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。     

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。     

溶洞对隧道围岩稳定性影响的数值分析及应对措施

岩溶等不良地质情况的存在对隧道建设极易产生极大的安全隐患。为研究隧道上部既有溶洞对隧道围岩的影响,以霍永高速某隧道为工程依托,通过有限元计算软件MIDAS GTS建立起隧道结构与围岩的数值模型,着重研究了上部溶洞在不同位置及不同大小的情况下隧道衬砌的位移及应力变化特征。结果表明:溶洞对围岩位移产生了显著的影响,其中拱顶下沉的增幅最大;溶洞的半径越大,围岩所产生的变形也就越大;当溶洞半径R=2m时,随着溶洞距离的增大,剪应力并未发生任何实质性的变化;当距离L=2m时,随着溶洞半径的增大,剪应力逐渐增大。于此同时给出相应的应对策略,以降低施工及后期运营过程中的安全风险。     

薄基岩顶板隧道爆破施工围岩稳定性分析

为更有效地进行薄基岩顶板条件下隧道施工安全控制,以某高速公路隧道为工程背景,运用数值模拟的方法,分别研究不同顶板厚度下隧道爆破施工引起的围岩振速分布特征及其对围岩的损伤情况,并进行围岩稳定性分析。结果表明:1)当顶板厚度在5 m及以上时,围岩是稳定的;2)当顶板厚度为3 m时,最危险横断面上基岩顶板内开始产生严重的拉伸裂缝及一些径向裂缝,将形成超挖;3)当顶板厚度≤2 m时,径向裂缝贯穿顶板岩体,围岩稳定性较差,在掌子面后1 m内可能发生塌落、掉块等事故。     

隐伏岩溶洞群对公路隧道顶板承载力影响的研究

针对西南地区岩溶隧道的实际工程,开展了隐伏岩溶群对公路隧道顶板承载力影响的三维数值敏感性分析研究。经对岩溶顶板稳定性影响因素分析,选择溶洞顶板厚度、顶板岩体的工程地质特性(定量指标为岩体的力学参数)、溶洞的宽度、溶洞高度、上覆土层厚度为影响溶洞顶板稳定性的五个主要影响因素作为影响因子,进行正交敏感性数值试验。根据影响因素敏感度的正交三维有限元法分析结果得出,影响顶板承载力和顶板中心下沉位移大小顺序依次为:岩体力学参数、顶板岩层厚度、覆盖土层厚度、溶洞宽度、溶洞高度。     

隧道开挖流体-固体耦合分析在复杂断裂岩体中的应用

基于某隧道工程,通过建立模型,研究了隧道开挖流体-固体耦合分析在断裂岩体中的应用。结果表明,在左隧道开挖后,围岩应力分布特征改变明显,应力距离隧道边缘越远变化越小,在洞半径约6倍以外的岩体,应力分布特征恢复到初始应力状态。在隧道拱顶,有较大沉降位移产生,拱腰水平收敛位移较大,拱底隆起变形较大。位移离洞边缘越近,变形越大,离洞边缘越远变形越小,围岩位移基于隧道中线为对称轴呈对称分布。与应力场作用下的应力相比,耦合作用下临近隧道围岩的应力高出约0~2.4 MPa,拱底处的应力要高出0~0.89 MPa。在耦合作用下,隧道洞周位移要大于应力场下的位移,在地下水渗流过程中,应力场发生明显的变化。在渗流场和流固耦合作用下,隧道水头分布情况基本一致,渗流场受应力场影响较小。     

岩溶区运营公路隧道衬砌受力特性模型试验分析

岩溶区隧道的修建改变了原有地下水平衡,溶洞的存在会使水压力集中作用在隧道衬砌上产生集中应力,严重威胁到隧道的正常运营与安全。以广东省岩溶地区运营公路隧道为工程依托,基于室内隧道模型试验,研究岩溶区运营公路隧道在不同溶洞空间分布形态大小特征、不同节理倾角、强降雨条件下衬砌的受力特性,以隧道衬砌表面应变、孔压、土压力和衬砌周边围岩位移的试验测试数据为分析依据,得出结论:沿经过隧道衬砌中心位置走向为45°和135°的溶洞对隧道衬砌不良作用大;溶洞的直径对于隧道衬砌受力特性影响最小,其作用主要是通过与围岩节理面倾角和溶隧间距(溶洞与隧道)的组合来体现;溶洞与隧道距离约在该距离为1.5倍隧道直径时,隧道衬砌的安全性最差;围岩的节理面倾角对隧道衬砌安全性的影响较为复杂,主要表现为以围岩沿节理面方向运动发生的附加应力作用和地下水沿节理面渗流所发生的孔压调节作用。     

连拱隧道穿越大型溶槽动态施工力学分析

在岩溶地区隧道建设中,经常遇到溶槽、溶管、溶洞等岩溶地质问题.目前对隧道穿越溶槽时围岩的变形特征及其稳定性研究较少.结合岩溶地区某连拱隧道穿越大型溶槽的施工过程开展岩石力学试验和隧道动态施工力学三维模拟,对连拱隧道围岩位移、应力、塑性区特征进行分析和评价,为岩溶地区连拱隧道围岩稳定性分析和溶槽处治方案设计提供依据.     

考虑溶洞空间形态的路基岩溶顶板稳定性分析方法

岩溶路基随岩溶地区交通工程建设的快速发展而越来越普遍,如何评价岩溶路基稳定性成为岩溶区路基设计与施工的关键问题之一。针对目前路基岩溶顶板稳定性分析的不完善性,考虑溶洞形成过程中岩溶顶板所具有的空间形态特征,首先,将路基下伏岩溶顶板简化为固支梁、抛物线拱、圆拱与固支双向板等承载模型,以此进行路基岩溶顶板稳定性分析,并采用结构力学分析理论分别建立不同模型的路基岩溶顶板抗弯最小安全厚度计算方法;其次,通过典型案例的影响因素敏感性分析,揭示岩溶顶板最小安全厚度随溶洞顶板矢高、跨度、岩石抗拉强度与上覆荷载的变化规律,探讨路基岩溶顶板破坏模式的控制性因素及其影响规律,确定岩溶路基稳定性分析的基本原则;然后,基于岩溶地区地质勘察信息提出路基岩溶顶板稳定性分析过程,建立考虑溶洞空间形态特征的路基岩溶顶板稳定性分析方法;最后,通过工程实例计算分析验证所提方法确定的路基岩溶顶板稳定性评价结果的合理性与有效性。研究结果表明：岩溶顶板按何种模式破坏不仅与破坏形式有关,还与溶洞形态及其矢高密切相关,石灰岩抗拉强度同样影响较大,工程设计与稳定性评价时应基于勘测数据分析各种破坏模式,以便使设计或评价结果更接近实际情况。     

基于PFC的岩溶空洞稳定性数值模拟分析

利用离散元软件PFC2D对岩溶隧道开挖前后的岩溶空洞进行了数值模拟,接触模型选用平行黏结模型,分析了岩溶空洞分别位于隧道上方、下方、右侧、斜上方45°、斜下方45°工况时由于隧道开挖而引起的地层变形对岩溶空洞稳定性的影响,直观地描述了岩溶空洞失稳破坏现象,分析结果表明:岩溶空洞位于隧道上方和下方时,空洞拱顶首先出现岩土体松动并塌落,拱底岩土体出现松动但在重力和上方塌落土体的作用下未发生移动;位于其他位置时,靠近隧道一侧的空洞围岩变形比远离隧道一侧的空洞围岩变形大;隧道与岩溶空洞间的围岩由于应力集中易产生过大变形和岩土体破坏,对空洞稳定性影响较大。研究岩溶空洞的稳定性及失稳破坏的演变过程,为岩溶隧道的设计和施工提供借鉴与参考。     

连拱隧道穿越大型溶槽动态施工力学分析

在岩溶地区隧道建设中,经常遇到溶槽、溶管、溶洞等岩溶地质问题。目前对隧道穿越溶槽时围岩的变形特征及其稳定性研究较少。本文结合岩溶地区某连拱隧道穿越大型溶槽的施工过程开展了岩石力学试验和隧道动态施工力学三维模拟,对连拱隧道围岩位移、应力、塑性区特征进行进行了分析和评价,为岩溶地区连拱隧道围岩稳定性分析和溶槽处治方案设计提供依据。     

华蓥山隧道侧部采空区安全距离研究

以华蓥山高速公路隧道为研究对象,采用FLAC3D有限差分软件进行三维建模,分析距隧道不同距离的侧部采空区对隧道的影响,以此研究隧道侧穿采空区的安全距离。研究结果表明:随着采空区与隧道间的距离的不断增大,隧道主要特征位置的位移值均有不同程度的减小,最终趋于无采空区状态时的位移;隧道与相邻采空区之间的围岩是最容易破坏的区域;隧道侧穿采空区的安全距离大约为隧道跨度的1.5倍。     

沪昆客专麻拉寨隧道岩溶发育规律及突水原因探析

针对麻拉寨隧道水害,通过对地层岩性、地质构造、地形条件等岩溶发育控制因素的分析,推断出该段岩溶发育具有方向性,岩溶洼地、槽谷、落水洞主要分布在断层延伸方向700~1 300 m,垂直断层方向500 m以内,即地质构造控制该段岩溶发育的方向性;从隧道开挖改变地下水通道、施工期间历次降雨考验、岩溶通道的贯通性、强降雨引起水压变化等方面,分析了隧道涌突水发生的原因,主要是强降雨时其泄水能力严重不足而造成高水头,在隧底中心水沟及边墙脚等薄弱部位产生劈裂破坏突水。     

考虑溶洞空间形态的岩溶桩基稳定性分析方法

岩溶桩基的应用随岩溶地区交通工程建设的快速发展而越来越普遍,如何评价桩端岩溶顶板稳定性成为岩溶桩基设计的关键问题之一,针对目前桩端岩溶顶板稳定性分析平面假设的不完善性,考虑溶蚀作用形成的溶洞所具有的空间形态特征进行岩溶桩基稳定性分析。首先,将基桩作用下的岩溶顶板分别简化为固支梁、抛物线拱、圆拱与固支双向板等承载模型,采用结构力学与双向板分析理论建立不同模型的桩端岩溶顶板抗弯最小安全厚度计算方法;其次,通过计算结果对比分析,揭示岩溶顶板最小安全厚度随矢高的变化规律;在分析岩溶顶板冲切破坏与剪切破坏形式的基础上,探讨桩端岩溶顶板破坏模式的控制因素及其影响规律,进而获得桩端荷载、石灰岩抗拉强度、溶洞跨度与矢高等因素对桩端岩溶顶板承载特性的影响规律;然后,基于溶洞钻孔探测所得地质勘查信息构建岩溶桩基稳定性分析流程,提出考虑溶洞空间形态特征的岩溶桩基稳定性分析方法;最后,通过工程案例具体分析桩端岩溶顶板最小安全厚度及其破坏模式随矢高的变化规律。研究结果表明：桩端岩溶顶板破坏模式不仅与溶洞跨度、桩径有关,而且与溶洞形态及其矢高也密切相关,此外,石灰岩抗拉强度对岩溶顶板稳定性的影响同样较大,详细全面的工程勘察资料能使桩端岩溶顶板稳定性分析结果更接近实际情况。     

杯型冻结壁不同杯身长度的数值分析

以某过江隧道东端头盾构始发工程为依托,在封门拆除这个最不利工况下对冻土帷幕及端头地层进行数值分析,对不同杯身长度冻土帷幕的位移场和应力场分布情况进行研究。主要得出:杯身基本不发生位移;地表离掌子面越近沉降量越大;纵向位移最大值均发生在暴露掌子面中心处;应力值均在设计强度范围之内,且有较多富余;杯身和杯底厚度均为2 m时,该工程杯身长度取3 m就可在强度和变形上满足要求,但为了止水,杯身长度宜为18 m。     

基于透明土的盾构隧道突水涌砂灾变发展试验研究

针对饱和砂土地层盾构隧道施工中的突水涌砂灾害问题，以上海市轨道交通某盾构区间为研究背景，将自主研制的灾变可视化试验模型与透明土技术相结合，对砂土地层隧道顶部结构破损灾变过程的土体流动形态、土颗粒位移速度场进行试验研究。结果表明： 1)盾构隧道突水涌砂灾害发生后，隧道裂隙孔口上方部分区域的土颗粒密实度减小，砂土发生剪切破坏。2)在灾变前期，土颗粒竖向位移场呈椭圆状等值线分布，颗粒位移速度随与隧道中心水平距离的增加而非线性地衰减，当隧道埋深为2D（D为隧道直径）时，水平向影响范围为3D。3)随着灾变的发展，土颗粒位移速度先增大后减小，涌入隧道内的砂水混合物中土颗粒的体积分数占比持续减少，最大程度地还原了隧道突水涌砂后期的灾变现象。     

全套管全回转钻桩基施工对运营地铁隧道的影响研究

为了优化近地铁段桩基施工技术,提高地铁隧道保护效果,采用监测涉地铁试桩工程施工过程引起的隧道水平变形和沉降位移变化的方法,并结合施工工况,分析不同净距、不同桩基类型下桩基施工引起的地铁变形特点。研究表明： 1)桩基施工距离地铁隧道净距5 m,采用全套管全回旋钻机施工时,对隧道水平收敛位移的影响大于沉降位移,全回转钻机施工过程中应注意取土时机及速度。2)桩基施工距离地铁隧道净距12 m,采用全回转半套管工艺施工时,对隧道沉降的影响大于水平收敛位移,套管长度需满足穿透承压水层。3)桩基施工距离地铁隧道净距为20 m时,可使用常规旋挖钻机施工; 隧道水平位移在施工过程中的变化规律为先向远离桩基的方向变化,之后随着取土回移; 隧道沉降位移的变化规律为先向下沉降,之后随着深度的增加逐渐平稳。     

岩溶尺寸及位置对隧道基底加载沉降的影响研究

建立了岩溶隧道概化模型,运用FLAC3D有限差分软件对隧道基底在加载过程中,不同尺寸及位置的全充填性溶洞的影响进行了数值研究。结果表明:溶洞尺寸和位置的影响存在界限值,岩溶顶板安全厚度为0.4倍隧道直径,岩溶上边界影响范围为1倍隧道直径,岩溶下边界影响范围为3倍隧道直径,岩溶左右边界影响范围为2倍隧道直径;当岩溶超过上述影响范围时,隧道设计、施工可不考虑溶洞影响。     

岩石地基中群桩基础对相邻车站隧道影响分析——以重庆地铁1号线七星岗站为例

桩基加载会造成周围土体的位移和应力变化,继而对邻近隧道的内力和位移造成影响,特别是在群桩基础的作用下,这种影响不可忽视。以岩质地基中大跨径车站隧道与群桩基础的相互影响为研究对象,采用有限元软件对群桩位于隧道顶板上方、隧道侧壁破裂面以下及隧道底板3种模型进行对比分析,重点比较桩基加载工况下隧道位移变化及衬砌内力变化。分析表明当桩基础荷载大,隧道洞跨大时,置于隧道顶板的桩基础会明显降低衬砌安全系数,使衬砌结构遭受破坏;通过数值模拟对比分析得出当桩基位于隧道侧墙破裂面以下,且临近隧道侧墙的桩基加长至隧道拱底标高时,能大大降低对隧道衬砌结构和位移的影响,并能确保运营隧道的结构安全。     

顶部充水溶洞隧道施工围岩位移特征分析

选取忠垫高速公路某岩溶隧道为研究对象,建立岩溶隧道三维实体模型,利用软件FLAC3D对拱顶部存在充水溶洞的隧道施工过程中的围岩位移特征进行数值模拟研究,并将数值计算结果与现场监测结果进行了比较分析。研究结果表明:隧道拱顶处围岩竖向位移最大、拱肩处次之;水平位移以边墙部为最大,拱肩处水平位移先向隧道内变形,后向隧道外变形。