公路隧道复合式衬砌结构数值计算及分析

针对榆树沟隧道工程实际情况,选取了3种不同的复合式衬砌结构类型进行数值计算,对初期支护和二次衬砌的内力、安全系数及洞周位移、拱顶下沉、围岩塑性区的分布等进行了分析,评价了衬砌结构的安全性。结果表明:对于Ⅱ、Ⅲ类围岩,上台阶及下台阶中央区的开挖为施工的关键工序;对Ⅳ类围岩,上台阶开挖为施工的关键工序;在Ⅱ类围岩浅埋条件下,拱顶下沉主要是由上台阶的开挖及下台阶中央区的开挖所引起;在Ⅲ类以上围岩条件下,拱顶下沉绝大部分是由上台阶的开挖所引起;洞周位移较小,最大值为18 mm,发生在Ⅱ类围岩浅埋拱脚处;围岩塑性区发展深度最大者,连通到地表,属于Ⅱ类围岩浅埋;Ⅲ类围岩墙脚处塑性区较大;Ⅳ类围岩塑性区较小。     

深埋富水岩体隧道三台阶法施工数值模拟和参数优化——以正盘台隧道工程为例

为解决深埋富水岩体隧道三台阶法施工参数优化问题,以崇礼高速铁路正盘台隧道三台阶法施工参数优化为例,以上台阶开挖高度、上台阶长度、下台阶长度和单步开挖进尺为参数,采用三水平流固耦合数值模拟正交试验,进行围岩稳定性分析和参数优化。计算结果表明:1)上台阶开挖高度对拱顶下沉、侧墙水平位移、开挖面挤出位移、塑性区范围的影响最显著。2)Ⅳ级围岩地段,上台阶开挖高度取开挖跨度的27.8%,约为4m;上台阶长度和下台阶长度均取开挖跨度的55.6%,约为8m;单步开挖进尺取开挖跨度的20.8%,约为3m。     

基于有限元的无支护圆形隧道拱顶下沉分析

隧道拱顶下沉是反映隧道在开挖后围岩自稳能力的一个重要指标,根据G.Kirsch公式分析出隧道拱顶下沉量与隧道埋深成正比、与隧道开挖跨度成正比及与围岩级别成负相关关系。应用有限元软件ANSYS,分别通过隧道埋深、围岩级别和开挖直径的变化建立无支护圆形断面隧道的弹塑性分析模型,得到不同条件下的隧道开挖拱顶沉降值。研究结果表明:对于Ⅰ～Ⅳ级围岩,拱顶沉降与埋深呈线性关系,与开挖直径呈线性关系;对于Ⅴ级围岩,拱顶沉降与埋深基本呈指数关系,与开挖跨度近似为指数关系;对于Ⅰ～Ⅳ级围岩,当埋深不大于100m时且开挖直径不大于10m时,可以用G.Kirsch公式近似计算拱顶下沉值,其误差不超过30%。     

深埋穿越破碎带隧道衬砌变形规律研究

为解决隧道穿越破碎带、断层等不良地质体时导致的隧道结构变形过大，甚至引起垮塌等事故的难题，通过对西南某深埋穿越破碎带隧道衬砌现场监测数据的分析，结合数值模拟试验，研究了该隧道衬砌拱顶下沉、周边收敛变形规律，并对二者进行了对比。结果表明： 该隧道工程Ⅳ级至Ⅴ级围岩过渡区发生不均匀沉降，Ⅴ级围岩相对Ⅳ级围岩沉降值大15 mm左右；隧道拱顶沉降量是周边收敛位移的1.25~1.75倍，即拱顶对不均匀沉降的敏感度大于周边，属于隧道结构薄弱部位。基于自主研发的双向滑移式物理模型箱，研究了不均匀沉降条件下衬砌结构变形特征，衬砌轴向变形过程大致可分为5个阶段： 弹性应变、土体压密—姿态调整、塑性应变、土体再压密—姿态再调整、断裂破坏，且拱顶轴向变形为拱腰轴向变形的1.75~2.45倍，说明拱顶沉降对围岩完整性的敏感度大于周边收敛，应重点做好拱顶的监测与防护。     

CRD法与上下台阶法在隧道开挖中的效果对比及数值分析

由于Ⅳ级以上围岩软弱破碎,岩土体强度低,围岩开挖后容易松动变形,掌子面挤出,引发拱顶坍塌,地表下沉过大等病害.采用不同的隧道开挖方法,会对此类围岩的稳定性产生不同影响.该文以工程实例为依托,利用FLAC3D分别模拟湖南某高速公路某隧道在CRD法与上下台阶法开挖条件下的施工过程,分析隧道开挖过程中围岩的应力、位移及塑性区...     

基于围岩压力及结构力学特征测试的隧道初期支护时机探讨

台阶法施工的隧道工程,上台阶的开挖支护是关键工序,其施工效率影响整个隧道施工的进度。因此,以黔张常铁路吴家边隧道为依托,基于现场测试结果,对Ⅳ级围岩隧道上台阶的开挖进尺和初期支护时机进行了探讨,重点研究了不同开挖进尺和初期支护时机工况下围岩压力的变化特征、初期支护的内力演变特征及其安全性。通过研究得到:Ⅳ级围岩地段上台阶开挖进尺最长可到6 m,再进行相应的支护体系施作,可提高机械设备的工作效率,加快施工进度;支护结构在刚度相同的情况下,结构内力按时间分配;二次衬砌基本不承担围岩压力,只是作为安全储备。     

大断面上新统红色泥岩（NCr2）隧道支护受力特征研究

甘肃庆阳新近纪上新统红层由于特殊的成因,其工程力学特性与南方红黏土有较大差别。为系统研究穿越该地层大断面隧道支护结构的受力特征,以银西高铁庆阳隧道为研究对象,通过现场实测和有限元模拟获得衬砌结构内力、围岩压力、5~10 m围岩深部位移、支护收敛变形的时空分布特性,对现场监测结果体现的衬砌-围岩复合结构受力状态产生的原因进行分析,并利用ABAQUS软件模拟隧道开挖过程以对比验证衬砌结构受力规律,得出该地层隧道地应力、围岩压力、衬砌结构内力特征。研究结果表明： 1）围岩各项指标属于极硬土-极软岩临界范畴。2）该地层衬砌结构围岩质量较好,水平地应力为垂直地应力的2倍,可优化为Ⅲ-Ⅳ级围岩进行设计的同时增大侧压力系数。3）未闭合的初期支护不能有效限制围岩变形,可通过设置临时仰拱等措施改善受力状态;数值模拟结果与现场实测规律相符。4）该地层变形剧烈区为洞周开挖界限向围岩内1倍洞径范围,变形区域主要集中在拱顶;延迟开挖仰拱可有效减少仰拱内衬砌结构受力。     

软弱破碎围岩隧道开挖支护中CD法与环形开挖留核心土法对比分析

针对Ⅴ级围岩隧道岩体破碎,开挖中易发生松动变形、掌子面挤出、拱顶坍塌及地表沉降过大等病害的问题,基于FLAC^3D有限差分软件,对采用环形开挖留核心土法及中隔壁法(CD法)施工过程中围岩应力、位移和塑性区范围发展情况进行对比,分析不同开挖支护方法对围岩稳定性的影响。结果表明,相较于环形开挖留核心土法,CD法具有施工扰动小、初期支护封闭早、围岩位移及塑性区面积较小的优点,更适合于Ⅴ级围岩隧道的开挖支护。     

节理对泥岩隧道稳定性影响分析

基于施工中常见的多节理岩体隧道开挖,通过数值模拟分析开挖后围岩塑性区分布,初支收敛位移、竖向位移分布特征,压剪应力以及初支塑性破坏区随节理力学参数及节理倾角的变化特征,研究节理对泥岩隧道稳定性的影响,结论如下:水平节理使拱顶及仰拱周边围岩的塑性区增大,相同节理力学参数,在节理倾角为15°、75°及90°时塑性区范围较大;收敛位移峰值多出现在拱脚或边墙处,竖向位移绝对值峰值均在拱顶,水平节理可在边墙施作锁脚锚管进行竖向位移控制,其他节理倾角软弱夹层工况,还需在锁脚锚管中注浆加固洞周岩体;各工况衬砌均是全环受压,且衬砌净空侧压应力大于围岩侧,衬砌塑性破坏受压剪应力控制。相同节理力学参数,在节理倾角为45°时压剪应力最小,在节理倾角为75°时压剪应力最大。     

大断面上新统红色泥岩(N_2~(Cr))隧道支护受力特征研究

甘肃庆阳新近纪上新统红层由于特殊的成因,其工程力学特性与南方红黏土有较大差别。为系统研究穿越该地层大断面隧道支护结构的受力特征,以银西高铁庆阳隧道为研究对象,通过现场实测和有限元模拟获得衬砌结构内力、围岩压力、5～10 m围岩深部位移、支护收敛变形的时空分布特性,对现场监测结果体现的衬砌-围岩复合结构受力状态产生的原因进行分析,并利用ABAQUS软件模拟隧道开挖过程以对比验证衬砌结构受力规律,得出该地层隧道地应力、围岩压力、衬砌结构内力特征。研究结果表明:1)围岩各项指标属于极硬土—极软岩临界范畴。2)该地层衬砌结构围岩质量较好,水平地应力为垂直地应力的2倍,可优化为Ⅲ—Ⅳ级围岩进行设计的同时增大侧压力系数。3)未闭合的初期支护不能有效限制围岩变形,可通过设置临时仰拱等措施改善受力状态;数值模拟结果与现场实测规律相符。4)该地层变形剧烈区为洞周开挖界限向围岩内1倍洞径范围,变形区域主要集中在拱顶;延迟开挖仰拱可有效减少仰拱内衬砌结构受力。     

隧道不同级别围岩监测与数值模拟分析

依托谷城至竹溪高速公路小漩隧道,针对不同围岩段的特点,对隧道地表沉降、洞内收敛变形及拱顶下沉等项目进行了现场监测与分析,研究不同级别围岩变形时程曲线和纵向分布曲线的基本规律。并利用有限元分析软件ABAQUS模拟不同围岩级别隧道开挖过程,将数值模拟结果与现场监测数据结合,分析围岩级别对隧道围岩稳定性的影响。结果表明： 围岩级别越高,隧道开挖过程中地表下沉和洞内变形越大,变形稳定的时间也越长。     

钢架岩墙组合支撑工法动态施工力学特性及其应用

京沪高速公路济南连接线浆水泉隧道全长3 101 m，最大开挖断面尺寸为19.5 m×13.1 m，是目前中国最长的双向八车道高速公路隧道。浆水泉隧道穿越地层主要以Ⅲ，Ⅳ级硬质灰岩为主，且施工工期紧，传统的双侧壁导坑法、CRD法等因施工工序繁琐，临时支撑多，施工效率低，无法满足工程工期需求。基于以上背景，提出钢架岩墙组合支撑分部施工工法，主要特点是中间岩墙和上台阶临时钢架组成临时支护体系，在减少临时支撑的同时，中部岩墙还能通行车辆，5个工作面可同时施工，从而实现快速施工；在此基础上，进一步运用数值计算与室内模型试验相结合的方法，对该工法的动态施工力学特性进行研究。结果表明：施工过程中，隧道上部围岩开挖的时间段是支护结构受力最不利时期，支护结构内力在此期间增长迅速，波动较大；中隔壁是支护结构中受力最不利处，其余部位结构受力对隧道施工反馈很小；影响拱顶沉降和仰拱隆起的主要因素是隧道上部围岩的开挖，影响拱脚处围岩水平收敛的主要因素是隧道下部围岩的开挖；支护结构承载和围岩变形均能够满足公路隧道施工安全需要；通过在浆水泉隧道中的实际运用表明该工法能有效提高施工效率，缩短施工工期，是一种可行的超大扁平断面隧道快速施工工法。     

软土地区浅埋暗挖大断面隧道拱顶沉降实测分析

软土地区的浅埋隧道由于土层软弱,易产生较大变形和坍塌。为解决隧道开挖时的围岩变形及开挖工法选择问题,依托紫之隧道第1标段暗挖段工程,对洞内拱顶沉降、拱腰收敛和仰拱隆起进行实测,对实测数据的规律与影响因素进行分析。研究结果表明： 1)CRD工法在淤泥质软土中与四台阶法在强风化泥质粉砂岩中测得的拱顶沉降都较大; 2)拆除隧道支撑会引起较大的拱顶沉降,其比例占总拱顶沉降的14.63%; 3)隧道在淤泥质软土中开挖时会发生椭圆化变形,二次衬砌完成后,由于隧道基底承载力不足,隧道产生了整体沉降; 4)降雨会使上部土体超载,并弱化围岩的强度,导致拱顶沉降加大; 5)土质条件与施工工法的变化都会明显影响拱顶沉降,在隧道变形要求严格的区域或淤泥质软土中,采用CRD工法开挖风险仍较大。     

浅埋大断面公路隧道渐进破坏规律与安全控制

围绕浅埋大断面公路隧道渐近破坏过程与机制，以大永高速公路甸头隧道下穿大西二级公路工程为背景，开展了室内相似模型试验与现场监测分析。针对不同围岩级别条件（Ⅳ₃，Ⅴ₁和Ⅴ₂），分析了隧道毛洞开挖过程中围岩应力和位移变化规律，提出了基于变形差率的隧道施工安全控制指标，隧道施工现场监测验证了该指标的科学性，保障了隧道施工安全。研究结果表明：①隧道的破坏首先发生在拱顶位置，随着隧道的不同分部的开挖，破坏区向拱肩和地表扩展；围岩级别为Ⅳ₃时，隧道开挖后围岩形成一定厚度的塌落拱，塌落拱高度约为0.67M（M为隧道最大跨度）；围岩级别为Ⅴ₁和Ⅴ₂时，隧道开挖将引起围岩坍塌，形成塌方等较严重事故。②隧道开挖过程中，在开挖卸荷作用下，隧道产生不同程度的收敛与沉降，Ⅳ₃比Ⅴ₁，Ⅴ₁比Ⅴ₂，Ⅳ₃比Ⅴ₂最大地表变形分别减少了63.0%、20.0%和70.4%；隧道开挖应力变化方面，Ⅴ₁比Ⅳ₃，Ⅴ₂比Ⅴ₁，Ⅴ₂比Ⅳ₃最大应力变化量分别减少了43.5%、23.0%和56.5%，且Ⅳ₃，Ⅴ₁和Ⅴ₂围岩级别下隧道开挖过程应力和变形影响范围逐个增大。③采用模型试验手段，通过计算典型测点沉降差与测点距离的比值——变形差率，分别探讨Ⅴ₂，Ⅴ₁和Ⅳ₃围岩级别的浅埋隧道施工安全控制标准。隧道施工现场监测结果表明，对于Ⅴ₁级围岩浅埋隧道，当隧道地表横向和纵向变形差率均小于10 mm·m^-1，可防止公路地表裂缝的产生。研究成果对于浅埋大断面公路隧道施工与安全控制具有重要意义。     

连拱隧道衬砌厚度不足对结构安全性的影响研究

为解决因衬砌厚度不足而诱发的连拱隧道结构裂损及安全问题，针对整体式曲中墙连拱隧道，通过相似模型试验，重点研究衬砌厚度不足条件下连拱隧道围岩压力特征、衬砌内力分布以及裂损演化规律。研究结果表明： 1)连拱隧道中墙墙角部位的弯矩最大，中墙墙角外表面产生裂缝,内表面结构压溃，裂损程度最为严重，为最不利位置。 2)衬砌厚度不足部位的边缘是衬砌薄弱截面，左线左拱肩存在衬砌厚度不足时，厚度不足位置右边缘的衬砌内侧开裂；左线左边墙存在衬砌厚度不足时，厚度不足位置上边缘的衬砌外侧开裂。 3)连拱隧道中墙顶部与拱腰接触部位出现较大的拉应力，衬砌厚度不足位置的改变对中墙顶部衬砌受力造成一定的影响，厚度不足位置对侧隧道中墙右上角部位的裂缝出现晚于拱顶裂缝，是连拱隧道结构破坏的重点区域。     

岩溶富水区铁路隧道加厚底板结构施工力学行为研究

为研究岩溶富水区加厚底板+隧底大水沟的新型衬砌结构在开挖过程中的力学行为,利用大型商业有限元软件对中心水沟的开挖工况进行分析计算。结果表明： 1）拱脚以上设置初期支护但底板不封闭时,中心管沟距离掌子面下台阶15 m情况下, Ⅳa型衬砌段和Ⅴa型衬砌段开挖过程中隧道混凝土接近正常使用极限状态,隧道收敛及沉降值均在规范允许范围内,但隧道基底隆起量及塑性区较大; 2）中心管沟每循环开挖长度对隧道变形、基底隆起量及塑性区分布影响较小,隧道封闭时间滞后是主要影响因素; 3）中心水沟与掌子面下台阶距离最大取15 m, 2种衬砌段中心水沟每循环开挖长度取5 m; 4）Ⅴa型衬砌段采用临时支撑约束拱脚水平变形或者对隧底地基进行锚索+注浆加固。     

既有连拱隧道旁新建大跨度连拱隧道开挖有限元分析

在既有隧道旁施工新建隧道时,开挖过程中需考虑对既有隧道支护安全性的影响。分析邻近既有隧道的双连拱隧道施工方法,新建隧道与既有隧道的相互影响因素,并以福建省长安连拱隧道为计算模型,详细分析新建双连拱隧道开挖过程中对围岩影响范围、塑性区、既有隧道衬砌位移及内部应力的影响,为类似隧道工程的设计、施工提供参考。     

昔格达组地层大断面隧道变形特征分析

为掌握昔格达组地层大断面隧道变形特征,确保大断面隧道施工期间围岩的稳定性,以改建铁路成都至昆明线米易至攀枝花段桐梓林隧道为依托,采用数值模拟与现场多断面监测相结合的方法,研究在三台阶临时仰拱法施工中昔格达组地层大断面隧道变形的时空效应。研究结果表明： 昔格达组地层大断面隧道洞周围岩变形以竖向沉降为主;拱顶先行沉降与上台阶开挖引起的拱顶沉降之和占总沉降的41.3%,超前影响范围为1.3D;隧道开挖期间拱顶沉降和拱脚水平收敛主要受中台阶开挖的影响;隧道拱顶沉降随时间变化的预测公式为U=102.105·exp(-5.33/X);隧道拱脚水平收敛随时间变化的预测公式为L1=19.552·exp(-7.49/X);隧道墙腰水平收敛随时间变化的预测公式为L2=17.862·exp(-23.26/X)。     

双侧壁导坑法施工大断面地铁车站中隔墙岩柱开挖稳定性分析及施工关键技术

为了便于盾构过站施工连续,保证施工安全,以重庆轨道交通环线上桥车站工程为依托,对双侧导洞先行贯通、中隔墙后续开挖的双侧壁导坑工法进行分析,并研究临时中隔墙岩柱开挖的稳定性和加固措施,形成临时中隔墙岩柱开挖的施工关键技术。分析结果表明,在双侧导洞贯通后、中隔墙岩柱开挖前,隧道已经发生较大的拱顶沉降和收敛变形。为保证中隔墙岩柱开挖的稳定性和控制隧道变形,先对隧道及中隔墙进行加固,然后采用分台阶开挖施工。中隔墙拱部采用锁脚锚杆和增加中隔墙临时支撑体系刚度有助于改善初期支护的受力模式和控制隧道的收敛变形。