小净距隧道开挖爆破振动数值模拟研究

小净距隧道采用钻爆法施工过程中,爆破产生的地震波会对先行隧道衬砌结构产生一定的影响,甚至会危及其安全。以珠海眼浪山2号隧道为工程背景,采用FLAC3D有限差分软件,分析在不同围岩级别、不同埋深及不同隧道间距下,先行洞支护结构监测点振速的变化情况,得到了以下几点结论:(1)无论哪种工况,监测点振速随着离爆破点距离的增加而减小;(2)在相同埋深和隧道间距工况下,围岩越差,监测点振速越大;在相同埋深和围岩级别工况下,隧道间距越大,监测点振速越小;在相同围岩级别和隧道间距工况下,隧道埋深越大,监测点振速越小。     

深埋超大跨单拱隧道开挖与支护参数优化研究

研究目的:基于新建京张铁路八达岭4线隧道超大跨、超大断面单拱的特点:跨度达27.3 m,高度达18 m,断面面积为386.56 m2,如此大的单跨在国内尚属首例,在开挖过程中,拟定四种开挖方案:单侧壁导坑法、单岩柱法、CRD四洞法和CRD六洞法。利用有限元软件对四种开挖方案进行数值模拟开挖和支护全过程仿真计算,得到最优的开挖方案。研究结论:通过在开挖支护过程中对围岩最大拉压应力、拱顶沉降、地表沉降、锚杆轴力、衬砌最大拉压应力等7个指标参数的比较,提出优化的开挖方法为单侧壁导坑法,其次是CRD六洞法,并且采用0.3 m厚的喷射混凝土衬砌和5 m长的锚杆(间距1.5 m×1.0 m)作为支护参数。该结论对设计施工具有指导意义。     

小半径曲线叠落盾构隧道下穿京沪高铁隔离桩设置参数研究

基于济南轨道交通R1线工程小半径曲线盾构隧道下穿京沪高铁,采取数值模拟手段研究隔离桩桩长、桩间距等不同设置参数下,对既有高铁桥梁结构的保护效果。计算结果表明:增加隔离桩桩长可以提高保护效果,反之降低;隔离桩桩间距增加,保护效果有所降低。通过计算分析,隔离桩采用桩间距1.2 m、桩长39 m(桩端位于隧道底部以下4 m)较为合理。采用室内模型试验针对桩间距1.2 m、桩长39 m隔离桩设计方案进行验证,试验结果表明:盾构隧道所下穿的两侧承台沉降变形均较小,承台沉降最大值仅0.5 mm,隔离桩设置可有效减少盾构施工对高铁桥桩影响。现场全自动化监测结果显示,承台沉降及水平位移的最大值均未超过0.4 mm,小于控制值1.0 mm。现场监测结果与数值模拟、模型试验结果比较一致,验证了数值模拟和室内模型实验结果的可靠性。     

浅埋小净距偏压隧道合理开挖顺序探讨

运用ANSYS有限元程序,研究浅埋偏压小净距隧道在不同的偏压角度、间距、埋深条件下,先开挖深埋侧和先开挖浅埋侧2种不同的开挖顺序下的受力和变形特性,对比分析了围岩最大拉应力、围岩洞周最大位移、中岩柱水平位移和竖向应力。研究结果表明：随着角度的增加,先开挖深埋侧较先开挖浅埋侧隧道及中岩柱更加安全;当间距小于0．5倍洞径时,先开挖深埋侧较先开挖浅埋侧安全;当间距大于0．75倍洞径时,先开挖浅埋侧对于隧道受力更加有利;当埋深在1倍洞径以下,先开挖深埋侧隧道整体稳定性及受力更加安全,当埋深大于1．5倍洞径时,先开挖浅埋侧隧道受力更加安全。     

高地应力软弱围岩铁路隧道的衬砌压力

以关角隧道为工程背景,采用开挖应力释放率模型,研究高地应力软弱围岩地质条件下铁路隧道的衬砌压力.基于现场实测地应力和施工监测位移,根据台阶法开挖中存在的空间效应,推算未监测到的坑道周边位移和掌子面前方位移,再采用改进的BP人工神经网络模型预测隧道围岩的最终位移.利用开挖应力释放率模型获得隧道衬砌压力及应力释放规律.该规律与经典围岩特征曲线规律一致,且与工程经验和现场施工状态基本符合.采用FLAC3D软件对该段隧道开挖过程进行三维数值模拟,验证了上述方法在高地应力软弱围岩地质条件下的正确性和合理性.计算结果和模拟结果均表明:由于高地应力软弱围岩和初支效果不佳,使得关角隧道DyK307+ 900处衬砌压力较大,隧道结构处于不利的受力状态.     

寒区隧道冻胀力模型试验及围岩注浆效果研究

为了研究寒区隧道衬砌背后积水位置不同时结构的受力变化规律和破坏形式,进行冻胀力的室内模型试验。模型试验采用不同水囊大小和分布位置来模拟衬砌背后积水情况,通过模型试验箱外界环境整体降温和隧道底部局部降温的方式,模拟隧道外界的低温环境。试验结果表明:衬砌背后冻胀力在拱顶处较小,在边墙和拱脚处较大;在相同的冻胀压力作用下,拱顶处更容易破坏。最后采用数值计算,对比分析围岩注浆前后3种试验工况下隧道衬砌结构的可靠度。结果表明:仅靠提高衬砌结构的厚度和强度来预防或消除衬砌结构冻害的方法是不可取的,在富水区的寒区隧道采用围岩注浆加固具有较好的效果。     

隧道钢纤维混凝土单层衬砌模型试验及数值模拟

为了对隧道钢纤维混凝土单层衬砌作出安全性评价,使用卧式加载系统对钢纤维混凝土衬砌模型进行了室内试验。在保持平面应变的情况下,对隧道衬砌模型进行垂直方向和侧向加载以模拟隧道实际受力状态;同时利用FLAC 3D软件建立了隧道数值模型。通过模型试验和数值模拟对特定隧道断面钢纤维混凝土单层衬砌的安全性进行了评价。模型试验及数值模拟分析结果表明,在设计荷载作用下对于衬砌各特殊验算截面,试验结果与数值模拟所得安全系数相差不大。模型试验与数值模拟相互验证,将二者相结合是一种评价隧道衬砌结构安全性的较为可靠的方法。     

公路小净距隧道纵向空间效应分析

为分析小净距隧道两洞室间的空间效应,采用Midas/GTS有限元分析软件对不同纵向间距下相邻两洞室掌子面隧道围岩响应特性进行分析,得到了围岩变形规律、中夹岩柱应力变化趋势、塑性应变变化特征,并给出两洞室间合理的纵向施工间距。研究表明,隧道拱顶沉降位移在其掌子面前方10 m趋于稳定,中夹岩柱沉降位移变化规律与洞室拱顶沉降变化规律具有一致性,隧道开挖对靠近先行洞一侧的中岩柱水平位移影响较大,在纵向2 m处位移最大;掌子面间距增大会扩大先行洞塑性区分布,对后行洞塑性区分布无影响;当0.5B≤掌子面间距≤1.5B时(B为隧道宽度),中夹岩柱主应力增加较快,当1.5B≤掌子面间距≤2.0B时,中夹岩柱主应力变化不明显,合理的纵向施工间距为2.0B以上。     

逆斜切式隧道门的受力机理

采用有限元对逆斜切式隧道门的受力进行三维数值模拟分析,并用几何相似比为1∶30的模型试验结果进行验证。分析结果表明,逆斜切式隧道门结构的受力基本特征是:隧道洞口结构处于三维受力状态,按壳体结构进行设计比较合理;当进入洞内距离超过隧道洞径约2.5倍的洞身地段,纵向轴力值远小于横向轴力,且横向弯矩是纵向弯矩的6~10倍,因此在结构设计中可不必考虑纵向内力的影响,简化成平面应变问题;在衬砌突出部位与岩层的交界面上,拱顶沿隧道纵向的轴力达到最大值,而且处于受拉状态,因此对洞口段衬砌结构纵向应进行配筋设计。     

考虑水荷载作用的铁路隧道衬砌结构设计

采用室内模型试验方法,通过改变围岩注浆圈模拟介质的渗透系数,进行10组铁路隧道衬砌结构的水荷载折减系数测试试验,研究水荷载折减系数与注浆圈综合渗透系数的关系。试验结果表明,当围岩注浆圈渗透系数小于10-5cm.s-1时,水荷载折减系数取0~0.3为宜;反之,取值为0.3~1。按考虑水荷载和不考虑水荷载两种受力模式对隧道衬砌结构进行计算分析结果表明,存在较大水荷载作用的隧道衬砌结构设计不宜套用标准图,建议采用钢筋混凝土圆形衬砌结构。     

水平层状围岩隧道锚喷支护参数优化试验研究

基于水平层状围岩结构特征,提出层状围岩中隧道开挖支护优化工况,进行桐木湾隧道锚喷支护参数优化对比现场试验和数值模拟分析,根据现场测试和数值模拟结果,分析了锚喷支护参数优化前后的锚杆受力和围岩变形特征。研究结果表明,水平层状围岩隧道锚喷支护参数优化工况可行,可为类似条件下隧道支护的设计与施工参考。     

锚杆在隧道初期支护体系中的作用机理分析

通过理论分析对锚杆在围岩和隧道初期支护体系中的作用机理进行探讨,运用数值模拟的方法对Ⅲ～Ⅴ级围岩中考虑锚杆作用后初期支护的受力响应规律进行分析总结。结果表明,在Ⅲ级围岩(浅埋段)、Ⅳ级围岩中,锚杆对初期支护受力的改善作用较为突出,对于Ⅴ级围岩,由于其坍落拱范围远远大于拱部锚杆及周边岩体形成的组合拱结构,拱部锚杆的作用微乎其微,而边墙锚杆能有效改善初期支护受力状况,且利于稳固钢架。因此,边墙锚杆的设置显得更有必要。最后,对现行衬砌通用图的设计参数提出了建议。Ⅲ级围岩(浅埋段)和Ⅳ级围岩深埋工况安全系数较大,建议适当优化设计参数;Ⅴ级围岩工况的围岩压力小于Ⅳ级围岩(浅埋段),而初期支护设计参数却强于Ⅳ级围岩(浅埋段),建议优化Ⅴ级围岩初期支护参数,使各级围岩初期支护的安全度较为一致。     

单线隧道预制装配式衬砌结构选型及接头参数敏感性分析

预制装配式衬砌结构因施工速度快、质量高、易于维修等优点近年来在隧道工程领域备受关注。采用荷载-结构模型分析了不同围岩条件下整体衬砌内力特征。将衬砌结构分为8部分预制,采用有限元软件对预制结构进行了安全性验算,分析了不同接头刚度条件下接头处受力和变形。计算结果表明:隧道整体衬砌在Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ级围岩条件下轴力、弯矩、横向位移、竖向位移最大值分别为1 192 kN,480 kN·m,13.9 mm,4.9 mm;预制装配式衬砌较整体衬砌在Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ级围岩条件下最大横向位移分别增加1.6%,2.4%和1.0%,最大竖向位移分别增加1.3%,1.3%和2.4%,最大轴力分别减小0.02%,0.01%和0.06%,最大弯矩分别增加0.20%,0.11%,0.15%。综合考虑受力稳定与变形限制,衬砌接头刚度应不小于230 MN·m/rad。     

挤压性围岩大跨隧道施工工法优化

以兰渝铁路新城子隧道为例,通过现场测试和FLAC 3D数值模拟,对挤压性围岩大跨隧道采用双侧壁导坑法2种不同开挖顺序时的隧道变形和衬砌受力进行对比分析。结果表明:采用双侧壁导坑法按常规顺序开挖导洞1～9比依次分层开挖上、中、下各导洞更有利于控制隧道变形,且二次衬砌受力明显较小;挤压性围岩隧道施工中相邻导洞贯通形成扁平洞室会导致大变形,施工中应尽量避免;2种开挖顺序隧道水平收敛均大于拱顶沉降,必要时可加强临时支护。     

地裂缝场地隧道结构与围岩作用机理

针对西安地铁在地裂缝活动条件下引起的工程问题,通过数值模拟,结合地裂缝区域的设计方案,分别从地表沉降位移、衬砌沉降位移、围岩位移场、围岩土压力、衬砌结构内力等方面,分析地裂缝活动条件下隧道结构与围岩变化特征和作用机理.     

高地应力断层破碎带衬砌力学特性对比与分析

以高地应力区某穿越断层破碎带隧道为工程依托,通过三维数值模拟来分析随着掌子面推进过程中的围岩空间应力场的状态及其变化趋势。首先,根据弹性衬砌模型计算结果判断衬砌结构是否还处于弹性状态;其次,按照弹塑性衬砌模型进行某穿越高地应力断层破碎带隧道三维数值模拟。计算结果表明:高地应力区穿越断层破碎带隧道三维数值模拟应该采用弹塑性衬砌结构;弹性计算模型与摩尔—伦计算模型分别计算所得衬砌结构关键点位移量差别较大,弹性衬砌模型计算得到关键点位移均小于摩尔—库伦衬砌模型所得到的量值,且约为摩尔—库伦模型计算所得量值的50%;拱顶和拱腰主应力波动范围在掌子面通过z=-50 m平面前0.5B(B为隧道宽度)和通过后1.5B范围,墙脚主应力波动范围在掌子面通过前1B和通过后0.5B范围;弹塑性衬砌计算的主应力较弹性衬砌计算的主应力大;揭示了某穿越高地应力断层破碎带隧道衬砌的破坏形式与潜在破坏面。     

地形偏压连拱隧道模型试验衬砌受力研究

运用相似理论分析模型材料的选择原则,设计了能进行围岩压力、位移、衬砌变位及竖向加压测试的平面应变模型试验装置。通过1∶20比例尺寸的模型试验对地形偏压作用下连拱隧道衬砌受力和拱顶沉降的分析,表明在不同荷载下左右洞室衬砌都受压力,随着隧道上覆荷载的增大而增大,左洞最大轴力值分布于仰拱和边墙的结合部位,右洞最大轴力值分布于靠近中墙的左拱腰;试验过程中,左右洞室有被压扁的趋势,连拱隧道整体向浅埋侧移位,浅埋侧和深埋侧围岩出现被动压力和主动压力作用。     

隧道穿越红黏土接触带初期支护优化研究

研究目的:不同岩性接触带地质条件复杂,围岩软硬不均,隧道变形与常规地层隧道有所不同。本文以贾塬隧道穿越红黏土与砂岩夹泥岩接触带地段为依托,建立相应数值模拟分析模型,对初支厚度、拱架间距、锚杆长度和间距在控制围岩变形和初支应力方面的效果进行分析。研究结论:(1)隧道穿越红黏土与砂岩夹泥岩接触带时,开挖扰动引起的洞周变形占总变形量较大;(2)初期支护厚度和钢拱架间距两个参数对隧道变形和初支应力控制效果明显;(3)边墙锚杆的长度和间距对隧道变形影响不明显;(4)该成果可为隧道穿越不同岩性接触带时的支护参数优化提供参考。     

新城子隧道小间距段导洞作用效果计算分析

研究目的:小间距隧道的工程难点主要是群洞效应以及中间岩柱的稳定性问题,国内目前研究主要集中在浅埋、城市环境以及一般围岩环境,针对挤压性围岩中的小间距问题研究甚少。基于此,本文以兰渝铁路新城子隧道为工程背景,通过数值计算及数据统计分析的方法,研究挤压性围岩中小间距隧道导洞的作用效果,以期为相关工程提供参考。研究结论:(1)挤压性围岩小间距隧道,邻洞的存在对主洞开挖的影响包括中间岩柱的塑性变形和邻洞的变形释放,两种变形效应叠加产生相互影响;(2)先行洞室开挖的影响范围为掌子面前方1.5B,掌子面后方2B;(3)先行导洞的作用,可以明显减小后行洞室扩挖时对先行洞室的影响,同时本线的位移减小至无导洞的10%～20%,影响范围降至1.5B之内;(4)新城子隧道变形统计分析显示,后行左线变形小于右线11.6%～20.4%,当采用导洞应力释放后,左、右线平均值及最大值减小7%～20%;(5)该研究成果可为类似挤压性围岩隧道的设计与施工提供参考。     

千枚岩软岩隧道施工工法优化分析

以西部某千枚岩软岩隧道为工程背景,采用三维有限元数值模拟研究施工工法对隧道围岩稳定性的影响,针对不同施工工法的围岩应力、洞周位移、初期支护受力状况进行对比,进而提出了合理的施工工法.研究结果表明:CD法施工较上下台阶预留核心土和上下台阶法对围岩的稳定更为有利,但其初衬和临时竖撑的连接质量是施工能否顺利进行的关键,应予以重点关注;上下台阶法和上下台阶预留核心土法差别不大.建议围岩施工以上下台阶法为主,当遇到特殊地质情况需要加强衬砌,此时建议采用CD法或预留核心土法施工.