纯黏土地层锚杆加固隧道掌子面稳定性分析

锚杆加固技术是一种提高隧道掌子面稳定性的有效方法,但现有工程的锚杆加固设计大多基于经验,其加固机理及加固效果的定量计算均有待进一步研究。为了准确评估纯黏土地层中纤维锚杆加固下的隧道掌子面稳定性,在极限分析上限法的理论框架下,将二维均质法推广至三维。结合“锚杆—土”相互作用机理提出改进的三维均质法,再结合连续速度场概念,建立先进三维破坏模型。由于三维连续速度场中的速度计算较为复杂,将该模型三维离散化,通过三维能耗分析建立离散形式的能量方程,复杂的曲面积分被巧妙转化成相对简单的离散体求和,再采用强度折减法和二分法求解能耗方程得到掌子面稳定性安全系数。构建一系列数值模型进行对比,两者计算所得安全系数趋势一致、数值接近,验证该模型的正确性,同时体现该模型计算效率的优越性。基于验证后的模型对锚杆长度和锚杆密度2个关键参数进行敏感性分析,研究结果表明,“新意法”施工时,在纯黏土地层中仅采用锚杆加固掌子面的效果不够理想,应结合其他加固技术(管棚加固、地表注浆等)以保证掌子面稳定和有效降低地表沉降。总体而言,所提出的三维模型能够较好地评估纯黏土地层锚杆加固隧道掌子面的稳定性,可为实际工程的设计和施工提...     

深埋风积沙地层隧道掌子面失稳特征研究

研究目的:风积沙是一种黏聚力低、自稳能力差的土体,给隧道设计和施工带来很大困难。本文研究旨为揭示不同掌子面角度下深埋风积沙地层隧道的掌子面失稳特征,从而反馈设计施工。研究结论:(1)掌子面前方失稳区呈楔形状,再向上扩展形成封闭的灯泡状区域,随着掌子面角度增大,失稳区下部扩大,上部缩小,掌子面稳定性逐渐改良;(2)掌子面角度对于失稳区的纵向、横向尺寸影响不大,失稳区前边界约为掌子面前方1倍洞径处,横向跨度约为2倍洞径;(3)失稳土体中存在压力拱,其顶点位于拱底上方1~2倍洞径间,随着掌子面角度增大,失稳区形成的压力拱顶点在下移,跨度在减小;(4)本文推导了适用于深埋风积沙地层的掌子面支护力计算公式,并提出了相关设计施工建议;(5)本研究成果可应用于深埋风积沙隧道,尤其是台阶法或盾构法开挖的隧道。     

3洞小净距隧道围岩压力计算方法

针对3洞小净距隧道围岩压力计算问题,基于普氏平衡拱理论,将围岩压力看作单洞隧道的基本压力与相邻隧道开挖引起的附加压力之和,提出适用于3洞小净距隧道的围岩压力计算方法;根据该计算方法研究不同岩柱厚度、开挖跨度和开挖高度对围岩压力的影响规律,并将该计算方法应用于确定八达岭长城站3洞小净距隧道围岩压力。结果表明:随着岩柱厚度的增加,围岩压力不断减小,当岩柱厚度达到某一值时,围岩压力与单洞隧道相同;岩柱厚度、边洞跨度和中洞高度变化影响整体围岩压力,中洞跨度和边洞高度仅影响各自单洞围岩压力;3洞小净距隧道的最优开挖顺序为"先边洞、后中洞",中洞围岩压力大于边洞,应力值最大点为中洞顶部。施工中应注意中洞围岩稳定,采取有效的措施对岩柱区域进行加固。     

近接溶洞条件下隧道施工掌子面变形破坏特征数值分析

以宜万铁路齐岳山隧道工程为背景,以危险地段的岩溶地质条件为基础,应用三维有限元分析方法,在隧道掌子面前方的溶洞规模大于、等于和小于隧道掌子面规模的3种情况下,模拟分析不同岩体厚度、不同岩溶水压力时隧道掌子面的变形破坏规律。研究结果表明:当溶洞直径大于或等于隧道直径时,相同岩溶水压力作用下掌子面变形值相近,当溶洞直径小于隧道直径时,掌子面变形量小;掌子面变形量最大值出现在掌子面中心位置;当掌子面与岩溶洞壁之间的距离大于2.0 m时,掌子面变形量增加并不明显;在溶洞内无水压力条件下,掌子面岩体塑性区范围很小,但随着水压力的增大,塑性区的范围逐步增大。     

高速铁路隧道超前支护稳定性试验研究

为研究深埋隧道超前支护的应用效果,依托银兰高铁香山隧道工程,模拟开展隧道三台阶法开挖对比试验,通过分析不同位置土压力变化情况、掌子面变形情况和锚杆微应变峰值变化,研究锚杆支护对于掌子面和围岩稳定性的影响。研究表明：(1)锚杆支护对土体变形有很好的限制效果,并且对于竖直方向土体限制要优于水平方向。(2)锚杆支护对于掌子面前方土体的加固限制了上方围岩的变形范围,间接提高了围岩稳定性。(3)锚杆支护后,掌子面最终变形量减少0.92 mm,位移量较未支护减小近50%。(4)掌子面中部位置的锚杆支护效果最优,而上部锚杆变形较大,建议与小导管、管棚等配合使用。研究成果可为隧道施工时对于掌子面锚杆超前支护的稳定性提供理论参考。     

用库仑土压力理论检算隧道洞口的稳定性

以渝怀铁路羊角碛隧道进口为例，介绍了用库仑土压力理论检算隧道洞口稳定性的方法，为隧道洞口安全施工提供理论依据。     

软岩隧道掌子面玻璃纤维锚杆加固参数研究

新意法的核心思想是通过调节超前核心土的强度和刚度来控制围岩变形。通过数值计算方法模拟掌子面玻璃纤维锚杆加固参数(加固长度、搭接长度、加固范围)在软岩隧道变形中的作用,得出软岩隧道的变形规律。结果表明:(1)加固超前核心土能有效控制隧道变形;(2)根据隧道预收敛变形可以确定锚杆长度,根据掌子面失稳机理和破裂面的深度可以确定锚杆最小搭接长度;(3)在隧道变形允许情况下,可以对掌子面加固范围进行优化,仅加固掌子面中心部位。     

岩溶隧道掌子面突水机制及岩墙安全厚度研究

从断裂力学角度分析高压岩溶水作用下裂隙扩展机理,认为自然营造力作用下水力劈裂多属压剪破坏模式。运用断裂力学和水力学理论分析隧道掌子面突水滞后效应和扩径效应,指出:裂纹扩展跳跃性在宏观上表现为隧道掌子面突水的滞后性;掌子面突水通道最终形成需经过多个阶段,其最终尺寸受岩溶水压力、掌子面岩体质量等因素控制。认为隧道掌子面突水是由于开挖扰动降低了水压劈裂的临界水压力造成的。据此观点,建立基于临界水压力的掌子面岩墙安全厚度计算公式。以宜万线云雾山隧道为例,计算得到岩墙最小安全厚度与施工中普遍采用预留厚度较为一致,说明此方法较为合理,可为类似工程提供参考。     

不同侧压比下隧道初期支护的稳定性研究

在象山特长隧道深埋段围岩压力实测结果分析的基础上,对不同侧压比下初期支护未成环前的内力分布、稳定性及变形、破坏特点进行了计算、分析。研究表明:地质复杂地区的深埋隧道(或深埋段),围岩压力大小及分布与松散压力差别较大,初期支护的稳定性,变形、破坏特点与受松散压力作用下的也有明显不同;并得出了不同侧压比下初期支护未成环前的稳定性,变形、破坏特点的相关结论。     

敖包梁隧道围岩与支护结构稳定性研究

隧道围岩与支护结构稳定性问题一直倍受岩土工程界关注。采用室内试验方法研究煤系岩层高岭石峰值及峰后力学特性,基于Mohr-Coulomb强度准则的岩石峰后应变软化理论,构建敖包梁隧道三维有限差分数值模型,计算隧道围岩变形特征曲线及纵剖面变形曲线,结合收敛-约束法分析隧道围岩与支护结构安全稳定性,通过现场监测,验证数值模型及计算方法的合理性。研究表明:采用理想弹塑性模型计算的隧道围岩安全系数小于应变软化模型的计算结果;分析现场监测数据可知,考虑应变软化的围岩与支护结构相互作用关系更符合工程实际情况,采用收敛-约束法计算隧道安全稳定性更加直观。     

基于极限分析的 进尺对隧道掌子面稳定性影响

为了分析进尺对隧道掌子面的影响,基于极限分析法推导掌子面稳定安全系数的公式,并同Vermeer公式做对比分析,进行参数影响规律分析。研究结果表明:低黏聚力围岩,除了采用短进尺外,必须要采取加固措施,提高围岩强度;随着黏聚力提高,内摩擦角的增大,各进尺下稳定安全系数提高。随着开挖高度的增加,稳定安全系数降低,在较小开挖高度下,更能体现短进尺对稳定安全系数的作用。随着进尺的增加,拱效应开始发挥时的临界覆跨比C/D随着进尺的增大而增大;大进尺下,需要更大的埋深才能使得破坏不扩展至地表。各进尺下稳定安全系数随着重度的增加而降低;局部破坏下,地表超载对稳定安全系数没有影响;破坏波及到地表时,不同进尺下,稳定安全系数随着地表超载的增大而降低。     

软土浅埋暗挖隧道开挖面扰动特性及稳定性分析

分析了浅埋暗挖地铁软土隧道开挖后围岩扰动带应力、变形特性、表征方法。利用特征曲线法分析了地层预加固机理。以国内常用的管棚预加固技术为例,提出了利用混合物理论中体积分数概念来分析加固效果的方法,并给出了应用实例。实例计算分析结果表明:采用管棚预加固技术加固隧道拱部可降低地表沉降,但对降低开挖面挤出效应效果有限。     

基于修正容重增加法的加筋土挡墙稳定性分析

在分析容重增加法基本原理和缺陷的基础上,提出容重增加法用于加筋土挡墙稳定性分析时的修正方法,给出容重增加法在FLAC3D中的实现步骤,并进行实例分析。研究结果表明:岩土体容重的增加会导致岩土体力抗剪强度的增大和筋材的抗拔力增加,其应用于加筋土挡墙稳定性分析时应进行必要的修正,证明提出的修正方法是可行且高效的。     

超前加固和初期支护对浅埋隧道地表沉降控制的贡献率分析

为研究浅埋软岩隧道不同支护方式对地表沉降的影响,以硅藻土地层飞凤山隧道斜井试验段为依托,采用数值模拟和现场监测手段,研究超前加固和初期支护对浅埋硅藻土隧道地表沉降控制的贡献率差异.研究结果表明:初期支护与无支护工况相比,地表测点位移变化为:掌子面前方测点减少31.7％,后方测点减少77.2％,可见初期支护对地表沉降控制...     

滨海孤石地层盾构掘进的稳定性数值分析

孤石是风化岩残留体硬度高强度大,地层存在孤石是阻碍盾构施工的危害之一.依托厦门城轨交通4号线彭厝北站～蔡厝站区间,针对滨海孤石地层盾构掘进的稳定性进行离散元数值分析,分别研究孤石与隧道距离、隧道埋深、孤石位置及盾尾空隙对地层稳定性的影响.研究结果表明:随着孤石与隧道距离增大,地层扰动范围、拱顶衬砌压力变化及地表沉降都有...     

送风井位于隧道中部的半横向分区段通风特性研究

为了确定一种送风井位于隧道中部,隧道内需风量存在分区段变化的半横向通风方式计算方法,以厦门海沧疏港通道-芦澳路城市地下互通隧道工程为依托,采用理论分析和数值模拟研究方法对风道内的压力分布进行研究,并对比送风井位置对风机压力的影响。研究通过在风道末端与风道内任意断面建立一元伯努利方程推导风道末端风速为0和风速不为0 2种情况下风道内的压力分布求解公式,数值计算结果验证了公式的正确性。根据研究结果,送风井位于隧道中部时,两侧风道始端全压可以视为相等,送风机提供满足通风压力较大一侧所需全压即可实现整个隧道的有效通风,该通风方式在增大通风长度适应性以及减小风机功率,以及提高经济性方面具有显著的优势。     

地铁隧道二次衬砌钢筋网防裂性能研究

为了定量分析防裂钢筋网提高隧道衬砌结构抗裂性能的机理和幅度,以地铁双线隧道二次衬砌结构为研究对象,采用荷载结构法和杆系有限元数值模拟方案,定量分析二次衬砌结构不设置与设置钢筋网这2种情况下的开裂临界荷载。其中素混凝土结构以达到极限拉应变为临界状态,衬砌结构增设钢筋网后以达到GB 50157-2013《地铁设计规范》允许的最大裂缝宽度0.2mm为临界状态。分析结果表明,配置防裂钢筋网后,Ⅲ级和Ⅳ级围岩衬砌结构抗裂性能可分别提高22.4%和19.3%,Ⅴ级围岩衬砌结构抗裂性能提高15.2%;Ⅲ级和Ⅳ级围岩二次衬砌结构的破坏形式由脆性破坏变为延性破坏,从而提高了其安全性能。     

盾构隧道双道密封垫防水能力及失效模式研究

盾构管片接缝在高水压下的防水是保障隧道正常使用的关键。为了研究盾构隧道管片双道密封垫防水机理及最大设防压力,自行研制双道密封垫水密性试验装置。对比分析不同张开量及错台量情况下,单道及双道密封垫的最大设防压力,并探讨单道密封垫与双道密封垫的失效模式。研究结果表明:盾构接头张开量影响接缝防水能力,随着张开量的增加,最大防水能力降低。双道密封垫失效模式与单道密封垫不同,张角情况存在手孔渗漏、蹿水等失效模式。研究成果可为类似水下盾构隧道双道密封垫设计施工提供借鉴。     

高填方黄土明洞顶EPS板和土工格栅共同减载计算及土拱效应分析

基于土压力减载机理,推导高填方黄土明洞顶铺设EPS板和土工格栅共同减载的明洞顶土压力计算公式。利用ANSYS软件模拟不同弹性模量EPS板和土工格栅共同减载时高填方黄土明洞顶的土压力,采用荷载等效方法将数值模拟的"波浪形"分布的土压力转化为均布荷载,将其与公式计算结果进行对比。结果表明:明洞顶土压力均随内外土柱沉降差的增大而减小,公式计算结果与数值模拟结果最大相对误差为3.59%,验证了计算公式的正确性。取EPS板的弹性模量为0.5 MPa,数值模拟明洞顶土体的竖向位移、最小主应力和竖向应力。结果表明:EPS板变形导致明洞顶最小主应力方向发生旋转,指向外土柱,在0.83倍洞高处出现明显的"应力拱";"应力拱"下部竖向、横向土压力均减小;内外土柱沉降差越大,"应力拱"横向应力越大,承担上部荷载越大,土拱效应越明显。     

微风化岩体隧道开挖反分析及围岩稳定性评价

青岛嘉定山地铁区间段多为微风化的花岗岩地层,地势起伏复杂。为探究本区间隧道在开挖过程中围岩的稳定性问题,采用最小安全系数法对围岩稳定性进行分析。由于地质条件复杂,岩体参数取值很难确定,基于D-P准则,采用ABAQUS建立3D弹塑性模型,根据黄金分割算法进行隧道断面拱脚位置的位移反演,确定本次计算中参数弹性模量E、泊松比μ;用修正后的岩体参数计算围岩的安全系数F_s,预判开挖围岩破坏区,为隧道围岩支护方案的设计提供依据。