底部隐伏溶洞隧道施工阶段围岩稳定性分析

结合实际隧道工程施工案例,运用有限元软件分析了底部隐伏溶洞对隧道围岩稳定性的影响,并将计算结果与监控量测数据进行对比。结果表明,随着隧道开挖面逐渐进入岩溶区,仰拱处围岩位移急剧增长,且由于底部岩体整体性变弱及仰拱与溶洞间的岩体变形刚度减小,仰拱位移逐渐大于拱顶位移;在距离岩溶区大约1D范围内,仰拱底处围岩竖向位移显著上升,拱顶、仰拱底处围岩最大主应力逐渐减小,拱肩处围岩最大主应力逐渐增大。     

广东某隧道溶洞处治段支护结构变形及受力特征研究

以广东某新建公路长大隧道工程为例,运用三维有限元软件（FLAC3D）对该隧道溶洞处治段支护结构的变形及受力进行了分析,探讨了溶洞处治结构对隧道变形及受力的影响。研究结果表明:三车道公路隧道开挖中,隧道周边位移变形规律为:拱顶沉降 仰拱隆起 水平收敛;溶洞处治结构传导了两侧围岩作用力,维持了溶洞处围岩稳定性,对减小隧道拱顶变形意义重大,但对隧道水平收敛及仰拱隆起基本无影响;溶洞处治后,溶洞内部棱角处存在应力集中现象,易发生失稳,导致溶洞的二次坍塌,为保证隧道结构的安全,应对溶洞内部进行相应的处理。     

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。     

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。     

对黄土隧道仰拱以下围岩进行加固的探讨

围岩为新黄土的隧道段仰拱承载力不足,对隧道衬砌结构的安全存在很大风险,往往在土建施工完成后或者在运营阶段路面出现开裂、边沟严重变形等病害现象。本文探讨通过旋喷桩对仰拱下基础进行加固,提高基础承载力,进而达到提高衬砌承载力的目的。     

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。     

祈家大山隧道病害治理方案数值模拟研究

对祁家大山隧道病害情况及治理方案进行了介绍,基于软件平台2D-σ对推荐方案治理前、后隧道围岩稳定性和衬砌结构受力状态进行了弹塑性有限元分析,计算结果表明,套衬和仰拱施做工序对隧道结构产生较大影响,2种工序治理后隧道围岩和衬砌结构均处于安全状态。     

硫酸盐腐蚀对浅埋公路隧道安全性能的影响

针对受硫酸盐化学腐蚀后Ⅴ级围岩中埋深为10 m的隧道,运用同济曙光软件建立荷载-结构法拉压弹簧模型进行分析计算,计算表明:硫酸盐化学腐蚀可使隧道衬砌产生劣化,这一现象对病害处衬砌的力学性能影响较大,对无病害处衬砌的力学性能影响较小;无论是裂缝还是剥落病害,拱顶处病害比拱腰处病害对隧道安全性的影响大;起拱线处的剥落病害对隧道安全性的影响也不容忽视;隧道衬砌同样位置发生剥落病害或裂缝病害时,剥落比裂缝对隧道整体安全性的影响程度大.     

超声阵列法在公路隧道仰拱厚度检测中的应用

公路隧道仰拱厚度不足,不仅影响隧道衬砌结构的承载力,还会造成隧道路面、衬砌结构开裂,严重时会导致出现底鼓、沉陷、错台等病害,直接影响公路隧道的运营安全性和使用耐久性。超声阵列法在隧道仰拱厚度检测中被首次引入,可以实现公路隧道仰拱厚度的检测。首先对公路隧道仰拱质量检测的研究现状进行深入调研,然后重点介绍了超声阵列法的检测原理、设备的参数选择和现场的测点布置方式,最后以公路隧道现场实测的仰拱厚度检测数据为例进行分析,准确、直观地探测出了隧道的仰拱厚度信息,该方法可为我国公路隧道仰拱厚度的检测提供借鉴和参考。     

华蓥山隧道富水带衬砌结构安全性评估

以华蓥山隧道工程为依托,就涉及富水区隧道衬砌结构的安全性开展研究,运用FLAC3D有限差分软件对隧道的开挖进行了仿真分析,计算隧道衬砌各处内力,并按照破损阶段法求得断面各处的安全系数,进而对衬砌结构的安全性进行评价。计算结果表明:仰拱部位易发生涌水,拱脚处安全系数最小,不满足规范要求,是衬砌结构强度的薄弱环节,应适当加强来提高二衬的安全储备,该评价结果可为隧道的安全施工提供一定的指导意见。     

大断面公路隧道临近溶洞开挖稳定性模型试验研究

为探明三台阶开挖中半揭露溶洞对大断面公路隧道稳定性的影响,以李洞隧道为研究对象,通过模型试验和理论分析,研究不同位置、不同尺寸溶洞对隧道围岩变形及初期支护结构受力特征的影响。结果表明： 1）不同位置、不同尺寸溶洞存在下隧道拱顶沉降及周边收敛时程曲线均呈“S”形变化,大致分为初期缓慢增长-突变-增长减缓-稳定4个阶段。2）掌子面挤出随溶洞内压变化呈现“指数型”增长,具有明显的内压突变点,仰拱位置处溶洞突变内压最低、边墙位置处溶洞突变内压最高,直径越小的溶洞对应的突变内压越高。3）溶洞位置对近侧的支护结构影响较大,对于远侧的支护结构影响偏小。改变溶洞位置,隧道钢拱架左侧的轴力呈现一定的波动,而右侧的轴力趋于稳定。     

隧道底部溶洞顶板安全厚度研究

隧道底部隐伏型溶洞在隧道运营车辆荷载的作用下会产生变形甚至塌陷,从而给隧道衬砌带来一定的安全隐患,倘若溶洞顶板厚度足够大的话,那么就可以避免上述现象的发生。在Ⅴ级围岩情况下探讨了溶洞高度对隧道衬砌及溶洞顶板稳定性的影响,同时也研究了在不同溶洞宽度下溶洞顶板的最小安全厚度,对岩溶区隧道施工与设计有一定的借鉴意义。     

重庆礼让石膏岩隧道衬砌结构设计与施工稳定性分析

膨胀性石膏岩遇水极易发生复杂化学反应且体积发生持续性膨胀,从而引发岩石力学性能的不可逆性变化。为系统研究高速公路隧道在石膏围岩环境中的衬砌结构特性,将数值计算与《公路隧道设计规范》结合,分析衬砌结构强度安全系数,并对现场的初支、二衬间接触压力等方面进行了综合分析。结果表明,实测荷载作用下结构的最不利位置为拱腰和拱脚处,二衬的安全性要远高于规范荷载下的情况,因此隧道石膏岩支护设计以及必要的辅助工法施作可以实现隧道长期稳定。现该隧道已顺利竣工进入运营期,更说明衬砌设计的合理及施工安全性。     

基底状况对山岭隧道仰拱结构受力的影响研究

以云南地区某高速公路隧道为依托,针对隧道仰拱开裂状况,采用荷载-结构法建立隧道结构计算模型,分析外水压力、基底软化两种典型基底状况对隧道仰拱受力的影响,从而明确隧道仰拱病害成因。计算结果表明:外水压力和基底软化对仰拱结构受力的影响规律相一致,引起了衬砌结构内力重分布,改变了仰拱结构弯矩分布形态,仰拱弯矩由"驼峰状"分布向"鱼肚状"分布变化,弯矩最大值由两侧向仰拱中心转移;增大了仰拱结构偏心程度和应力集中情况,使仰拱结构受力条件恶化,易导致仰拱中心处发生拉裂破坏。比较而言,地下水的影响更为明显。外水压力和基底软化共同作用是引起本依托工程仰拱开裂的主要原因。     

不同应力场软弱围岩隧道施工力学特征的数值分析

岩体内部的初始应力及隧道开挖后的围岩应力是隧道工程的关键影响因素,为了更全面地了解不同应力场软弱围岩公路隧道施工的力学特征,建立有效的有限元模型,采用不同加载方式,模拟不同应力场,对软弱围岩公路隧道施工过程中隧道围岩位移和应力变化特征及其影响范围进行了详细分析,并对衬砌结构的受力特征进行深入研究.结果表明:不同应力场决定了隧道施工过程中围岩塑性区的大小和位置,这也就决定了隧道施工中重点监控的位置;在不同应力场隧道开挖完成后,拱上20 m水平面围岩竖向位移、拱上中心线围岩竖向位移及仰拱底围岩竖向位移随着侧压力系数的减小而明显增大,拱腰处围岩水平位移则随着侧压力系数的减小而明显减小;应力场对衬砌结构的内力影响很大.     

隧底溶洞处理后衬砌的受力分析

隧道底部溶洞处理时,存在填充物弹性模量大于围岩弹性模量现象,影响衬砌受力状态,可能导致裂缝的产生。针对这一问题,以温克尔弹性地基梁理论为基础,对溶洞处理后衬砌的内力和位移进行计算,并结合数值模拟结果进行对比分析。主要研究结论如下： 1）溶洞填充物对衬砌起支撑作用,引起溶洞与围岩交界处附近出现较大剪力和弯矩; 2）溶洞段衬砌拉应力增大较快,应加强此段衬砌结构的配筋,加设抗弯和抗剪钢筋,提高结构抗拉及抗剪能力,达到抑制裂缝产生的目的; 3）确保溶洞填充物尽量与围岩弹性模量相近,交界处介质的弹性模量连续递变,以改善溶洞段衬砌的不利受力状态。     

米拉山隧道凝灰岩开挖与支护力学特性研究

通过对实测数据分析可知,米拉山隧道凝灰岩遇水软化对围岩的变形影响很显著,为此,采用数值模拟方法对米拉山隧道凝灰岩开挖与支护力学特性进行了研究,获得了在不同时期围岩遇水软化和各分步开挖阶段围岩的位移、应力场变化规律,支护衬砌结构的变形、应力分布及内力分布情况。围岩遇水软化后,由于隧道的变形,锚杆与围岩发生相对滑动,锚杆嵌入隧道围岩,隧道变形大的部位也是锚杆受力大的部位,同时该部位锚杆与围岩的相对滑动也最大。隧道下台阶一次性开挖后施作的锚杆受力左右成对称分布,下台阶左右分步开挖施作的锚杆受力成不对称分布,后面施作的锚杆受力小于前面施作的锚杆受力。隧道围岩遇水软化后初期支护发生整体下沉,沉降量由拱脚向拱肩逐渐增大,拱顶沉降相对小于拱肩沉降;通过对不同阶段隧道围岩遇水软化下二次衬砌和仰拱的受力分析,发现在围岩软化的情况下进行隧道的开挖时,下台阶一次性开挖、仰拱一次性施作对隧道的安全性和稳定性方面都有提高,并得出不同阶段隧道围岩遇水软化隧道在后期运营阶段均处于安全状态。     

含水率差异对膨胀性红黏土隧道施工力学行为的影响

膨胀性红黏土因其特殊的水敏性,使得自身遇水膨胀,是造成隧道围岩失稳的重要原因。 为建立含水率与膨胀率的关系,从 而明确含水率变化对大断面膨胀性红黏土隧道及支护结构受力变形的影响,以银西高铁庆阳膨胀性红黏土隧道为研究背景,通过 现场监测确定围岩含水率波动范围;结合室内试验建立含水率与膨胀性和抗剪强度的对应关系;将土体含水率变化条件下的膨胀 关系同材料受热膨胀特性进行联系,利用ABAQUS内置的温度应力场模拟湿度应力场,分析不同含水率作用下隧道围岩压力、衬砌 结构内力与变形量值的重分布规律。 结果表明: 开挖后不同含水率最终趋于饱和时,随着初始含水率的降低,围岩及支护结构受 力增大,仰拱与拱脚处相对位移提高,拱顶、拱腰与边墙处相对位移降低,整体安全系数逐渐降低;对开挖后洞周平均含水率20.7% 而言,最终趋于饱和时围岩压力安全系数为2.2,衬砌安全系数为1.1,围岩相对位移为0.97%;相比于围岩压力和衬砌结构受力, 含水率变化对洞周围岩变形影响最大;基于特殊地质情况,建议将隧道预留变形量提至150~180 mm。     

基于安全度的大断面黄土隧道施工方法对比分析

为研究大断面黄土隧道围岩和支护结构的安全与稳定,采用有限元软件ANSYS对弧形导坑法(AHM)和核心土加临时仰拱法(CSTIM)的施工过程进行了数值模拟,对比分析了2种施工方法引起的隧道周边围岩位移场、应变场以及初支和二衬的安全性。结果表明:1)采用CSTIM法施工可减小拱顶沉降40%左右,且沉降区域仅在隧道开挖跨度范围内;2)临时仰拱左右两侧安全系数最小仅为0.12,拱顶和左右拱腰安全系数均大于4.0,永久仰拱安全系数处于0.5~2.5之间;3)二次衬砌受力普遍较小,具有足够的安全储备;4)采用AHM法施工围岩竖向位移较大、支护安全系数分布不均、衬砌局部处于受拉状态。因此,从对围岩扰动大小、支护和衬砌安全性以及施工工序等方面综合考虑,CSTIM法均优于AHM法。研究成果可供黄土地区大断面隧道变形控制和施工方法的选择参考。     

大跨度软岩公路隧道仰拱承载性能及安全性研究

以陕西宝汉高速公路连城山隧道(双洞六车道)绿泥石片岩段为例,分析了大跨度软岩公路隧道仰拱病害原因,建立了隧道仰拱的弹性地基曲梁模型,推导了仰拱结构内力、仰拱地基反力等计算公式,分析了原设计仰拱二次衬砌极限承载力和受力规律,评价了原设计仰拱结构安全性;在此基础上,探讨了各仰拱参数对仰拱极限承载力的影响规律及敏感度,计算了参数变更后仰拱二次衬砌的极限承载力,并结合仰拱受力测试,进一步考察了参数变更后仰拱结构安全性。结果表明：隧道墙脚以沉降变形为主,导致仰拱两端承受很大的竖向荷载,而原设计仰拱本身承载力较弱,加上仰拱地基软弱并且受地下水的软化效应和高应力下的蠕变效应影响,是连城山隧道仰拱开裂破坏的主要原因;仰拱最危险截面距离仰拱端部约为半幅仰拱相应圆心角的1/5~1/4处,即位于墙脚附近,与现场观察到的墙脚附近仰拱回填开裂、仰拱与仰拱回填脱离等破坏现象一致;增大仰拱厚度、减小仰拱半径、增大仰拱钢筋直径和减小仰拱钢筋间距均能显著提高仰拱极限承载力,其中减小仰拱钢筋间距的效果相对最为显著;而由于仰拱最危险截面的受压区高度很小,提高混凝土强度等级对于改善仰拱整体安全性并不显著;参数变更后的仰拱二次衬砌采用C35钢筋混凝土,厚度为1 m,半径约为13.4 m,钢筋直径为28 mm,钢筋间距为20 cm,极限承载力可达原设计的3.6倍以上,结构安全性大幅提高;为提高材料利用率,建议仰拱混凝土强度等级采用C30。