公路隧道上覆溶洞水压影响隧道稳定性的数值模拟研究

为了研究公路隧道上覆溶洞水压对隧道稳定性的影响,通过采用MIDAS GTS/NX数值模拟软件建立了在不同水压下的星子山隧道和上覆溶洞的三维数值模拟模型。以围岩应力、位移、塑性圈和孔隙水压力为研究对象,分析隧道围岩应力场分布、隧道拱圈的位移变化、围岩塑性区及孔隙水压力特征。结果表明:围岩的最大主应力呈左右对称分布,且溶洞水压对拱圈应力的影响不大;溶洞水压越大,隧道变形越剧烈;不同水压下,最危险开挖步骤和最小安全厚度基本保持不变。     

隧道上覆溶洞防突安全厚度预测系统及工程应用

为了研究上覆溶洞与隧道间防突安全厚度,采用FLAC~(3D)建立了一系列上覆溶洞的隧道模型,模型中选择溶洞距离、溶洞大小、溶洞水压、隧道埋深、围岩级别作为工况因素。利用数值分析方法,揭示了不同工况下隧道开挖过程中上覆溶洞与隧道间单元塑性破坏直至贯通现象,并以塑形区贯通时溶洞与隧道间最短直线距离为防突安全厚度。基于不同工况下防突安全厚度数值计算结果,利用回归理论建立防突安全厚度预测模型,并形成一套基于VC++开发平台的防突安全厚度预测软件系统。该软件将理论和数据样本界面化,可实现对理论与繁琐计算的可视化操作。软件系统应用到翻坝高速鸡公岭隧道,结果表明,软件预测安全厚度与实际开挖有较好的吻合,以期为相似隧道工程提供一定的参考。     

不同位置充水溶洞对隧道开挖临界拱圈影响的数值分析

为揭示不同空间位置溶洞对隧道开挖拱圈的受力情况及危险程度,采用数值模拟方法,建立了分布于隧道拱顶、拱腰、边墙、拱脚及拱底的5种充水溶洞模型,在渗流模式下进行耦合收敛计算。在每一种工况下,采用全断面法模拟隧道开挖,随着开挖步的推进,溶洞与隧道间围岩逐渐达到塑性区贯通,以此时的隧道开挖拱圈为临界拱圈,并在临界拱圈均匀设置孔隙水压力监测点,分别提取各监测点在模型渗流平衡状态与开挖至临界拱圈时的孔隙水压力,计算两者孔隙水压力相对变化率。根据风险等级,将孔隙水压力相对变化率划分为红、橙、黄三级范围,最终基于数值计算结果可确定各工况的临界拱圈危险分区。该研究成果可用以指导隧道在不同空间溶洞下的合理施工和安全措施布控。     

侧部水压充填型岩溶隧道围岩变形特征分析

结合宜万铁路大支坪隧道施工,利用FLAC如软件对侧部水压充填型岩溶隧道施工过程中的围岩变形特征进行了数值模拟研究,并与现场实测结果进行比较。计算及监测结果表明：隧道开挖后,靠近溶洞的隧道右侧向内水平位移,远大于远离溶洞的隧道左侧的水平位移,是最有可能发生围岩突水失稳的区域。     

大型三维地质力学模型试验系统研制及其应用研究

为研究泥灰岩隧道开挖诱发突涌水灾害机制及信息演化规律，以兰州至海口国家高速公路秦峪隧道为工程依托，研制泥灰岩隧道围岩相似材料，研发大型隧道突涌水三维地质力学模型试验系统。该系统可实现低频周期循环加卸载、数据自动化采集，可提供稳定水压加载，基于Python编程语言开发了隧道突涌水灾害预警系统，在此基础上开展泥灰岩隧道突涌水灾害演化过程模型试验。研究结果表明： 1）隧道开挖扰动会破坏围岩压力与渗透水压力之间的平衡，致使隔水围岩内产生微裂隙并扩展贯通，进而发生突涌水现象； 2）当发生突涌水现象时，隔水围岩压力、渗透水压力及位移均会发生明显的突变现象，围岩压力及渗透水压力最大释放率分别为18.6%、73.35%，最大位移量为0.18 mm； 3）泥灰岩相似材料能够较好地满足试验需求，证明了隧道突涌水三维地质力学模型试验系统的稳定性及可靠性。     

隧道上部充水溶洞对围岩稳定性影响的数值模拟

基于隧道上方存在充水溶洞时容易对开挖造成很高的风险性,因此要预留一定的安全岩墙确保施工安全.通过数值模拟对比分析了隧道顶部正侧和上方侧向存在充水溶洞时对隧道开挖围岩稳定性的影响,计算结果表明:在自重应力作用下,隧道开挖后塑性区与充水溶洞塑性区贯通后易造成隧道涌水塌方;当隧道顶部和侧向存在充水溶洞时,如果洞径比小于1.0,建议安全岩墙的厚度应分别至少预留0.8倍隧道洞径和1.0倍隧道洞径;而洞径比大于1.0时,则安全岩墙厚度应分别至少大于1.0倍隧道洞径和1.2倍隧道洞径.     

富水断层带隧道突水临界安全厚度预测公式研究

为预防富水断层带隧道突涌灾害,需要确定隧道突水临界安全厚度。采用数值模拟和工程验证的方法,建立考虑围岩力学和渗流参数、隧道参数和断层带参数的数值模型,并在标准工况基础上进行各因素的多水平数值试验,分析各因素对临界安全厚度的影响规律,基于多元线性回归分析建立多因素预测公式,通过6个工程实例对公式进行验证。研究结果表明:断层带围岩参数(泊松比、渗透系数和孔隙比)及普通围岩泊松比对临界安全厚度影响较小,水压、埋深、断层带厚度、隧道洞径、断层带围岩弹性模量、普通围岩参数(弹性模量和孔隙比)与临界安全厚度正相关,断层带走向及倾角、普通围岩参数(重度、内摩擦角、黏聚力和孔隙比)和断层带围岩参数(重度、内摩擦角和黏聚力)与临界安全厚度负相关;预测公式与数值模拟结果相差较小,预测公式计算结果与工程实际较符合,具有一定的工程参考价值。     

基于离散单元法隧道开挖裂隙扩张及渗流特性预测

德江隧道穿越石朝向斜轴部,上覆岩溶地下水发育,顶板最小厚度45 m,隧道开挖可能会导致隧道顶板裂隙扩张及渗透性增大,将对隧道顶板隔水能力及隧道涌突水产生巨大影响,采用二维离散元数值模拟软件UDEC模拟德江隧道开挖裂隙扩张规律、渗流场分布及涌突水特征。研究得到:(1)德江隧道开挖将导致隧道拱顶以上50 m内裂隙扩张,渗透性增大;(2)数值模拟得到隧道开挖后最大涌水压力为0.25 MPa,最大流量为0.035 m~3/s,最大值均出现在拱顶,但远小于2.1 MPa汛季水头值,所以顶板仍然具有隔水能力,不会发生突水;(3)隧道开挖将经历应力重分布及裂隙扩张阶段、流固耦合作用阶段、隧道涌水3个阶段;(4)耦合算法模拟汛季开挖、枯季开挖隧道的拱顶位移值均比不考虑地下水的非耦合算法模拟位移值3.2cm大,说明渗流对围岩稳定性具有很大影响。     

不同溶洞条件对大跨隧道开挖影响敏感性分析

该文以江西萍莲高速公路莲花隧道为工程背景,首先通过数值模拟软件建立大跨隧道在不同溶洞条件下的开挖模型,分析Ⅳ级围岩段某典型断面溶洞在不同位置、不同距离和不同扁平率3种条件下,大跨隧道开挖时地表沉降和拱顶沉降的发展变化规律,获取某典型断面隧道拱顶沉降和地表沉降的累积值,然后构建溶洞在3种水平条件下隧道围岩稳定性的正交试验模型,进行不同溶洞条件对大跨隧道开挖影响敏感性分析。研究结果表明:在不同溶洞条件下,溶洞位置是影响隧道开挖围岩稳定性的主要因素,其次是溶洞离隧道的距离和扁平率大小。     

岩溶隧道溶洞顶板安全厚度预测模型

以某岩溶隧道为背景,采用二维弹塑性有限元方法对隧道开挖进行数值模拟计算,分析了隧道底部溶洞顶板安全厚度的影响因素,研究了各影响因素与安全厚度的相关变化规律,并用多元线性回归的方法得出了一个能综合体现各影响因素的溶洞顶板安全厚度预测模型,以此确定顶板的最小安全厚度,从而为岩溶隧道设计施工提供一定的科学依据和指导.     

洞壁厚度和水压对公路隧道施工突水的影响

为了避免突水事件的发生,并保证隧道施工安全,采用有限元法,对不同溶洞条件下公路隧道的施工过程进行了数值模拟分析,结果表明:在隧道施工中,溶洞洞壁的厚度和溶洞内水压力的大小是引起岩溶突水的关键因素。     

岩溶隧道断续节理掌子面突水判据及灾变过程

为了给岩溶区隧道掌子面突水灾害的预警与防治提供理论支持,针对岩溶隧道掌子面断续节理防突岩体,从断裂力学角度分析了地应力和岩溶水压力等自然营造力作用下断续裂纹的压剪起裂属性以及分支裂纹尖端应力强度因子随水压和支裂纹扩展长度的变化规律,推导了断续节理岩体发生轴向张拉贯通破坏突水的临界水压力。运用两带理论和推导的临界水压力公式,建立了基于最小安全厚度的岩溶隧道掌子面断续节理防突层失稳突水判据,并分析了掌子面前伏岩溶水压力、断续主裂纹长度、断续裂纹排距及裂纹与最大主应力夹角等对防突层最小安全厚度的影响规律。采用可考虑流固耦合效应和岩体结构特征的三维离散元数值分析方法,研究了岩溶隧道近接前方高压富水溶腔顺序开挖中掌子面防突层岩体位移场、渗流场等演化规律及其临突特征。数值模拟结果表明：随着岩溶掌子面的不断推进,掌子面防突层岩体挤出位移逐渐由单一卸荷引起向卸荷和前伏岩溶水压共同影响过渡;掌子面各测点位移及位移增加幅度均持续增大;掌子面挤出位移和掌子面水流速度在突水通道即将形成时出现激增和突升现象,具有明显的突水前兆特征。     

顶部存在隐伏溶洞的深埋隧道安全系数研究

目前,大多数岩溶隧道围岩稳定性研究是基于Mohr-Coloumb线性破坏准则进行的,而Mohr-Coloumb破坏准则并不能较好地体现岩体的非线性破坏特征。文中利用有限差分软件FLAC~(3D)模拟岩溶地区深埋隧道的开挖过程,调用Hoek-Brown本构模型,得到Hoek-Brown非线性破坏准则作用下岩溶隧道围岩安全系数的数值解,并对不同参数作用下围岩安全系数的变化规律进行分析。结果表明,顶部存在隐伏溶洞的深埋隧道围岩安全系数随隧道支护力、围岩抗压强度、地质强度指标GSI及m_i的增大而增大,随溶腔压力的增大而减小。     

岩溶隧道掘进时地下附属结构的监测分析

岩溶地区修建公路隧道时,把溶洞的处理和施工监测工作放在首要位置,准确掌握围岩沉降、收敛规律以及支护压力的变化,便于及时调整支护和施工参数。针对隧道穿过特大溶洞边墙的情况,采取上下台阶法施工并施做了支顶结构和临时支撑墙确保在隧道开挖过程中围岩的稳定性及施工安全。通过对白须公特大溶洞隧道的溶洞支顶结构的应力应变以及老虎嘴处临时支撑结构承受上部围岩压力在施工过程时间变化特性分析,探讨不同的隧道开挖方式对围岩的扰动影响,并分析了地下附属结构物的回应。通过对结构物的监测分析可以看出:溶洞对支顶结构的影响主要表现为水平推力,竖直压力较小;老虎嘴上部岩层中软弱夹层对围岩整体稳定影响较小,没有产生过大松动压力。     

岩溶隧道风险等级模糊综合评价

为了获得已探明有溶洞存在时的隧道发生涌水突泥的风险等级,针对叙大铁路有溶洞存在的中坝隧道,选取了针对性的指标体系:溶洞规模,建立了相应的模糊综合评价模型,并采用层次分析法计算各项风险指标的权重,从而得出在有溶洞存在时这一特定条件下,隧道发生涌水突泥风险级别。     

中梁山隧道涌水综合治理技术

针对中梁山隧道K27+227~+248区段侧壁围岩破碎出现较大涌水问题,通过水文地质分析,采用瞬变电磁和探地雷达相结合的物探方法,深入分析涌水区段的涌水水源及补给通道,提出深部引流、浅层加固和深部帷幕封堵的综合治理方法。针对不同治理阶段特点,选定合适的注浆材料,取得了较好的治理效果。通过围岩变形实时监测及数值模拟分析,确定了注浆工程中围岩变形规律及其主控因素,避免了水压升高和注浆压力对围岩造成破坏,保证了注浆过程中围岩具有良好的稳定性,并成功封堵了隧道涌水。     

盾构隧道开挖引起地表固结沉降的数值模拟

ANSYS12.0中的Cpt215单元在Solid45单元的基础上,加入了节点水压自由度,使得土体渗透问题可以脱离传统的热量传递问题直接进行数值模拟。Biot从连续介质的基本方程出发,推导出了能准确反映孔隙水压力消散与土体骨架变形相互关系的三维固结方程。基于Biot三维固结理论,利用ANSYS12.0的CPT215单元,对盾构隧道开挖引起的超孔隙水压力的消散过程进行数值模拟,并研究由于超孔隙水压力消散引起的地表固结沉降。基于上海地铁2号线的开挖,将数值模拟的结果与实际监测到的规律进行比较(包括超孔隙水压力的消散过程和地表固结沉降历程),对超孔隙水压力区域数值、消散过程、地表固结沉降历程等进行分析。     

隐覆溶洞对地铁盾构隧道稳定性影响的数值分析

为研究岩溶区隐覆溶洞对盾构地铁隧道区间稳定性的影响，依托位于高原岩溶发育区昆明轨道交通4号线联大街站—吴家营站区间盾构地铁隧道工程，应用物探钻孔法和电磁波CT法勘探盾构地铁隧道区间的溶洞分布； 采用三维有限元数值分析方法，分别研究盾构隧道不同埋深时隧道下侧溶洞对隧道稳定性的影响，以及隧道周边溶洞半径、溶洞填充状态、溶洞位置、溶洞隧道间距对盾构隧道开挖稳定性的影响，分析岩溶发育区盾构法地铁隧道施工过程中隧道结构的稳定性。研究结果表明： 1）综合应用钻孔法和电磁波CT法，可较好地判断岩溶强发育区内的溶洞分布； 2）当隧道周边溶洞尺寸和位置不变时，盾构隧道围岩塑性区和变形量随溶洞埋深的增大而增大； 3）当隧道周边溶洞半径增大时，溶洞与隧道围岩间的应力集中区域变得分散，盾构隧道围岩变形量减小； 4）隧道周边溶洞内填充物及数量对盾构隧道围岩的变形量基本没有影响； 5）隧道周边溶洞位置对盾构隧道围岩变形的影响程度分别为盾构隧道围岩左、右侧的溶洞大于盾构隧道围岩下侧的溶洞，盾构隧道围岩下侧的溶洞大于盾构隧道围岩上侧的溶洞； 6）隧道周边溶洞仅在距隧道一定范围内才对盾构隧道施工稳定性有较大影响。     

岩溶地质环境下影响高速公路隧道溶洞稳定性的数值模拟

以四川某高速公路岩溶隧道为对象,在岩溶地质环境下,通过FLAC3 D软件,模拟了隧道溶洞稳定性数值。结果表明,隧道开挖后,当隧道与溶洞之间的距离比较远时,隧道底部围岩变形方向竖直向上,与之相反,隧道顶部围岩变形方向竖直向下,而隧道边墙围岩变形方向水平向内。当隧道底部存在溶洞时,溶洞与隧道底部周围形成应力释放区,拱腰附近形成应力增高区。在隧道施工时,要对隧道底板变形方向及大小密切关注。随溶洞半径的增大,应变值则减小,随着溶洞增大,溶洞周围应变出现增大的趋势,通过对比有无溶洞的应变,表明无溶洞应变分布较广,应变绝对值要小于有溶洞的值。     

考虑流-固耦合效应的异形盾构开挖面稳定性极限分析

为有效评估含水地层异形盾构隧道开挖面的稳定性,解决异形盾构隧道开挖面稳定性预测和控制等关键问题,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,研究了主动破坏模式下含水地层中异形盾构隧道开挖面发生失稳破坏的演化过程以及开挖面极限支护力的确定方法。运用FLAC3D有限差分软件,建立了考虑流-固耦合效应的异形盾构隧道开挖面主动破坏数值模型,通过FISH语言编程提取了异形隧道开挖面附近地层的孔隙水压分布。基于空间离散化技术和极限分析上限定理,采用线性插值方法计算了异形盾构隧道开挖面附近地层渗透力做功率,建立了含水地层考虑流-固耦合效应的异形盾构隧道开挖面稳定性分析模型,揭示了断面形状、地层参数、地下水位等因素对隧道开挖面极限支护力和三维破坏模式的影响规律。研究结果表明：流-固耦合情况下的地层孔隙水压力要明显大于单渗流情况下的孔隙水压力;隧道开挖面附近的孔隙水压力梯度明显大于其他区域;在同等工况下,矩形、五心马蹄形隧道开挖面的极限支护力相对较大,椭圆、三心马蹄形隧道开挖面的极限支护力相对较小;各断面形状下的隧道开挖面的极限支护力随黏聚力、内摩擦角和地下水位的增大而增大;随耦合时间的增大极限支护力先是不断增...