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。     

海底隧道施工过程中围岩稳定性的流固耦合分析

以厦门翔安海底隧道为工程背景,基于流固耦合理论,对穿越海域风化槽段施工过程中的围岩稳定性进行数值计算,研究不同施工阶段隧道围岩位移场和渗流场分布规律及支护结构的受力特征。研究结果表明:地下水的渗流作用对海底隧道的围岩变形影响很大,引起较大范围的海床沉降;超前导洞开挖对围岩渗流场的影响作用最为直接和明显,且由渗流引起的海底隧道围岩变形在向上传递过程中折减较小;海底隧道洞周变形和海床沉降主要集中在两侧导洞下部和中部核心土上部开挖过程中;海水水位变化对海床沉降、拱顶沉降、拱底回弹量及围岩塑性区分布范围均有一定影响;注浆圈加固效果直接影响海底隧道开挖后围岩位移场和渗流场的分布,且注浆加固区厚度及渗透系数存在1个经济合理值;海底隧道拱腰横向支撑节点的应力集中较大,出现较大的塑性破坏区;海底隧道支护结构受力分为3个阶段,且拱脚、横支撑支点处受力较大。     

开挖扰动及非达西渗流对隧道涌水的影响分析

研究目的:隧道开挖扰动对渗透系数的改变及扰动区的非达西渗流是影响隧道涌水预测精度的重要因素,为提高涌水预测精度,构建含扰动区的隧道涌水简化计算模型,基于地下水力学理论、非达西定律及线性叠加原理推导涌水量及结构外水压力计算表达式,并进行退化分析,后对特征参数进行敏感性研究,最后通过与现场实测数据对比检验构建模型的合理性及公式推导的正确性。研究结论:(1)扰动区厚度及渗透系数的增加,减弱了围岩的阻水能力,导致隧道涌水量增加,提高施工技术水平,降低扰动程度与扰动范围可减弱扰动区围岩渗透系数的变异性,对隧道运营期阻水有积极作用;(2)适当提高注浆圈的抗渗性能可有效降低隧道涌水量,但随注浆圈抗渗性能的增加,对隧道涌水量降低的作用逐渐趋于平缓;(3)考虑扰动区对围岩渗透系数的改变及非达西渗流影响时,涌水量预测误差可由8.9%降低为4.2%;(4)本研究成果可为考虑开挖扰动对隧道涌水影响的研究提供理论指导。     

降雨对小净距大跨度隧道开挖松动区的影响

小净距大跨度隧道在洞口段易受到浅埋偏压作用,隧道开挖会造成上覆岩土体出现大范围松动区,在降雨条件下更易出现地表塌陷与拱顶塌方。本文改进了围岩切向应力扰动系数公式,依托广州龙头山双洞八车道隧道工程,利用有限差分软件FLAC 3D对隧道洞口段在是否考虑降雨2种条件下开挖产生的松动区进行分析。分析结果表明:运用工程实际采用的双侧壁导坑法模拟开挖,隧道围岩产生的松动区范围较大且在拱顶上部产生交汇区域,中部核心土开挖时影响较小;考虑降雨渗流场之后开挖,在流固耦合作用下左右2个隧道围岩松动区面积增长分别约为30%,42%;隧道围岩松动区不对称分布和雨水渗流作用加剧了隧道偏压变形,并导致上部地表沉降最大增长33%左右。     

地面荷载及围岩自重作用下浅埋隧道的围岩应力解

基于复变函数解法,借助Verruijt提供的保角映射公式,将含孔洞的半无限平面映射为圆环域,然后利用解析函数将圆环域内的复势函数展开成Laurent级数,并利用地表及洞周边界条件的级数展开式在圆环域上的收敛性对其进行求解,从而得到地面荷载及围岩自重作用下浅埋隧道的围岩应力场。利用该解析解研究各因素对隧道围岩稳定性影响的结果表明:当隧道埋深较小时围岩以拉—剪综合破坏为主,埋深较大时围岩主要发生边墙剪切破坏,且埋深越大剪切区的范围及半径越大;地面荷载越大,围岩产生的塑性区范围及其半径越大,且随着地面荷载的增大,塑性区沿着一定角度向地表方向扩展,容易产生地层坍塌;侧压力系数较大时,围岩以剪切破坏造成的整体失稳为主,侧压力系数较小时,围岩以拉—剪综合破坏为主,且侧压力系数越小越易发生地层坍塌。     

基于流固耦合的水底隧道全断面注浆力学分析

全断面帷幕注浆加固围岩是水底隧道穿越断层破碎带、海底风化槽等高渗透性岩体常采用的辅助工法。帷幕注浆的主要目的是加固围岩,改善围岩的物理力学性质,降低围岩渗透系数。本文在对注浆加固机理及注浆参数选取研究的基础上,采用三维有限差分FLAC3D数值模拟手段,基于流固耦合的力学模型研究注浆加固圈厚度及渗透系数对围岩稳定性、渗流规律、支护结构受力的影响。研究结果表明:水底隧道洞室开挖对初始渗流场的改变程度及范围与注浆圈渗透系数有直接关系,通过有效注浆不但起到限排堵水的作用,还起到降低地下水渗透体积力、约束位移的作用。     

长昆客运专线雪峰山地区炭质板岩隧道地层变形规律初探

基于塑性大变形理论,运用有限差分法,建立了雪峰山炭质板岩隧道开挖数值计算模型,分析了地应力、隧道埋深、围岩级别以及开挖释放率对隧道开挖引起的地层受力和变形影响。结果表明：隧道开挖后的围岩变形和影响范围随着地应力水平的提高、隧道埋深的增加以及围岩级别的增加而明显增大,随着开挖释放率的增大,围岩变形先平稳增大,后急剧增加,变形曲线在释放率为70％～80％之间出现拐点。越靠近洞壁,围岩变形受上述因素的影响越明显,所以相应的变形差异越大。     

山岭隧道水压力分布对围岩稳定性及结构受力影响研究

采用平面有限元数值模型分析透水衬砌、排水系统和墙脚排水3种排水形式下,无水压、衬砌水压力在均布和非均布时蛋形断面和圆形断面山岭隧道围岩的稳定性及结构受力特征。研究了衬砌水压力不同分布对隧道位移、塑性区和结构受力的影响规律,并对衬砌水压均布与非均布的结果进行了对比分析。分析结果表明:水压力的存在使隧道位移、塑性区范围和塑性应变最大值显著增加,对围岩的稳定性不利,特别是对结构受力的影响更加显著。水压力较大时,从围岩稳定性和结构受力来讲采用圆形断面优于蛋形断面。水压力不均匀分布时对围岩稳定性和结构受力均产生不利影响。     

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。     

分步开挖对隧道纵向稳定性的影响

运用有限元软件ANSYS数值模拟和关键块体理论,研究了两种隧道开挖方法在穿过60°,65°,70°和75°四种断层过程中的围岩稳定性问题,并与理论上存在的90°断层的开挖情况进行对比,分析了塑性区发展和顶板位移。结果表明：断层倾角对隧道围岩的稳定性有显著影响,随着断层倾角趋近于90°,隧道顶板稳定性趋好;施工顺序和方法对断层隧道的稳定性亦有显著影响。     

地铁大跨度隧道垂直挑顶施工中的围岩力学分析

基于深圳地铁2号线新秀站—莲塘口岸站区间隧道工程,提出了一种适用于软弱围岩大跨度隧道垂直挑顶开挖的施工方法,并采用FLAC3D软件对该挑顶施工全过程进行模拟计算,对施工过程中的围岩进行了力学分析,以解决交叉段隧道挑顶开挖过程中围岩变形控制的难题。模拟计算结果表明：挑顶开挖主要影响了拱顶处的围岩应力重分布,斜井开挖使得正洞相邻拱腰处产生压应力集中,正洞开挖顺序造成斜井拱腰处应力分布不对称;落斜井坡道和正洞下台阶时斜井拱腰水平收敛发生突变,这对隧道拱腰应力分布产生了较大影响,应作为施工的重点关注区域;挑顶开挖使正洞和斜井拱顶的围岩塑性区贯通,在落斜井坡道和正洞下台阶时该塑性区进一步扩展,此区段施工时应加强支护,并减缓施工速度。     

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。     

节理岩体中隧道开挖后渗流场重分布影响因素研究

在富水地区的节理岩体中开挖隧道会打破原有的渗流平衡,形成新的渗流场,造成突水等灾害。考虑流固耦合作用,运用离散元理论,建立垂直交叉节理岩体模型,以洞周测点的流量为指标,从地应力、水位高度和节理法向刚度等方面进行隧道开挖后节理岩体渗流场重分布的影响因素研究,并从开挖前后节理隙宽和水压力变化分析影响产生的原因,结论可为进一步研究围岩稳定性和突水灾害等提供参考。     

砂卵石强透水地层泥水平衡盾构隧道开挖面极限支护压力研究

以兰州市轨道交通1号线穿河段泥水平衡盾构隧道为工程背景,针对砂卵石强透水地层盾构隧道开挖面稳定性问题,应用FLAC 3D建模分析渗流作用下隧道开挖面的极限支护压力。结果表明:隧道开挖后围岩渗流场发生改变,产生水压力差,造成地下水沿洞周渗出,孔隙水压力等值线呈漏斗状分布;渗流作用下开挖面极限支护压力为107 k Pa,岸堤经泥水盾构下穿后沉降量较小。最大沉降现场监测值与数值计算值误差为11.1%,表明计算模型合理,计算结果可靠。     

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。     

顶部系统锚杆在不同跨度隧道中的作用效果研究

系统锚杆在隧道中能够发挥作用,而能发挥多大作用已成为隧道研究者们所争论的焦点。为研究隧道顶部系统锚杆的作用,文章采用数值模拟的技术手段,研究隧道在不同跨度条件下顶部系统锚杆的支护效果,通过分析各种工况下隧道拱顶沉降、初支应力大小以及围岩的塑性区发展,得到如下结论:顶部系统锚杆对隧道拱顶沉降、初支应力大小及围岩塑性区均有一定的控制效果,且在一定范围内,随着隧道跨度的增加,对拱顶沉降及围岩塑性区控制效果越明显。因此,在软弱围岩隧道开挖中,并不能统一取消顶部系统锚杆,同时也应通过隧道的断面形式进行合理地优化。     

不同倾角断层对隧洞围岩稳定性影响北大核心

目前工程中隧洞受断层影响的案例越来越多,而断层与隧洞位置关系复杂,为了探讨断层位置对隧洞围岩稳定性的影响规律,本文以某圆形水工引水隧洞为工程背景,采用FLAC3D软件,用接触面单元模拟断层,探讨两种走向(平行断层和正交断层)下不同倾角断层对隧道围岩稳定性的影响。计算结果表明,在平行断层中,当断层倾角较小时,产生的塑性区较广,对洞顶围岩影响较大;当断层倾角较大时,对隧洞腰部围岩影响较大,会产生与无断层时相反的水平位移。在正交断层中,隧洞与断层相交段围岩稳定性较低;当断层倾角越小时,洞顶处与隧洞腰部处产生的位移越大,围岩稳定性越低;塑性区则随着断层倾角增大而增加,当断层倾角增大到一定值时,洞顶处与隧洞腰部处位移与无断层时位移相比,突变率较大,设计施工时应引起注意。     

不同倾角断层对隧洞围岩稳定性影响

目前工程中隧洞受断层影响的案例越来越多,而断层与隧洞位置关系复杂,为了探讨断层位置对隧洞围岩稳定性的影响规律,本文以某圆形水工引水隧洞为工程背景,采用FLAC3D软件,用接触面单元模拟断层,探讨两种走向(平行断层和正交断层)下不同倾角断层对隧道围岩稳定性的影响.计算结果表明,在平行断层中,当断层倾角较小时,产生的塑性区较广,对洞顶围岩影响较大;当断层倾角较大时,对隧洞腰部围岩影响较大,会产生与无断层时相反的水平位移.在正交断层中,隧洞与断层相交段围岩稳定性较低;当断层倾角越小时,洞顶处与隧洞腰部处产生的位移越大,围岩稳定性越低;塑性区则随着断层倾角增大而增加,当断层倾角增大到一定值时,洞顶处与隧洞腰部处位移与无断层时位移相比,突变率较大,设计施工时应引起注意.     

四线临海隧道开挖渗流演变及参数影响分析

隧道开挖防水及渗水量控制是隧道施工和运营过程中的关键问题。为了更好地解决隧道渗水问题,依托青岛地铁昌乐路地铁站隧道开挖工程,结合渗流场基本理论,基于Abaqus有限元软件建立隧道开挖计算模型。按照施工顺序依次对初始渗流场、毛洞渗流场、注浆后渗流场及施做衬砌后渗流场4种工况进行模拟,分析渗流场的演变特征并计算其渗流量。同时对注浆圈厚度和注浆圈等效渗透系数2个参数对模拟计算结果的影响进行分析。研究结果表明：隧道开挖会使隧道周围孔隙水压力减小,两侧拱脚处渗流量最大,隧道帷幕注浆和施做防水衬砌对渗流场具有重要影响,可以有效减少渗流量。注浆圈厚度和等效渗透系数是影响渗流场与渗流量的2个重要参数,合理设置参数取值对隧道施工防水具有重要意义。     

盾构隧道开挖过程中溶洞对围岩变形影响的数值模拟

针对大连地铁5号线某岩溶强烈发育区段盾构隧道开挖,运用ABAQUS软件建立三维数值计算模型,分析盾构掘进过程中不同方位的溶洞对隧道围岩变形的影响规律,结果表明:溶洞的存在对隧道围岩变形影响显著,隧道围岩有向溶洞存在方位倾斜的趋势;隧道开挖完成后,塑性区隧道与上部、侧部溶洞围岩未贯穿,下部溶洞产生贯穿塑性区,为掘进过程中的最危险部位。