不同应力场软弱围岩公路隧道结构安全性数值分析

针对目前隧道衬砌结构在运营中出现较多病害的现状,运用数值计算手段,建立三维有限元数值模型,对不同应力场软弱围岩公路隧道结构安全性进行了评价,详细研究了衬砌结构在不同应力场作用下出现裂缝时的应力和变形,研究结果表明:不同应力场,隧道衬砌结构均先在拱脚处出现裂缝;随着侧压力系数的增大,衬砌结构承载减小;拱脚处应作为隧道结构长期安全性应力监控的重点;另外,在λ为0.5、1.0的应力场中,边墙处压应力值也较大,而在λ为1.5的应力场中,拱顶处的压应力值较大;隧道结构在长期安全性变形的监控中,在λ为0.5的应力场中,边墙、拱顶处应重点监控;在λ为1.0的应力场中,拱肩、拱顶处应重点监控;在λ为1.5的应力场中,拱腰、拱顶处应重点监控.     

煤系地层公路隧道衬砌结构分析和设计

以高平至陵川高速公路郭家川2号煤系地层隧道为依托工程,利用ANSYS对衬砌结构进行了数值模拟,研究了煤系地层公路隧道衬砌结构的应力应变特征和变形规律。研究表明:煤系地层的地质构造和节理特征对隧道衬砌结构受力和变形有重要影响;隧道侧压力系数对衬砌结构的内力影响很大;衬砌结构拱脚和拱顶处弯矩很大,应力集中系数大,拱脚和拱顶处应作为结构安全性监控、隧道设计与施工控制性部位。     

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。     

洞口仰坡下波纹钢连拱明洞受力特性数值分析

针对波纹钢结构在方向上存在的性能缺陷,基于隧道洞口段仰坡荷载条件复杂工况,探究波纹钢混凝土结构的受力及变形情况。以连拱明洞隧道为例,采用有限元软件建模分析洞口仰坡处波纹钢混凝土结构的力学性能及混凝土、波纹钢拱圈的应力分布特点和位移特点,总结在不同仰坡坡角条件下,代表性拱顶单元轴力、弯矩与位移的变化规律。结果表明:1)洞口仰坡带来的应力与隧道中段应力区别在拱顶附近最大,拱脚处变化不大; 2)随着仰坡坡角的减小,截面弯矩有明显增加,截面轴力有明显减小; 3)随着仰坡坡角的减小,X方向(水平向)位移负向变化,Y方向(竖直向)位移负向变化,Z方向(隧道纵向)位移正向变化。     

逆断层错动对公路隧道影响研究

根据依托工程某隧道相关地质资料,运用FLAC3D有限差分软件建立穿越逆断层破碎带隧道数值模型,针对不同断层错距,分析逆断层错动作用下隧道衬砌受力与变形规律,得出衬砌破坏形式。结果表明衬砌强烈变形集中在断层两侧各20m范围内,衬砌受力集中位置在断层与上盘交界处,其中拱脚处压应力集中,拱腰处剪应力集中,拱顶和仰拱受到纵向应力方向相反,衬砌结构破坏形式是拉张—挤压和剪切组合破坏,研究成果可对类似工程设计与施工提供参考。     

上穿公路隧道爆破对下方供水隧洞的振动影响研究

新建的大望山公路隧道从既有沙湾供水隧洞上方穿过,形成空间隧道交叉,高程上它们最小距离21.5 m,并且交叉段公路隧道和供水隧洞围岩分别为IV级和V级,岩性较差。上穿隧道爆破开挖会对下方供水隧洞的稳定造成一定影响,需对其进行具体的研究,应用ANSYS/LSDYNA对其进行数值模拟是一种较为合适的方法。通过计算,结果表明:当上穿隧道掏槽爆破最大单响药量为8.0 kg时,下方供水隧洞拱顶单元X方向上的拉应力为0.12 MPa,比其它两个方向的拉应力大,第一主应力为0.13 MPa;隧洞拱顶质点垂直振动速度最大,约为2.8 cm/s,小于水工隧道规定的安全质点振动速度7 cm/s,不会造成供水隧洞的破坏;供水隧洞质点垂直振动速度峰值在拱顶处较大,沿隧洞断面向下逐渐减小,而水平振动速度峰值沿断面向下先增大后减小,垂直振动速度峰值在整个断面上都大于相应点的水平振动速度峰值。分析结果可用来指导上穿隧道的爆破施工及供水隧洞的监控量测。     

围岩空洞对公路隧道渗流力学特征的影响分析

以雅安至西昌高速公路土山岗2号隧道工程为依托,基于流-固耦合作用机理,运用有限差分软件FLAC3D进行数值模拟分析,探究了二次衬砌背后不同位置出现空洞情况对二次衬砌应力场、二次衬砌背后孔隙水压力以及围岩渗流场的影响规律。研究结果表明:隧道衬砌背后存在空洞时,渗流场不均匀分布,围岩孔隙水压力较无空洞状态明显减小,折减幅度与空洞位置无关。空洞处的二次衬砌主应力增大,当空洞位于隧道拱顶、拱脚位置,增加幅度最大。其衬砌结构的最大主应力位置从仰拱内侧转移到了空洞位置处。衬砌结构的最小主应力均出现在隧道拱脚内侧,未受空洞位置影响。     

基于ABAQUS拱架模型的超大断面隧道初期支护承载力学特性及变形控制研究

本文以全国跨度最大、长度最长的双向八车道高速公路隧道—乐疃隧道为工程背景,建立以三榀拱架为代表的超大断面隧道初期支护数值模拟计算模型,分析了不同混凝土喷层强度下拱架应力和拱顶位移变化规律,计算结果表明随着混凝土喷层强度的提高,拱架最大应力逐步降低,拱顶位移逐步减少,拱脚、拱肩和拱顶均出现明显的应力集中,需要进行局部加强。基于此,得到了拱架的局部加强措施和喷层混凝土的强度比选,并在工程现场中得到应用。     

富水隧道施工期及运营期衬砌结构力学特性研究

以米亚罗3号隧道为依托工程,首先通过现场实测应力监测数据,对米亚罗3号隧道施工期支护结构应力的演变规律进行了分析研究;然后进一步借助数值分析软件,对不同初始水头高度下,米亚罗3号隧道运营期间围岩和衬砌结构的力学特征进行了研究。应力监测结果表明:隧道上台阶开挖后,拱顶和拱肩处的围岩-初支接触压力、钢拱架应力和外水压力迅速增大,约在30~40d后趋于稳定;下台阶开挖后,拱腰处的接触压力、钢拱架应力和外水压力快速增长,约在30~50d后趋于稳定;随着下台阶的开挖,拱肩处的围岩-初支接触压力再度缓慢增长,而钢拱架应力则明显下降;二衬施作后,其内力快速增长,并在20d后趋于稳定。数值模拟结果表明:当初始水头高度增加时,运营期间米亚罗3号隧道的洞周位移、二衬内力和外水压力均成一定比例的增加;隧道变形主要为竖直和水平方向的挤压变形,最大位移发生在拱底;相对于无地下水的情况,地下水的存在会影响衬砌弯矩分布,导致弯矩最大截面从拱顶转移至拱脚;衬砌所受外水压力在拱底处最小,其余部位分布较为均匀;随着初始水头的增大,拱腰和拱脚背后围岩的塑性区范围会明显增加。     

高地应力软岩隧道圆形断面扩挖施工围岩及支护受力特征研究

针对高地应力软岩隧道开挖时围岩大变形问题,以某隧道圆形扩挖段为背景,采用三台阶法施工和3层初期支护+小导管注浆+二次衬砌的复合结构支护,并通过现场监测、数值模拟和理论计算研究开挖过程中的围岩变形及支护结构受力。结果表明:上、中台阶开挖时的隧道围岩变形速率较大,在仰拱封闭和第3层初期支护施作完成后,隧道变形趋于稳定;采用3层初期支护结构可有效改善隧道周边围岩应力,3层初期支护基本都是受压结构,拱腰和边墙处竖向应力最大,拱顶处水平应力最大;二次衬砌拱腰、拱顶、拱脚和边墙处安全系数均大于规范要求,保证隧道结构安全。     

大断面隧道双侧壁导坑法数值建模及力学特性分析

依托广西百色达康隧道实际工程,简化隧道施工模型,通过FLAC 3D数值模拟软件构建了隧道施工动态三维模型,模拟了大断面隧道采用双侧壁导坑法施工流程,得到在不同施工步骤时隧道围岩应力、变形,以及隧道衬砌的轴力、弯矩变化情况,探究动态施工过程中围岩变形规律和支护结构受力变化规律,并且分析了隧道向前掘进时距掌子面不同距离的断面拱顶、拱底的变形量,分析了其变化规律,对双侧壁导坑法施工时超前支护与施工量测具有参考作用。数值分析结果表明,隧道开挖过程中隧道拱顶底达到竖直位移极值,左、右拱腰处产生水平位移极值;隧道开挖对前方围岩影响范围大约为隧道跨度;隧道衬砌轴力与弯矩最大值均出现在左侧导洞初期支护中期支护中部偏上,二衬拱脚两侧和隧道洞室顶部和仰拱处,所受内力较大。     

兴延高速浇花峪隧道爆破振动测试分析研究

为研究施工过程中隧道初期支护衬砌在爆破作用下的振动规律,基于兴延高速公路浇花峪隧道上台阶爆破工程,在距离掌子面38 m处开始设置传感器,并在拱顶、拱腰和边墙处分别安装1个传感器,监测掌子面推进过程中隧道衬砌的爆破振动速度。利用萨道夫斯基公式的非线性回归分析方法对振速的3个分量进行分析,得出： 1）拱顶振速大于拱腰振速,且均大于边墙振速; 2）拱顶振速的垂直方向、水平径向和水平切向分量拟合出的爆破衰减系数K、α均大于其他测试位置相应方向分量拟合出的K、α,且垂直方向的振速最大。对拱顶、拱腰和边墙3个位置处的主频进行回归分析,由回归得到的K值发现,隧道不同位置处的振动主频存在的关系为： f拱顶＞f边墙＞f拱腰。通过小波能量分析可知,拱腰处的频率成分相对较丰富且频带宽度较大,拱腰和边墙处的低频成分能量占比远高于拱顶,且拱腰处的低频能量最高。     

近断层隧道结构的地震响应分析

以穿越发震断层的高黎贡山段隧道工程为背景,采用数值模拟方法分析了隧道跨越发震断层以及在近场地震动作用下的地震响应。结果表明:隧道在地表永久位移的作用下会产生向斜上方的错动,沿纵向呈现"Z"字形态;在邻近断层的拱顶处出现最大主应力极值,在拱底处出现最小主应力极值;在近断层地震动的作用下,隧道横断面于拱肩及拱脚处出现内力极值,拱顶及拱底相对安全。     

高地震烈度下超大直径海底盾构隧道地震响应分析

运用FLAC3D软件采用动力有限元法对高地震烈度下超大直径海底隧道地震响应进行分析。通过分析得出如下结论:①与单纯自重应力场作用下相比,地震作用会造成结构内力增大,拱顶及拱腰为其受力薄弱部位;②在重力及地震共同作用下,衬砌结构的拉应力主要出现在拱顶附近,最大拉应力超过C60混凝土的抗拉强度设计值,拱顶的衬砌管片可能出现局部脱落;③衬砌结构的最大受力和位移一般发生在地震2-6 s的时间段;④各关键点位置的位移、弯矩、剪力、轴力时程曲线具有相似的变化规律;⑤隧道衬砌最大水平位移为3.6 cm,最大竖向位移为3.7 cm。     

干溶洞对大坝隧道围岩受力性状的影响分析

为研究溶洞位置对隧道围岩受力性状的影响,以湖南龙永(龙山—永顺)高速公路大坝隧道为依托工程,通过改变溶洞在隧道中的位置、间径比及洞径比,运用MIDAS数值计算软件分析隧道围岩位移和应力的变化。结果表明,各位置溶洞均会引起隧道围岩水平位移增加,且随着间径比的增大,最不利溶洞位置从顶部逐渐向水平和底部移动;受左侧拱脚、底部位置溶洞的影响,隧道拱顶沉降和底部隆起位移减小;受顶部、左侧拱肩及左侧水平位置溶洞的影响,隧道拱顶沉降和仰拱隆起位移有所增加,且随着洞径比的增大,溶洞最不利位置从顶部逐渐向水平位置移动;受左侧拱脚位置溶洞的影响,隧道拱脚最大主应力大幅增加;受左侧拱肩、左侧水平、左侧拱脚位置溶洞的影响,隧道底部最小主应力有所减小。     

节理对泥岩隧道稳定性影响分析

基于施工中常见的多节理岩体隧道开挖,通过数值模拟分析开挖后围岩塑性区分布,初支收敛位移、竖向位移分布特征,压剪应力以及初支塑性破坏区随节理力学参数及节理倾角的变化特征,研究节理对泥岩隧道稳定性的影响,结论如下:水平节理使拱顶及仰拱周边围岩的塑性区增大,相同节理力学参数,在节理倾角为15°、75°及90°时塑性区范围较大;收敛位移峰值多出现在拱脚或边墙处,竖向位移绝对值峰值均在拱顶,水平节理可在边墙施作锁脚锚管进行竖向位移控制,其他节理倾角软弱夹层工况,还需在锁脚锚管中注浆加固洞周岩体;各工况衬砌均是全环受压,且衬砌净空侧压应力大于围岩侧,衬砌塑性破坏受压剪应力控制。相同节理力学参数,在节理倾角为45°时压剪应力最小,在节理倾角为75°时压剪应力最大。     

土岩交错地层隧道爆破施工的振动响应及空洞效应分析

以汕湛高速揭博段水墩隧道为工程背景,运用数值模拟计算的方法,建立上软下硬地层下爆破振动的有限元计算模型,对爆破荷载作用下上部初期支护和围岩的振动响应及空洞效应进行研究。结果表明： 1）掌子面下部基岩爆破施工的振动荷载主要通过支护结构传递给拱顶围岩,而掌子面上部前方围岩（未成洞区）和后方围岩（成洞区）振动分布并不对称,其中成洞区围岩的振动速度和振动范围远大于未成洞区,说明上软下硬地层隧道爆破振动存在空洞效应; 2）成洞区单向约束是造成振动加剧的根本原因,围岩振动的纵向最不利位置为掌子面后方约2 m处,径向为软硬交界结构面与隧道外轮廓的切点处; 3）振动方向以径向为主,即拱顶围岩振动以竖向振动为主,初期支护拱脚以水平振动为主; 4）距离掌子面1倍(洞径)范围的拱顶围岩及初期支护拱脚是控制爆破振动的关键部位。     

波纹钢拼装式连拱明洞结构受力数值分析

为了验证波纹钢拼装式连拱明洞结构的可行性,以高山寨隧道为工程背景,采用ABAQUS开展了波纹钢-混凝土结构明洞受力的数值分析。结果表明,明洞结构左右洞均是拱顶靠近中墙侧沉降值最大,右洞拱顶偏左处竖向沉降值最大,靠近边坡侧水平位移最大;明洞波纹钢结构在靠近中墙处和两侧拱脚的弯矩值最大,在两侧拱肩处波纹钢应力值最大;混凝土结构在两侧拱腰处应力最大;明洞结构受力状态处于安全范围内。     

将军沟隧道支护结构断面形式优化分析

近年来,大量已建运营公路隧道发生漏水等多种形式的恶化现象已经引起了隧道工程界的关注,大量的研究表明,隧道结构的恶化现象在一定程度上是由于作用在隧道衬砌上的力或者是由衬砌混凝土的损坏引起的。因此,在隧道和地下工程的轴线选定以后,通过优化设计,不断地调整隧道和地下工程断面的几何形态,以改善支护结构的受力状态是隧道设计优化的最终目标。针对将军沟隧道工程,选取设计参数不同的4个支护结构断面,采用ANSYS有限元程序,对不同支护结构条件下隧道的受力、变形进行了数值模拟试验。数值模拟试验表明:选定4种支护结构断面形式,初次衬砌和二次衬砌的压应力都非常小;但考虑到拉应力对素混凝土的受力的不利影响,建议采用优化的结构形式,以减小拉应力。同时,考虑到隧道衬砌结构受力的最不利部位出现在隧道拱脚处,建议施工中加强对拱脚的支护,增加锁脚锚杆,以确保施工的安全。     

穿过滑坡的隧道变形与受力数值模拟分析

通过对某下穿滑坡隧道的开挖施工进行三维数值模拟,分析研究了隧道围岩位移、应力及初次衬砌应力的变化规律,并分析了采用中壁交叉法(CRD)进洞对控制开挖施工中围岩位移、应力变化的有效性.结果表明,受滑坡体的影响,隧道围岩纵向应力偏大,初期支护承受很大的纵向拉应力,拱顶和拱底处拉应力高度集中,而采用CRD法进洞能及时对开挖部...