隧道变形控制及快速施工提供了理论依据和技术指导。     

基于流固耦合理论下穿库区隧道围岩稳定性分析

以某下穿库区铁路隧道为依托工程,对比分析有无渗流场作用和不同水深条件下,隧道结构应力变化规律以及围岩变形、塑性区和渗流场的变化特性,同时还考虑隧道加固圈厚度和渗透系数对围岩稳定性的影响。研究结果表明:地下水渗流场对围岩变形影响较大,不仅能引起大范围的库底沉降,而且能增大隧道拱顶和拱腰的位移,并且能够减小仰拱的隆起量以及加剧围岩塑性区的范围;隧道的开挖能够对地下水孔隙水压力的分布形成明显的扰动,并且在两拱脚处渗流速度最大,最大塑性区位于横向临时支撑处;注浆加固圈能够改善围岩的受力,隧道最优注浆圈厚度在5m,并且当渗透系数小于围岩渗透系数的1/50时注浆圈加固效果不再明显。     

浅埋大跨岩质隧道主动支护作用机制研究与应用

预应力锚杆主动支护技术在隧道工程的应用日益增多,但其对浅埋大跨岩质隧道的适用性及作用机制尚未明确。以青岛地铁暗挖车站为依托工程,开展调研分析、数值计算和模型试验,对比分析预应力锚杆与非预应力锚杆对块状围岩的支护作用,从围岩应力补偿、块体围岩挤压成拱和危险块体控制3个方面研究浅埋大跨岩质隧道主动支护作用机制及理论模型,并进一步开展现场应用。结果表明：原支护方案主要沿用了土质隧道支护理念,对岩质围岩自承能力的认识和利用不充分;锚杆预应力（100 kN）使围岩拉应力区消失、塑性区大幅度减小,并使围岩结构面的法向挤压接触应力提高约0.2～0.3 MPa,有效控制结构面两侧岩体的滑移错动,提升了隧道围岩整体稳定性;建立的主动支护理论模型将传统主动支护应力补偿对象由开挖面聚焦至岩体结构面;主动支护新方案较原支护方案的支护材料减量约30%,工期缩短约17%,隧道沉降量减小约50%。     

大断面膨胀土隧道结构受力特性测试研究

研究目的:大断面隧道因其跨度大、形状偏于扁平,在施工过程中表现出独有的力学特点,经常造成围岩大变形侵限、区域性塌方、底鼓和支护结构开裂等施工风险,而这些特点在膨胀土环境中表现的尤为明显,因此研究大断面膨胀土隧道支护结构受力特性具有重要的工程应用意义。本文以银西线庆阳隧道为工程背景,首先通过室内试验确定红黏土围岩的膨胀参数,然后利用现场监测手段对庆阳隧道支护结构的力学特性进行研究,并评价其支护结构受力性能,以期对同类隧道施工起到一定的指导作用。研究结论:(1)隧道膨胀土最大膨胀率为67%,最大膨胀力达到67.42 kP a,施工过程中应加强超前地质预报,尽可能减少水害对施工的影响;(2)隧道拱顶、两侧拱腰及底部具有较大围岩压力,围岩压力呈对称分布,初支闭合后拱顶附近围岩压力基本稳定,但两侧拱腰及仰拱位置围岩压力持续增大;初支闭合后钢拱架受力持续快速增长且受力基本对称,隧道上部初支内钢拱架受力始终较大,拱顶钢拱架应力最大达到1.46 MPa;(3)二衬施作后,初支仍存在一定变形,二衬左右两侧衬砌压力增长显著,二衬两侧拱脚位置混凝土应力增大明显;(4)本研究成果可为大断面膨胀性隧道设计优化和安全施工提供理论指导与科学依据。