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。     

地铁盾构穿越断层施工力学响应研究

以沈阳地铁1号线云沈盾构区间下穿断层带工程为依托,采用三维数值模拟方法,研究盾构区间下穿断层带引起围岩和管片变形特性和力学响应。研究结果表明：地表最大沉降发生在断层区段,且不对称分布,最大沉降2.6 mm,小于标准;洞周竖向变形主要发生在断层中间位置,而水平变形主要发生在地层变化处,容易引起管片错位破坏;工作面到达断层工作面挤出变形最大,断层中间位置次之,穿过断层最小;衬砌边墙和拱底变形基本对称,而拱底下沉沿纵向不对称,位移突变范围为断层内10 m左右,对于两端硬岩管片没有影响,最小主应力和纵向应力在不同地层接头处发生突变,宜加强断层10 m范围内管片衬砌设计参数。     

高速铁路隧道拱顶二次衬砌背后存在空洞时气动荷载对其的影响

为了探索隧道拱顶二次衬砌背后不同范围内存在空洞条件下高速列车气动荷载对隧道二次衬砌结构的影响,采用隧道空气动力学的流体力学分析方法及结构力学分析方法,对二次衬砌结构的受力进行研究。研究结果表明:在气动荷载作用下,隧道二次衬砌结构处于"拉—压"的循环受力状态中;在隧道拱顶二次衬砌背后存在空洞时,衬砌结构上产生的瞬态应力变化规律与其受到的气动荷载变化规律一致,当列车运行速度为350km·h-1时,二次衬砌结构上产生的最大瞬态应力是同一时刻气动荷载的约39倍;在最大正峰值气动荷载作用下,随着拱顶二次衬砌背后空洞范围的增大,拉应力范围逐渐变小,拉应力值先增大后减小;在最大负峰值气动荷载作用下,隧道拱顶二次衬砌第一主应力仅有压应力而无拉应力作用,而且随着拱顶二次衬砌背后空洞范围的增大,二次衬砌受压区的范围逐渐变小,压应力值先增大后减小;二次衬砌结构上产生的最大应力绝对值随着列车运行速度的提高而增大,且与列车运行速度的平方成二次函数关系。     

黄土连拱隧道施工方案优化分析

为了优化双连拱隧道的施工方案,依托山西某黄土连拱隧道,利用ANSYS建立数值模型并导入FLAC3D中,模拟了三导洞法和台阶法的开挖,分析了两种施工方案下连拱隧道的拱顶沉降、地表沉降规律,拱顶和中隔墙大主应力变化以及压力拱范围,结果发现:台阶法施工该连拱隧道的拱顶沉降、地表沉降、应力影响范围比三导洞法小,台阶法施工连拱隧道使得中隔墙的偏应力条件较早得到纠正,形成了较好的受力体系。最终台阶法(三导洞法)形成的拱顶、中隔墙上部围岩压力拱为1.0D(1. 5D)范围,台阶法施工对围岩的扰动范围也更小。因此,为保证该隧道的整体稳定性,建议本隧道采用台阶法施工。     

不同工况下横通道开挖对隧道结构影响分析

基于FLAC 3D软件建立摩擦土层及黏性土层等多种工况下的三维数值模型。从主线隧道中心线上方土体位移、地表沉降及主线隧道衬砌内力等方面,研究分析了横通道开挖对隧道结构的影响作用。主要研究结论为:(1)在不同的隧道间距、隧道埋深及地质条件下,横通道开挖对主线隧道上方位移、地表沉降及隧道衬砌受力分布的影响也不尽相同;(2)随着横通道向前掘进,横通道中心线上方垂向位移及地表沉降呈现逐步增加趋势,对横通道中心线上方的影响更为显著;(3)随着横通道的开挖,先行隧道拱顶处的衬砌弯矩、边墙处的衬砌轴力呈增加趋势,后行隧道拱顶、边墙处的衬砌弯矩以及边墙处的衬砌轴力在横通道开挖结束的几个计算步时均呈增加趋势。     

杉树坳隧道台阶法开挖初期支护变形规律分析

以杉树坳隧道工程为背景,分析了台阶法施工的拱顶下沉规律,主要是台阶法衬砌变形与开挖施工进度的关系,探究应力释放过程,对监测数据进行分析得出,上台阶开挖导致拱顶沉降量达到总沉降量的70％以上,进而得到施工过程中的应力释放系数.将此应力释放系数应用于有限元模型计算,把数值计算成果与拱顶下沉实测值进行了比较,证明了该模型能够较为准确地反映上下台阶开挖对初期支护变形的影响,从而为台阶法开挖的数值模拟以及施工过程的控制提供依据.     

逆断层错动下隧道衬砌的力学响应北大核心

以穿越新疆大旱沟西岸逆断层的拟建隧道为工程依托,采用大比例尺活断层错动加载系统开展室内模型试验,探明在逆断层错动作用下隧道分段衬砌力学响应特征及裂缝形态分布规律。通过建立三维地层-结构模型,模拟分析逆断层错动下不同衬砌分段长度时衬砌的变形特性及力学特征。结果表明:在逆断层错动下,上盘竖向位移随错动距离增大而增大,由逆断层错动导致的衬砌裂缝以纵向裂缝为主,裂缝主要位于边墙、墙脚以及仰拱中心;断层错动后衬砌相邻节段变形不连续,变形缝有利于提高隧道结构的抗错动性能;跨断层中心竖向截面处衬砌第一主应力随断层错动距离增加而近似呈线性增大,且衬砌分段长度越大则衬砌内力越大。     

穿越断裂黏滑带隧道合理抗错断设防长度研究

研究目的:隧道穿越黏滑断层带极易发生错断,其合理的抗错断设防长度一直是业内研究的关键性问题。采用数值计算和黏滑错动模型试验相结合方法,研究隧道穿越断裂黏滑带黏滑错动条件下结构应变、主应力响应特性,探求穿越断裂黏滑带隧道合理抗错断设防长度。研究结论:(1)衬砌主应力最大峰值均出现在断裂黏滑带两侧一定范围内,当远离黏滑断裂带衬砌结构主应力趋于稳定,黏滑错动影响范围在隧道纵向具有显著区域性特征;(2)断裂黏滑错动对活动盘影响范围明显大于固定盘;(3)影响范围内活动盘侧以拉应力破损为主,合理的抗错断设防长度约为(6～7) D;(4)固定盘侧以压应力破损为主,合理的抗错断设防长度(含断层带)约为(4～5) D,且随着断层宽度的增加,固定盘侧影响范围逐渐向断层区域内平移;(5)减错缝的设置可将衬砌结构主应力降至安全范围内,实际工程建议根据衬砌模板台车长度将减错缝与施工缝设置在同一断面;(6)本研究成果可为黏滑错动地质地段隧道抗错断设计和施工提供理论依据。     

跨活断层隧道组合支护结构断层错动响应模型试验研究

依托某穿越活断层隧道工程,研发1︰25比例尺多功能断层错动模拟试验装置,开展跨活断层隧道组合支护结构的逆断层错动响应模型试验,针对不同的断层错动位移,研究逆断层错动下隧道组合支护结构的力学响应和破坏特征。试验结果表明：逆断层错动下,隧道结构竖向位移沿纵向呈“S”形分布,结构竖向位移及收敛变形主要分布在断层破碎带及其临近区域,主要影响范围约3.1L(L为隧道衬砌节段长度,480 mm)。随着错动位移的增加,衬砌节段位移差以及竖向相对位移均呈非线性增大,错台现象更加明显。结构应变、结构与围岩的接触压力主要集中在断层破碎带区域,在错动面处发生突变,应变和接触应力峰值均与断层错动位移呈正相关。隧道拱顶纵向应变以外侧受拉、内侧受压为主,仰拱则以外侧受压、内侧受拉为主,且仰拱受断层错动的影响以及对断层错动位移的敏感性均高于拱顶。隧道环向应变沿隧道轴向的分布因结构部位不同而有所差异,整体表现为竖向的向内挤压变形和横向的被动向外变形。结构各区段的接触压力分布规律有所不同,在错动面及断层区域,衬砌与围岩之间存在明显挤压作用,而远离断层错动面的衬砌节段,衬砌与围岩之间存在相互脱离的趋势。隧道组合支护结构断...     

小净距大断面偏压隧道围岩稳定性分析

以港珠澳大桥工程连接线上的南湾隧道工程为背景,对穿越断层破碎带的小净距大断面偏压隧道台阶法施工过程进行了数值模拟,分析了隧道拱顶沉降、围岩水平收敛变化规律,并与实测结果进行了对比。研究结果表明:数值模拟结果与实测结果在大小和规律上均吻合,围岩沉降及水平收敛主要集中在上台阶开挖时,隧道围岩应力随着施工逐渐变大;隧道开挖对临空一侧的左洞围岩稳定性影响小于靠山体一侧的右洞。施工实践证明台阶法可以用于小净距大断面偏压隧道的设计和施工中。     

大断面隧道小净距上跨既有隧道施工方案优化北大核心

成都市轨道交通17号线二期工程阳公桥站—龙爪堰站区间隧道上跨既有7号线盾构隧道采用交叉中隔壁法施工。通过数值仿真结合现场监测,分析大断面隧道以小净距上跨施工时既有隧道拱顶隆起与地表沉降的变化规律,并通过分析新建隧道初期支护厚度、钢拱架间距、单次拆撑长度对既有隧道拱顶隆起和地表沉降的影响,对原施工方案进行了优化。结果表明:先行开挖的两个导洞施工对既有隧道拱顶隆起与地表沉降影响明显;既有隧道拱顶隆起与地表沉降随钢拱架间距和单次拆撑长度增大而增大,随初期支护厚度增加而减小。建议新建隧道上跨施工时采用初期支护+二次衬砌+三次衬砌的复合衬砌结构,钢拱架间距取0.4 m,单次拆撑长度取6 m。     

正断层错动下乌鲁木齐地铁1号线隧道结构受迫影响研究

以乌鲁木齐地铁隧道穿越九家湾活动正断层工程为例,建立穿越活动正断层隧道结构的三维弹塑性有限元模型,模拟分析在正断层错动作用下隧道二次衬砌应力、塑性区分布规律及裂缝分布特征;通过大比例尺跨活动正断层隧道剪切错动室内模型试验,明确隧道结构在断层剪切错动下的破坏范围及破坏形态。结果表明:数值模拟结果与模型试验结果的规律一致性较好;断层面处隧道衬砌承受压—剪—扭的组合作用,衬砌破坏最严重;二次衬砌开裂主要以纵向裂缝为主,集中在仰拱内侧、墙脚外侧及拱顶内侧;剪裂缝集中在断层迹线处的隧道拱脚,环向裂缝多出现在拱腰位置;上盘二次衬砌开裂范围均大于下盘;设防时应加强环向主筋及箍筋,使隧道整体结构形成环—纵向骨架,从而减少纵向和斜向开裂,并防止纵向裂缝的贯穿。     

富水复杂地质围岩稳定性评价与支护系统优化

研究目的:富水复杂地质隧道施工过程中,不良地质带受水-岩相互作用的影响,开挖过程中拱顶、拱腰等部位极易产生块体失稳,且隧底压力经常大于垂直地压,造成仰拱断裂、边墙下部内移错动甚至衬砌失稳破坏,从而给隧道施工造成很大的安全隐患,因此很有必要对围岩稳定性进行评价,并以此为基础对围岩支护系统进行优化探讨.研究结论:(1)隧道在弱风化的花岗岩中掘进时应尽快施作仰拱,使衬砌闭合成环;(2)CD法开挖段仰拱紧跟、衬砌尽早封闭成环很有必要;(3)文兴隧道与水库之间具有水力联系的可能性,对于隧道内的渗、涌水应及时采集水样进行必要的水化学及同位素分析,判断隧道内渗、涌水的来源.(4)隧道在断层破碎带的软弱围岩中掘进时,应尽早施做二次衬砌,必要时做专项的抗水压复合式衬砌设计;(5)一旦证实水库水与隧道之间存在水力连通,隧道的断层破碎带为力学和形变不良段,车行横洞应尽量避开该位置,适宜前移或后移数十米至微风化岩层段内.     

新人工填筑土地层超大断面隧道施工导致的地表沉降及其控制措施

以贵阳立体交通枢纽工程龙洞堡机场隧道工程为背景,综合运用现场测试、模型试验及数值计算方法,对超厚新人工填筑土地层超大断面隧道施工导致的地表沉降及其控制对策进行研究。基于实测的隧道拱顶沉降,根据既有的计算方法计算拱顶全部沉降;通过室内模型试验和三维数值模拟得到因地层损失引起的地表沉降占拱顶全部沉降的比率;根据拱顶全部沉降和比率计算得到隧道施工导致的地表沉降;再根据实测的地表总沉降,确定隧道施工和土体自身固结分别导致的地表沉降占地表总沉降的比例。结果表明:隧道施工导致的地表沉降是拱顶沉降的35%~36%,占地表总沉降的20%~34%,土体固结导致的地表沉降占地表总沉降的66%~80%,可见土体固结是导致地表沉降的主要因素。由此提出控制地表沉降的主要对策:通过地表钢管桩注浆加固,对土层进行改良;对拱部进行中管棚超前支护;采用大拱脚弧形导坑预留核心土台阶法开挖隧道;设置H175型钢钢架加强初期支护,二次衬砌尽可能地紧跟初期支护施作。     

某隧道断层破碎带处结构分析与设计

隧道穿越断层或通过断层影响区是一个复杂而普遍的问题,由于断层破碎带隧道施工及结构的受力条件复杂,结合某公路隧道,分析在断层破碎带处设置抗震缝与无抗震缝条件下该隧道主体结构的水平横向位移、水平横向加速度和主应力的变化特点。根据断层破碎带处围岩的实际情况设计中采取相应的措施,确保工程质量及施工安全。     

穿越城区连拱隧道合理施工工法研究

以重庆市沙坪坝区的站西站东路下穿道工程为依托,深入研究穿越城区连拱隧道的合理施工工法,从沉降、结构、施工、经济性等方面对比台阶法和CD法,并优化CD法的施工工序,确定对沉降变形起控制作用的施工关键工序。结果表明:修建穿越城区的连拱隧道,采用CD法引起的拱顶及地表沉降量、支护结构承受的最大拉压应力及围岩坍塌范围较台阶法大幅减少;优化后的CD法在控制沉降、结构受力、施工组织方面具有综合优势,其在施工中对地表及拱顶沉降起控制作用的关键工序对相应部位的拱顶及地表累计沉降的影响比重均达到10%以上。     

冻融损伤对大准铁路言正子2~#隧道围岩稳定性的影响

以大同—准格尔铁路言正子2#隧道为工程背景,运用数值计算方法对冻融循环作用下隧道围岩的稳定性进行了分析。结果表明:言正子2#隧道病害主要由冻融损伤造成,病害类型主要为拱顶开裂和边墙剥落;隧道围岩最大水平位移、最大垂直位移和最大主应力均随冻融循环次数的增加而增大;隧道围岩最大水平位移出现在边墙,最大垂直位移出现在底板中心,最大主应力出现在拱脚,故边墙、底板中心和拱脚易产生混凝土开裂、剥落等病害;经历不同冻融次数后隧道围岩均未出现拉应力,表明衬砌有效地控制了围岩变形。     

非一致性地震作用下穿越破碎带长大隧道衬砌结构动力变形分析

为探讨非一致性地震作用下穿越破碎带长大隧道衬砌结构的变形机制，基于随机地震动理论，生成能体现长大隧道行波效应和衰减效应等局部地场效应的地震加速度时程曲线；通过建立不同的不利地质结构形式的多方案隧道有限元计算模型，采用仰拱分区域垂直入射地震波的方式，分析不同倾角、厚度以及岩体等级的破碎带对隧道衬砌轴向和横向变形的影响，揭示非一致性地震作用下长大隧道衬砌结构变形特征。结果表明：非一致性地震作用下长大隧道衬砌结构变形具有明显的空间非一致性；沿隧道轴向方向，破碎带的存在限制了衬砌轴向拉压变形，但加剧了衬砌的轴向剪切变形，当破碎带与隧道夹角为45°时衬砌的轴向拉压和剪切变形最大，而衬砌整体轴向变形受破碎带厚度和岩体等级的影响较小；沿隧道横断面方向，衬砌纵向剪切变形主要集中于拱腰位置，而径向剪切变形集中于拱顶和仰拱位置，衬砌的最大纵向和径向剪切变形均出现在破碎带倾角为45°时，且当破碎带厚度过大时，衬砌横断面的剪切变形也较大，但不同岩体等级对衬砌横断面的剪切变形影响不大。     

水平层状围岩铁路隧道地震动力响应特征研究

研究目的:中国汶川8.0级特大地震中,均出现了大量隧道结构的严重震害。国内学者对隧道结构抗震进行了细致深入的研究,主要集中在复杂地质及破碎地段隧道地震反应、偏压隧道与隧道洞口段地震反应、隧道抗减震研究等方面。虽然目前关于隧道与地下结构抗震分析的研究颇丰,但大多是按照均匀连续介质模型进行模拟,考虑水平层状围岩特性的隧道结构动力响应分析还不多见。本文基于连续介质力学的离散元方法软件CDEM模拟水平岩层的结构面特性,主要针对不同水平岩层的厚度和不同地震动输入方向,共计12种计算工况,分析隧道衬砌关键部位的动力响应特性。研究结论:(1)结构面(层面)存在会引起主应力增加,产生相对位移,降低加速度,尤其对穿越中厚层状围岩的隧道要加强措施;(2)地震动方向对隧道衬砌大主应力的影响比较明显,特别对拱顶、墙腰、仰拱的大主应力(压应力)影响比较大,对拱顶的影响尤其明显,且岩层越薄,影响越大;(3)地震动方向对隧道衬砌拱顶的拉应力影响特别大,在竖向地震作用下,拱顶的拉应力将超过1.54 MPa,当岩层层厚为0.2 m时将超过2.66 MPa,已经超过了混凝土的抗拉强度,水平层状围岩隧道拱顶衬砌需加强;(4)该研究结论对类似地质条件下地下工程的建设具有指导意义。     

穿越多断层破碎带隧道自适应结构走滑错动特性研究

在活动断裂构造带地区,断层运动往往是沿断层带发生,自活动盘到破碎带错动位移表现出逐级传递的特征,因此穿越活动断裂带的隧道结构应力、变形特征也受到断层错动形式的影响。依托西部高烈度区某穿越大型活动断裂带的公路隧道工程,通过数值模拟分析穿越多断层隧道结构在断层多级走滑错动下的位移、应力响应规律,得出隧道结构纵向基于多断层蠕滑错动的影响分区;建立基于柔性初支、刚性二衬和节段铰接的穿越蠕滑断层隧道自适应结构,探究在错动区和缓冲区内设置隧道自适应结构的抗错性能。研究表明：隧道围岩性质的差异是影响穿越断层破碎带隧道结构变形和应力的最重要因素,隧道自适应结构在蠕滑错动过程中,柔性初支能够吸收部分围岩传递至隧道结构的变形,柔性接头的剪切变形和衬砌节段的刚性转动能够承担较大的位错,随着隧道衬砌节段长度的减小、接头数量的增加,各个接头的剪切变形角和衬砌节段偏转角都将减小,大幅提升结构的抗错安全性。