基于现场实测的深埋风积沙隧道围岩压力计算方法研究

风积沙作为一种黏聚力低、自稳能力差的不稳定围岩,给隧道设计和施工带来很大困难。 为探究风积沙围岩压力大小和分 布规律,依托蒙华铁路王家湾隧道开展现场量测试验,根据实测的围岩压力分布特征,得到深埋风积沙隧道的围岩压力计算模式, 并通过数值计算分析与现场量测数据对比验证其合理性。 研究结果表明: 深埋风积沙地层围岩压力分布很不均匀,但普遍拱部较 小,初期支护大部分处于受压状态。 计算分析得深埋风积沙隧道围岩压力采用太沙基计算公式是较为合理的,进一步优化得深埋 风积沙隧道垂直方向围岩压力计算图示采用“双峰”形分布,水平方向围岩压力计算图示采用“阶梯”形分布,相比铁路隧道设计规 范的传统模式更安全,与实际衬砌受力状态更符合。     

蒙华铁路三荆段深埋软弱围岩隧道荷载研究

《铁路隧道设计规范》中的深埋围岩压力公式没有考虑隧道拱部围岩本身的承载作用以及超前预支护作用,荷载计算结果偏大。为验证深埋隧道初期支护结构实际承受的围岩压力荷载,以蒙华铁路三门峡至荆门段现场监测数据为依托,通过分析围岩变形监测资料,探讨蒙华铁路隧道围岩及结构在隧道开挖过程中的变形行为,并采用拱顶沉降与水平收敛相结合的位移反分析法,建立荷载-结构法平面有限元模型,反演推导围岩压力荷载。分析结果表明:双线隧道反分析得出的围岩荷载为同级别按规范计算值的70.7%~76.5%;单线隧道反分析得出的围岩荷载为同级别按规范计算值的88.8%~93.1%。研究成果对蒙华铁路隧道现场施工和优化支护结构设计起到了很好的指导作用,希望能对以后类似隧道工程的设计和施工提供参考。     

公路隧道围岩与支护结构稳定性研究

大断面公路隧道软弱围岩与支护结构稳定性问题一直倍受岩土工程界关注。采用室内三轴压缩试验方法获得隧道软岩峰值及峰后力学特性,以莫尔-库伦应变软化模型为基础,基于FLAC3D构建三维数值模型,计算隧道围岩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正确性。研究表明:经典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。提出的软弱围岩力学模型及围岩稳定性计算方法对工程实际具有一定指导作用。     

浅埋偏压隧道穿越松散堆积体支护结构受力特性分析

为探究浅埋隧道穿越松散斜坡堆积体时的偏压特性，基于雅康高速日地1号隧道，建立了精确的三维数值模型，运用FLAC3D进行了施工过程的力学分析，并开展了隧道支护结构体系力学行为的现场测试，对其洞口段穿越滑坡堆积体时的围岩变形机理与支护结构非对称受力特性进行了深入研究。结果表明:隧道周边围岩的变形具有显著的非对称特性。初期支护承受较大的荷载，最大围岩压力出现在深埋侧。与变形和围岩压力分布的情况相反，二次衬砌的最大轴力出现在浅埋侧。隧道二衬的安全系数较低，需要较长的时间才能稳定，为了确保隧道运营期间的安全，应适当增加二衬厚度。     

Q2黄土地层隧道深埋段台阶法支护参数研究

本文通过对Q2黄土地层隧道深埋段台阶法2种支护参数进行基于有限元理论的数值模拟计算,对两种支护参数条件下围岩变形大小及规律、支护结构受力特性进行了对比分析,并对Q2黄土地层隧道深埋段台阶法2种支护参数的合理性进行评价,可为黄土隧道支护参数的设计提供理论支撑。     

我国西南部山区隧道施工期支护结构力学行为特征案例分析

为研究我国西南部山区隧道施工期支护结构所面临的重大问题，将雅安—康定、汶川—马尔康高速公路的典型隧道作为案例，归纳总结施工期存在的高地应力、软弱围岩、断层破碎带、次生地质灾害等潜在危险源，通过现场实测数据深入分析不同危险源环境下支护结构体系的力学行为特征。研究结果表明： 1）当隧道穿越软弱围岩时，围岩强度低、自承载能力差，接触压力、钢拱架应力均显著高于普通围岩隧道，二次衬砌分摊荷载比例显著上升； 2）当隧道穿越断层破碎带时，支护结构受力需要较长时间才能稳定下来，其力学行为呈现出3阶段演化规律，前期快速降低、中期缓慢降低、后期基本稳定； 3）当隧道洞口穿越松散堆积体时，坡体稳定性易受到扰动，其支护结构力学行为具有显著的偏压特性，围岩压力主要集中在深埋侧； 4）高地应力与围岩强度联合控制着围岩稳定性与支护结构体系的力学行为，高地应力硬岩隧道也具有一定的流变时间效应，但由于硬质围岩的强度较大、稳定性较好，支护结构受力相对较小，安全储备较高； 5）高地应力软岩隧道的围岩压力与结构受力显著升高，其支护结构力学行为在施工期便呈现出明显的流变特性，开挖约200 d后，仍然保持着缓慢增长。     

地表水平及倾斜下隧道变形受力特性对比分析

地表倾斜是傍山隧道经常遇到的情况,给施工带来极大的困难。因此,基于有限元原理建立了地表水平和地表倾斜的两种模型,通过对比分析地表水平和地表倾斜情况下的围岩变形受力、围岩塑性区分布、支护结构受力情况,研究地表倾斜下隧道的变形受力特性。结果表明：地表倾斜下的围岩和支护结构受力均不关于隧道中心线对称,且围岩水平位移表现为顺坡方向,围岩应力在深埋侧左墙脚和浅埋侧右拱腰部位产生应力集中,深埋侧左墙脚和浅埋侧右拱腰弯矩增大明显,塑性区分布呈“不对称蝴蝶”形分布。     

浅埋偏压隧道施工工法研究与非对称设计优化

为探究偏压隧道的适宜工法并针对偏压特性对支护结构进行非对称优化,基于九绵高速福隆隧道,通过现场监测深浅埋侧非对称周边收敛与地表变形,建立三维山体隧道模型,进行不同工法围岩、支护结构受力变形比选分析以及初期支护厚度、锚杆长度与倾角的非对称优化设计。相关研究表明:1)现场监测发现,地表沉降与周边收敛非对称特性明显,随着离隧道正中距离的增大,深埋侧地表沉降较浅埋侧数值减小较慢。深埋侧上拱腰收敛数值最大且波动较大,浅埋侧下拱腰收敛增速较慢。2)偏压隧道较适宜工法为CD法,能有效控制围岩支护结构变形、锚杆应力、初期支护压应力以及塑性区分布。3)初期支护非对称优化结果为将浅埋侧初期支护厚度减小2cm,深埋侧增大2cm,能将二次衬砌拉应力控制在较小数值。4)锚杆长度非对称优化结果为将浅埋侧锚杆长度减小0.5m,深埋侧增大0.5m,使锚杆受力更为均匀并减小右上拱肩与左下拱脚的塑性区。初期支护应力在右上拱肩与左下拱脚处存在显著偏压,通过将右上拱肩处锚杆朝深埋侧倾斜能一定程度减小初期支护受力不均匀。     

机械化施工大断面高铁隧道围岩压力测试及分布特征研究

为了解机械化施工大断面隧道围岩压力的变化规律和分布特征,依托郑万高速铁路湖北段大型机械化施工隧道群,开展大量围岩压力现场监测,根据测试结果对Ⅳ级和Ⅴ级深埋条件下围岩压力变化规律和分布特征进行分析,并与规范荷载进行对比。结果表明： 1）围岩压力监测数据从21~27 d开始稳定; 2）实测围岩压力小于《铁路隧道设计规范》深埋隧道计算荷载; 3）Ⅳ级深埋条件下,侧压力系数为规范荷载侧压力系数的1.2~2.4倍; 4）Ⅴ级深埋条件下,侧压力系数为规范侧压力系数的0.86~1.43倍。     

考虑超前支护作用效应的围岩-支护相互作用机制研究

隧道支护结构参数的合理性设计是隧道建设安全经济性的重要保证,而围岩-支护相互作用机制是隧道支护结构设计的核心问题。基于开挖面空间效应的等效力学模型,引入超前支护对开挖面空间效应的影响,建立超前支护、隧道支护-围岩耦合作用模型,得到支护结构与围岩动态相互作用的全过程解析。通过计算实例分析,主要得到如下结论:1)从控制隧道围岩变形角度分析,超前支护、隧道支护均可有效控制隧道围岩变形,说明控制隧道围岩变形不仅要重视隧道支护结构的作用,同时也要考虑超前支护结构的作用; 2)当隧道围岩变形量控制到一定程度时,可通过同时调节超前支护参数和隧道支护参数来达到预期的变形控制效果。     

不同围岩和埋深条件下土-结构接触界面对衬砌结构横向地震响应特性的影响分析

土与地下结构在强震作用下易发生错动滑移,会对地下结构的抗震性能产生较大影响。为确保隧道的长期安全性,运用有限元分析方法研究不同围岩和埋深条件下土-结构接触面对盾构隧道衬砌结构横向地震响应特性的影响。结果表明： 1)随着土质条件的提高,无论土-结构接触界面有无考虑错动滑移情况,隧道衬砌结构的轴力极值均显著增大,而剪力和弯矩极值均显著减小,且由土-结构接触界面错动引起的隧道衬砌结构动内力变化幅度显著减小; 随着隧道埋深的增加,由土-结构接触界面错动引起的隧道衬砌结构动内力变化幅度逐渐减小。2)考虑土-结构接触界面错动滑移时,随着土质条件的提高和隧道埋深的增加,隧道衬砌各部位水平滑移量均逐渐减小。3)当隧道围岩条件较差或埋深较浅时,隧道衬砌结构的横截面抗震设计应充分考虑土-结构接触界面对隧道抗震性能的影响。     

深埋隧道注浆加固围岩非达西渗流场及应力场解析

深埋高水压地质环境下,隧道围岩内部往往伴随出现非达西高速渗流现象,且新奥法理念下的注浆加固围岩是隧道支护体系的重要部分,这2个因素对围岩内部渗流场及应力场的影响不可忽视。为此,建立含有注浆加固围岩的两场耦合解析模型,基于有效应力原理严格推导隧道围岩非达西渗流场及有效应力场解析解,通过与达西渗流的对比说明非达西渗流特征并验证解析解的有效性;根据解析理论对非达西渗流效应及注浆加固对围岩有效应力场的影响规律进行分析。研究结果表明:非达西渗流效应的主要影响范围为隧道开挖半径至3倍注浆半径内围岩,注浆加固范围内围岩有效应力相比达西渗流偏大,尤其是环向有效应力;注浆加固前后围岩力学和渗透性质发生改变,使得环向有效应力在加固边界处突变,指向隧道方向大幅增加,注浆范围内围岩有效应力随着加固后弹性模量的增大而升高,随着加固后渗透系数的减小而有所下降;针对需要严格控制排水量的隧道,注浆设计时建议优先降低注浆范围内围岩渗透系数,其次再适当加大注浆范围。研究结果可为深埋高水压隧道注浆加固设计提供理论依据。     

地质因素对隧道围岩松动圈的影响分析——以重庆某隧道为例

为了分析地质因素对隧道围岩松动圈的影响,以重庆某深埋特长隧道为工程背景,根据该隧道埋深和围岩级别多变等特点,运用数值模拟、正交试验和现场实测相结合的方法,研究该隧道围岩松动圈产生、发展和分布的规律。结果表明： 该隧道围岩的内摩擦角和黏聚力与松动圈大小呈负相关关系,侧压系数和埋深与松动圈大小呈正相关关系,且内摩擦角和埋深是影响该隧道围岩松动圈大小的主要因素。依据研究结果,可以确定该隧道不同地质条件下的围岩松动圈分布情况,及时优化支护参数,以指导隧道安全高效地施工。     

深埋隧道层状岩体破坏过程特征模型试验

针对深埋隧道层状岩体围岩变形破坏的复杂性,以渝沙高速公路共和隧道工程为背景,采用自行研制的弹脆性相似材料构筑层状岩体隧道物理模型,利用应变监测技术和内窥摄影技术,研究了层状岩体在不同荷载作用下围岩应力分布及变形破坏过程特征。结果表明：深部层状岩体受层理结构面的影响,围岩具有明显偏压特征;在沿层理面方向主要受到与其一致的应力挤压从而产生剪切破坏,垂直于层理方向的破坏呈X型裂纹且沿洞壁深部发展;掉落块体呈楔型体,隧道围岩破坏范围呈明显的不均现象;模型试验结果与现场测试结果基本一致,为理论分析深部层状岩体破坏机理提供了可靠的试验结果。     

基于BP神经网络的阿拉套山隧道围岩物理力学参数反演分析

为研究高寒地区设置中心深埋水沟单线铁路隧道的围岩力学参数问题,以兰新铁路新建博州支线阿拉套山隧道为工程背景,基于FLAC3D数值模拟软件联合MATLAB中的神经网络工具箱构建BP神经网络算法,建立隧道开挖位移正演和反演模型,对围岩物理力学参数作反演分析。通过对中心水沟开挖前的拱顶和拱腰监测数据做拟合分析,发现隧道变形已趋于稳定,反演过程不需考虑中心水沟开挖对围岩的二次扰动。以水沟开挖前的拱顶沉降值和拱腰收敛值作为输入函数,以围岩的体积弹性模量K、剪切弹性模量G、黏聚力c、内摩擦角φ、重度γ作为输出函数训练神经网络模型,利用训练好的模型进行所需参数的反演分析。将反演参数代入FLAC3D正演模型计算后,提取中心水沟开挖前的拱顶沉降值和拱腰收敛值,与中心深埋水沟开挖前的实际监控量测值相比较为接近。结果证明,围岩物理力学参数的反演较为合理,对于变形的预测较为准确,可为隧道后期工程的施工和优化设计提供参考。     

高速铁路隧道结构动力累积损伤模型试验研究

为探讨高速铁路隧道衬砌结构在列车振动荷载长期作用下的动力累积损伤特征,阐述混凝土结构动力相似材料模型试验原理,以武广高速铁路金沙洲隧道为原型,利用微粒混凝土作为相似材料,构建隧道与围岩动力相互作用全断面试验模型,施加高速列车振动荷载对相似材料模型进行动力累积损伤试验;试验过程中同步测试隧道衬砌结构各特征点动应变、超声波速度以及隧道底部围岩接触应力的时程响应数据,分析隧道衬砌结构动力响应特征与累积损伤规律。得出了在设计使用寿命期内,高速列车振动荷载长期作用下,隧道衬砌结构动力累积损伤效应不明显,而隧道底部围岩累积损伤破坏则应引起足够重视等研究结论。     

高速铁路隧道支护参数的计算研究

为探索隧道初期支护安全系数的计算问题,并为高速铁路隧道支护参数优化提供理论依据,根据喷锚支护的性能与特点以及现代隧道力学的基本理论,建立初期支护荷载结构模型和对应的安全系数计算方法; 针对时速350 km高速铁路双线隧道提出的3种不同的初期支护方案（无系统锚杆支护、喷锚结合支护和以锚为主的支护方案）展开适应性研究,计算分析不同埋深（400 m和800 m）条件下初期支护的优化参数以及优化后的二次衬砌承载能力,在此基础上提出优化后的高铁隧道支护参数建议值,并对优化前后的安全系数进行计算与对比。主要结论如下： 1）提出了采用围岩压力代表值作为荷载结构模型设计荷载的方法,为解决设计中围岩压力不确定的问题提供了思路,且所推荐的围岩压力代表值计算方法具有安全性与经济性; 2）提出了3种初期支护计算模型,可以为初期支护构件的选择与量化设计提供一定的理论基础; 3）提出了时速350 km高速铁路双线隧道初期支护方案及优化后的复合式衬砌设计参数,并明确了不同围岩级别、不同埋深时的承载主体; 4）提出了按照不同埋深进行支护结构参数设计的建议。