基于颗粒流的砂卵石隧道围岩变形机理研究

砂卵石围岩可视为离散颗粒的集合,颗粒微观的力学参数会影响到宏观中围岩的物理力学参数,导致力学行为的变化。为解决松散砂卵石地层隧道在施工开挖过程中硐室变形量大、局部漏砂严重且支护体破坏严重的难题,基于颗粒流离散元理论并结合现场实测,分析研究了砂卵石地层侧边竖直临空面及底部水平临空面的自稳能力,并进一步模拟研究砂卵石地层圆形洞室开挖及支护过程的颗粒流响应特征。结果表明,推荐砂卵石地层开挖形成的侧边竖直临空面高度应小于2m,并在2h内施作完成支护结构;当底部临空面孔径超过1cm后,砂卵石地层完全失去自稳能力,应封堵临空面,防止持续漏砂;推荐拱部施作超前支护并采用5m开挖高度,可使超前支护应力最小且不发生破坏,拱顶沉降和地表沉降均为最小。     

砂卵石地层地下水对盾构隧道影响的离散元流固耦合分析

为探明砂卵石地层中地下水对盾构隧道衬砌上的土压力以及地层变形的影响,以成都地铁2号线为依托,采用颗粒流方法,从细观角度模拟分析地下水对盾构隧道衬砌荷载分布以及地层扰动的规律,研究盾构隧道动态施工过程中及后期稳定后的水、土压力分布。研究表明： 考虑地下水工况时的衬砌荷载小于不考虑地下水的工况,开挖后地下水位越高,衬砌荷载越小;地下水分布影响隧道开挖后洞周应力重分布,拱顶处受到的影响最大,拱肩处受到的影响最小;盾构隧道开挖后,拱顶上方存在一定范围的松动区,在松动区上方一定范围形成坍落拱,起到承载作用,同时将上方土荷载有效地传递到洞周两侧。考虑地下水时,由于有效应力减小,地层变形相应减小,地层受盾构施工扰动的影响减弱。     

砂卵石地层隧道洞内短管棚支护开挖技术应用研究

砂卵石地层自稳能力极差,采用常规管棚施做时开挖工作腔室难度大,造成隧道开挖、支护困难,因而砂卵石地层隧道施工的重点和难点集中在超前支护方法与钻孔工艺。以青海海东循-隆高速公路穿越公伯峡砂卵石地层隧道为工程背景,针对松散砂卵石隧道在开挖过程中极易坍塌和漏砂的技术难题,在常规的管棚支护加固基础上,创新提出砂卵石地层条件下洞内密排短管棚超前支护施工技术,经现场应用支护开挖效果显著,保证了隧道的顺利贯通。本文重点阐述了砂卵石地层隧道洞内短管棚支护开挖技术的施工工艺及关键技术,对后续类似隧道的施工具有重要借鉴意义。     

砂卵石地层隧道塌方机理及处治技术研究

松散砂卵石地层自稳能力极差,隧道开挖过程中塌方频发,亟待明确塌方的发生机理并提出有效的处治技术。以青海海东循~隆高速公路穿越公伯峡砂卵石地层隧道为工程背景,基于砂卵石地层隧道塌方的影响因素及地层失稳模式的分析研究,明确了砂卵石隧道塌方产生机理,提出洞内塌方综合处治技术,并结合现场监控量测数据对处治效果进行评价。研究表明,塌方的产生是多因素共同作用的结果,地质因素为主要因素,设计因素、施工因素在某种程度上促成了塌方的产生;砂卵石地层塌方机理属松散介质垮落型,失稳模式为重力坍塌破坏;结合现场监控量测数据,"密排短管棚、三台阶预留核心土+锁脚锚管、注浆回填、洞内临时支撑"防塌方综合处治技术应用效果显著。研究成果可为类似工程的设计和施工提供科学的理论依据,具有重要的参考价值。     

砂卵石地层中复合式土压平衡盾构掘进参数及地层变形规律研究

依托兰州城市轨道交通1号线某区间试验段工程,对砂卵石地层中双洞地铁隧道盾构选型和地层变形进行研究。引入盾构扭矩和推力的数学计算模型,计算结果应用于现场工程施工和有限元三维数值模拟中,分析了双洞隧道先后施工时,地层沉降槽的范围、特征、变化规律以及开挖引起的横向和纵向水平方向上地层位移影响范围和影响规律。结果表明： 1）越接近地表,隧道先后开挖对沉降槽的扰动效应越弱; 2）由两隧道同向先后施工引起的地层最终沉降槽非对称特征明显; 3）水平向地层的扰动效应叠加,地层易出现剪切变形,需采取必要防护措施; 4）现场监测结果与数值模拟结果基本一致,证明所采取的施工工法合理,施工沉降总体控制效果良好。     

基于地层损失的盾构隧道土压力非线性解析方法

针对盾构隧道结构在层状不均匀地层中承受的土压力荷载问题,根据调用强度设计(MSD)原理考虑土体非线性硬化特征,并采用Peck公式对应的土体位移场模式,提出施工不排水条件下盾构隧道结构周围土压力与开挖致地层位移势能的平衡方程,建立改进的隧道结构土压力非线性计算模型,并得到隧道上覆土体为均匀地层和层状不均匀地层2种工况下土压力荷载与地层损失率之间的非线性相关关系。将该计算方法应用于上海地区地铁隧道的土压力荷载计算,详细分析了应力释放系数与地层损失率之间的非线性相关关系,对均匀地层条件下不同的隧道覆土深度、土体强度、土体卸载模量以及侧压力系数进行了参数分析,并对上覆双层地层条件下不同的地层相对刚度、地层相对强度以及双层地层的相对空间位置关系进行了参数分析。结果表明:隧道开挖导致的地层损失对土压力荷载的计算结果具有显著影响,地层应力释放系数随地层损失率的增长呈现较为明显的非线性特征;在均匀地层中,地层刚度对土压力-应力释放系数非线性曲线的影响较为显著;在层状不均匀地层中,地层相对厚度及地层相对位置对土压力-应力释放系数非线性曲线的影响同样十分显著。     

小净距隧道穿越岩堆体综合加固方案效果分析

山区隧道穿越岩堆体时,开挖扰动易导致上覆岩堆体产生局部或整体性的失稳破坏,引起工程地质灾害。以某穿越岩堆体的小净距隧道为工程背景,采用FLAC 3D软件进行数值仿真计算,对无加固措施、仅在上覆岩堆体注浆加固和岩堆体注浆结合锚索支护双重加固等3种工况进行模拟计算,对比分析了岩堆体表面变形、隧道内拱顶沉降以及隧道上覆围岩沉降变形趋势,评估不同加固方案的实施效果。结果表明：地层注浆对控制隧道内的拱顶沉降具有较好的效果;锚索支护结合地层注浆综合加固方案可有效抑制岩堆体在隧道开挖扰动下的变形,有助于提升岩堆体的稳定性。综合加固方案可以较好地解决小净距隧道穿越岩堆体诱发的工程问题,可为类似工程提供一定的参考。     

立交隧道相互作用三维数值模拟与实测对比研究

以温福铁路琯头岭隧道下穿同三高速公路隧道为例,研究新建下穿隧道与既有隧道工程之间相互影响的问题。采用ANSYS有限元软件,模拟上覆公路隧道和下穿铁路隧道的位移和应力变化情况,并与现场监控量测结果对比,得到以下结果:下穿隧道拱顶沉降量较小,水平收敛值较大,下穿隧道立交段拱腰和边墙是需要重点支护的对象;上覆隧道在立交段下沉值变大,变化幅度为仰拱边墙拱腰拱顶,隧道中部和下部水平收敛值变化较大;受下穿隧道开挖影响,立交隧道上覆地层受力产生不均匀变化,造成扭矩存在,地面水平位移整体呈现"8"字形,立交隧道的建设对地层产生了较大的转动扰动。     

砂卵石地层中公路隧道围岩变形及破坏特征研究

公路隧道围岩的变形及破坏是影响公路工程安全的重要因素。针对砂卵石地层中公路隧道围岩的变形特性,理论上分析了其形成的原因和破坏的机理。其次,结合有限元模型分析了不同含水率的砂卵石地层对隧道围岩的变形影响。研究表明:随着隧道的开挖,隧道围岩会逐步的向隧道四周入侵,最终隧道的拱顶会形成塌落拱;砂卵石地层的含水率的增加,隧道围岩塌落拱的高度也在增加,天然含水率、4%含水率、6%含水率和饱和含水率的塌落拱高度分别为2. 3、2. 8、5. 3和8. 3 m。说明隧道在开挖的过程中,隧道围岩的侵入程度与含水率呈正相关。     

松散地层隧道支护体系的力学特性

为明确松散砂卵石地层隧道支护体系力学特性,以青海循隆高速公路穿越公伯峡砂卵石地层隧道为工程实例,研究了砂卵石隧道初期支护刚度、强度的影响特征及二次衬砌施作时机的力学影响特点。通过研究隧道支护体系的力学行为,提出砂卵石隧道初期支护建议参数,明确了支护拱顶沉降、衬砌应力与二次衬砌施作时机的关系,可为砂卵石地层隧道及类似工程的支护设计提供参考。     

盾构刀盘形式对砂卵石地层扰动状态的影响

盾构刀盘形式的选择是砂卵石地层盾构掘进面临的关键问题。为解决这一问题,以兰州地铁1号线一期工程为背景,综合运用现场调查、实验室试验、三维离散元数值模拟、现场原位监测等方法,对砂卵石地层土压平衡盾构施工颗粒流动和地表沉降的机制进行了研究。1)通过室内大直径(300 mm)试样三轴压缩试验获得了砂卵石地层的应力-应变曲线,基于试验结果和EDEM离散元三轴数值试验,标定了离散元数值模拟需要的参数。2)基于Solidworks软件建立了面板式刀盘盾构和辐条式刀盘盾构三维机械模型。3)将盾构三维机械模型导入离散元软件EDEM中,建立了砂卵石地层盾构掘进过程的三维离散元模型;将模拟结果与现场监测数据对比,揭示了面板式刀盘和辐条式刀盘土压平衡盾构掘进对砂卵石地层扰动状态和地表沉降的影响机制。面板式刀盘土压平衡盾构掘进,刀盘前方、上方的"强烈扰动区"范围为(0.3~0.5)D(D为刀盘直径);辐条式刀盘土压平衡盾构掘进的"强烈扰动区"范围不足面板式刀盘的1/3,且扰动程度轻。     

浅埋无水砂卵石地层区间隧道台阶法开挖方案优化设计研究

本文主要利用理论分析和数值计算方法,研究浅埋无水砂卵石地层区间隧道的台阶法开挖方案优化设计,研究认为浅埋无水砂卵石地层隧道应采取短台阶开挖,以加快支护环的封闭。同时应减小土体一次暴露的长度,减少一次开挖量和出渣量,缩短开挖与支护的衔接时间。     

砂卵石地层台阶法施工隧道围岩-支护结构应力应变特性三维离散元分析

为了解砂卵石地层隧道围岩和支护结构的应力应变特性，以青海循隆高速公伯峡隧道为依托，借助PFC3D离散元软件对公伯峡隧道穿越砂卵石地层进行三维模拟，重点研究以密排短管棚预支护为根本前提，以三台阶预留核心土为施工方法的砂卵石地层围岩和支护结构的应力应变特性，并与现场实测进行对比分析。研究结果表明： 隧道台阶开挖时，围岩应力集中范围逐渐从拱顶过渡到拱腰，直到拱脚，对应的塑性区范围不断扩大，且密排短管棚对塑性区的发展有一定的“遮拦效应”； 围岩横纵向变形规律一致，主要是向隧道临空面产生收敛变形，且密排短管棚形成的梁拱效应限制了掌子面前方位移发展； 2种方法得到的初期支护变形规律一致，均呈阶段性变化，拱顶下沉累计值大于周边收敛累计值，且两者的最终变形量均满足规范限值要求。     

砂土地层中隧道施工引起土层沉降的颗粒流模拟研究

为研究隧道施工条件下土层的沉降规律,利用离散元软件PFC2D,建立隧道-土体颗粒流数值模型,模拟砂土地层隧道施工过程中的土层沉降。研究结果表明： 通过设计,颗粒流方法可有效模拟隧道施工的开挖问题;土拱效应的发挥程度与地层损失率成正比,同时土层剪应变率呈现由隧道中轴线向两侧逐渐减小、由深层向浅层逐渐展开的分布规律。分析结果可为工程实践中分析砂土地层隧道施工引起的土体沉降规律提供理论依据。     

富水砂卵石地层中超近距离盾构下穿既有运营隧道加固方案研究

以长沙地铁4号线溁湾镇站-湖南师大站区间在富水砂卵石地层中超近距离盾构下穿既有运营2号线区间为工程背景,采用Midas/GTS岩土有限元分析软件,对比分析了地层不加固、超前管棚加固、地表注浆加固、运营隧道内加内箍支撑及MJS工法加固等多种方案对既有运营隧道的影响。由于水文地质条件的复杂性、施工过程的不确定性、砂卵石层容易受到扰动、既有运营隧道对变形要求极高等特点,综合比选后采用盾构施工前MJS工法加固措施,确保盾构施工及运营线路安全。研究结果及现场施工表明,在富水砂卵石地层中超近距离盾构下穿既有运营隧道,采用MJS工法加固措施是极为必要且合理可行的。     

砂卵石隧道施工力学效应数值分析

为了研究砂卵石隧道施工过程中支护结构的受力特征,本文借助数值模拟手段,对砂卵石地层隧道力学效应进行了详细分析。研究发现:(1)初期支护在施工过程中出现了应力集中,拉应力集中主要发生在拱顶、拱腰位置;压应力集中主要发生在拱脚、拱顶和拱腰位置。(2)随着施工的推进,应力一直在积累增加,同时压应力和拉应力最大值出现的位置主要在拱脚和拱顶处。其中压应力最大值由拱顶到拱腰再到拱脚,即由上往下转移,并且在下台阶支护施做后,拱脚处压应力突然增大。     

盾构在砂卵石地层中掘进应用土体改良的技术

在成都砂卵石地层中进行盾构施工,由于砂卵石中卵石的强度很高,对盾构机刀盘、刀具的磨损相当大;同时由于砂卵石地层土质级配的不均匀,刀盘及土舱内结泥饼,螺旋机进土口的大颗粒卵石的骨架(骨架拱)效应,直接影响到土压平衡的有效建立,以致盾构在掘进过程中超挖,严重影响隧道沿线周边环境及施工进度。该文重点介绍了成都地铁1号线盾构1标区间隧道施工过程中采用的土体改良技术措施,从而消除了由于砂卵石地层的特殊性质造成的不利因素,保证了工程的顺利进行及周边环境的安全。     

垂直顶升施工上覆土层破坏形态的颗粒流模拟

上覆土层破坏形态合理理解与认识,对于垂直顶升法应用具有重要的意义。借助颗粒流程序二次开发,模拟管道垂直顶升施工过程,揭示垂直顶升过程上覆土层的破坏机理、范围及发展路径,与室内试验结果对比分析,研究上覆土深度对土层破坏的影响。分析结果表明:管道上覆土层剪切破坏面具有非线性特征,满足三次函数分布,既有成果假定破坏面沿特定倾角线性分布不足;上覆土顶部破坏范围2.97 D,显著大于经验取值范围(1.2~1.5)D,说明现有研究破坏范围取值不准确;垂直顶升施工上覆土经历挤压剪切→破坏开裂→裂隙延伸→破坏面贯通→裂隙扩展→形成上覆土柱→土层重分布→填充裂隙的过程;不同上覆土层深度对应的破坏特性相近,且随土层深度的增大,顶部破坏范围呈二次函数增大。     

上软下硬复合地层双线平行隧道施工影响分析

在隧道建设过程中会遇到上软下硬的复合地层,如何控制复合地层隧道开挖对围岩和地层变形的影响成为亟待解决的工程问题。青岛地铁十三号线(R3)二期工程在施工中,隧道穿越上覆地层以土层为主、下部以岩层为主的"上软下硬"复合地层。通过采用数值模拟和现场监测并反馈的方法对青岛地区"上软下硬"复合地层双线平行隧道围岩变形特征和地层移动规律进行研究。研究结果表明:隧道在穿越均一或复合地层时,围岩和地表会产生不同程度的变形;隧道围岩软硬岩比例越高,隧道拱顶下沉、隧道底板隆起和地表沉降量也越大,且以先行隧道拱顶沉降最为显著,在施工中应加以重视。这为双线平行隧道在上软下硬复合地层施工提供了一定的指导意义。     

浅覆土条件下盾构隧道同步注浆现场试验研究

盾构隧道不同覆土条件会造成隧道受荷体系的大小及分布形式发生改变,对软土地层超浅覆土下盾构隧道同步注浆作用机理的研究具有重要意义。结合沿海地区某盾构隧道工程实例,针对盾构法隧道超浅覆土同步注浆施工中面临的土层管片受力不均衡、受施工影响敏感性较强等问题,研制出一种新型同步注浆浆液。通过现场监测和理论分析等方法,研究了土压力及孔隙水压力与埋深及盾构开挖位置的关系,重点分析了超浅埋盾构隧道同步注浆施工过程中隧道周围地层土压力的分布模式及孔隙水压力的变化规律,并给出了超浅覆土段盾构同步注浆施工的合理注浆参数。研究成果可以为类似工程的设计与施工提供理论指导。