隧道锚与隧道上下毗邻协同施工力学行为分析

为确定隧道锚与隧道上下毗邻协同施工最佳的施工工况,依托翁开高速四坪隧道工程,利用数字模拟手段对围岩竖向位移、塑性状态和初支内力进行分析,对比分析了三种不同工况下的围岩位移、塑性状态和初支内力的情况。结果表明：采用先施工主隧道再施工隧道锚,围岩的竖向位移最大;当采用先施工隧道锚再施工主隧道时,围岩的竖向位移最小还能有效减小塑性区范围,随着土体黏聚力的增大总体位移值和塑性区范围减小;上、中台阶支护连接部位内力较大,因此,应适当采取初支加强措施,保证在施工阶段支护的稳定性。     

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.     

在逆断层下盘开挖时距离对隧道围岩的影响研究

基于数值模拟方法,对隧道在逆断层下盘开挖时,隧道与断层之间的距离对隧道围岩的影响进行了研究.研究发现,隧道的开挖导致了断层的活化;随着隧道边界与断层边界之间的距离L变大,围岩的最大位移和最大增量位移逐渐由隧道的向断层一侧转向隧道的顶部,且随着L的增大,围岩最大位移和最大增量位移非线性减小,最后趋于稳定值;当L较小时,隧道两侧应力不均衡,随着L的增大,隧道两侧的应力逐渐变得均衡;断层对变形和应力有屏蔽作用;隧道稳定安全系数开始时随L的增大而增大,但当L增加到一定值后安全系数就不再增大.结果表明,随着隧道离断层距离的不同,断层对隧道围岩的影响也不同;本文的研究结论可为隧道的布置和施工措施提供重要依据.     

软弱围岩大断面隧道相向施工围岩稳定性分析与掌子面加固研究

相向施工的软弱围岩隧道临近贯通时,两开挖面的扰动区将会叠加,围岩应力及变形异常复杂,存在掌子面大变形和失稳问题。结合狮子垄隧道,采用数值手段分别对单向、相向施工时的隧道围岩应力与位移场进行研究,分析临近贯通时围岩的稳定性。结果表明,相向施工时,随着掌子面前方土体长度的减小,围岩塑性区明显增大,变形加剧,拱效应逐渐减弱,稳定性大大降低;两开挖面间存在极限距离,当2个掌子面距离小于该值时,围岩大范围临近塑性破坏,必须采取有效应对措施,方可保证隧道施工安全。在对掌子面加固、提高初支强度等措施效果分析的基础上,采用竹锚管注浆对狮子垄隧道贯通段掌子面进行加固,并提高初支强度,保证了该软弱围岩大断面隧道顺利安全贯通。     

大断面公路隧道围岩变形地质因素分析

新七道梁隧道是甘肃省在建的开挖断面最大的公路隧道,地质条件复杂.对隧道围岩收敛测量数据进行曲线分析,并从岩体质量、断层破碎带、不连续面空间位置、地下水、隧道埋深等方面分析它们对围岩变形的影响程度.结果显示:1)岩体质量与隧道开挖后围岩的变形成反比;2)断层破碎带区段围岩变形量大、持续时间长;3)隧道开挖与不连续面成逆倾向、大倾角时,围岩变形小;4)地下水引起围岩稳定性下降,变形增大;5)隧道埋深也是影响围岩变形的因素.     

基于双折减系数法的隧道掌子面稳定性分析

在隧道施工过程中，掌子面发生坍塌的事故屡见不鲜，特别是在破碎岩体隧道开挖后，围岩自稳能力差，易出现坍塌破坏。通过研究掌子面破坏时楔形滑动体力与力矩的静力平衡，采用双折减系数法分析跨断层处破碎带对隧道施工过程中掌子面稳定性的影响。结果表明:断层倾角逐步减小时，断层泥体积增大；由于断层泥强度较小，掌子面不稳定，须采取加固措施。     

隧道断层突水突泥前兆信息演化规律数值模拟研究

为研究隧道穿越断层突水突泥灾害发生机制，在分析渗流诱发断层突水突泥机制的基础上，依托江西永莲隧道断层破碎带突水突泥灾害工程实例，采用数值模拟方法，建立可模拟隧道动态开挖穿越断层带过程的有限元计算模型，分析隧道开挖过程中渗流场、应力场、隧道涌水量、塑性区分布等灾害前兆信息的演化规律。研究结果表明，当掌子面接近断层时，应力场、位移场、渗流场、塑性区分布等前兆信息均发生了突变。主要表现在： 1）应力集中现象达到最大，增幅接近1倍，高应力集中极易导致隧道施工至断层附近区域围岩失稳； 2）隧道围岩位移包括拱顶沉降与拱底隆起急剧性、突变性增大； 3）渗流速度急剧增大，地下水更容易向洞内渗透，地下水对围岩的蚀溃破坏作用加大； 4）围岩塑性区范围覆盖了整个洞周范围并且屈服深度有所增加； 5）隧道开挖接近断层时极易造成突水突泥灾害，施工中应积极采取有效的防控措施。     

下伏水平煤层采空区对隧道开挖稳定性影响研究

隧道下伏水平采空区时将对洞周位移、初期支护内力、围岩应力产生不利影响。以达万高速公路天坪寨隧道为依托工程,采用FLAC3D模拟了隧道下伏水平采空区时的开挖过程,分析了煤层厚度对隧道洞周位移、初期支护内力和围岩应力的影响。结果表明,随煤层厚度的增加,拱顶沉降、拱底隆起及洞周最大位移显著增加;当煤层厚度小于1.7m时,随厚度增加,最大正弯矩、最小轴力均明显增加;超过2m后,初支内力的变化趋于稳定;煤层厚度变化对拱顶围岩压应力以及洞周围岩最大压应力有较大的影响。     

预留核心土法施工穿越断层破碎带隧道的围岩变形分析

以某穿越断层破碎带隧道工程施工为依托,借助FLAC 3D有限元分析软件,数值模拟分析穿越断层破碎带隧道在预留核心土法施工时隧道围岩变形情况,并通过布设相应监测点,分析开挖过程中监测点的位移变化情况,得到拱顶沉降、拱腰水平位移、仰拱隆起位移以及对应最大变形量变化规律。分析发现在开挖至破碎带临近区域围岩位移发生突变,在相应部位支护施工需采取必要的加强措施;使用预留核心土法施工该断层破碎带隧道,围岩整体变形不大,施工安全可控。     

泥砂岩互层隧道围岩蠕变变形的有限元分析

随着我国高速公路隧道建设事业的迅速发展,越来越来的隧道开挖需要面临泥砂岩互层围岩蠕变变形过大的安全问题。基于贵州省望安高速公路河边隧道的工程概况,采用ABAQUS有限元分析软件,建立了泥砂岩互层隧道围岩蠕变计算模型,得到了围岩蠕变30 d后的水平位移和竖向位移分布云图,给出了监测点水平位移和竖向位移随时间的变化曲线,分析了泥砂岩互层隧道围岩蠕变过程中水平位移和竖向位移的分布规律。计算结果表明,泥砂岩互层隧道围岩蠕变过程中拱顶沉降随时间增加的程度最显著,且预留变形量由拱顶沉降控制。     

砂板互层岩体中隧道围岩力学特性研究

通过建立可反映互层岩体中砂岩与板岩组成、岩层倾角、岩层走向等因素变化对岩体变形影响的互层岩体本构模型,研究了砂板互层岩体中隧道围岩的力学特性。研究结果表明:岩体中板岩体积含量越高,围岩最大变形及破坏范围越大,隧道周边围岩变形不对称性也越明显,板岩结构面的内摩擦角大小对岩体变形及破坏范围影响很大,板岩沿结构面破坏为砂板互层岩体的主要破坏形式之一;砂板互层岩体的倾角变化将影响隧道周边围岩变形的对称性及破坏区域的分布,倾角在40°～60°时,围岩变形的不对称性最明显,板岩含量较高时,砂板互层岩体的最大变形随倾角的增大而降低;岩层的走向与洞轴线交角越大,围岩变形越小,隧道周边围岩变形也越趋于对称,在陡倾砂板互层岩体中,洞轴线应尽可能沿与岩层走向大角度相交的方向布置以利于围岩的稳定;随着埋深的增加,围岩变形及破坏范围均增长,因岩层倾角、走向变化引起的隧道周边围岩变形不对称性也越明显。     

考虑水影响的关角隧道断层区围岩亚分级研究

在断裂构造发育区段围岩情况变化频繁,如何根据现场揭露的围岩情况采取相应的支护措施防止坍塌和大变形是这类区段施工的难点。以关角隧道断层区隧道施工为研究对象,对有水和无水条件下的支护结构受力进行了计算。计算结果表明围岩越差,在有水和无水时,衬砌内力相差越大,即恶化越严重。结合该工区围岩特征、受断层影响情况和地下水发育情况将关角隧道断层区围岩等级划分为Ⅳ1、Ⅳ2、Ⅴ1、Ⅴ2级,提出了相应的现场定性判别标准。为了应对断层区围岩可能发生坍塌、大变形,同时应对的工法转换带来的设备、工序变化,加快断层破碎带区段的施工进度,结合断层区围岩亚分级提出对应的开挖方法为上下台阶和上下台阶预留核心土法。     

复杂地质隧道施工的沉降变形分析

针对黄土隧道围岩强度低、自承载力弱、开挖变形大的问题,基于数值模拟法对黄土隧道施工过程模拟仿真,得到隧道围岩开挖溶洞的位移变形特征和应力变化,并给出相应的隧道变形沉降控制措施。研究结果表明:隧道开挖过程中,掌子面上部围岩形成一个U形的整体沉降区,由隧道表面延伸到拱脚处,边界接近垂直。隧道开挖对围岩影响集中在隧道中线35 m范围,掌子面前方20 m内,其中在隧道中线20 m,掌子面前方6 m沉降值达到总沉降的24%~45%,沉降集中在掌子面至初支护封闭阶段。实际工程中,可通过加强拱脚强度、提高初期支护和超前支护、减少封闭距离来有效控制围岩沉降变形。     

基于锚杆受力分析的软岩隧道变形规律及柔模支护技术

研究支护状态下围岩变形范围及其位移量将为合理确定软岩隧道开挖的预留变形量及其支护方案提供重要的理论依据。通过将隧道围岩简化为理想弹塑性介质,在围岩中布设全长锚固锚杆。基于锚杆与围岩的协调变形原理,建立杆体与其周围岩体相互作用的力学模型,分析锚杆表面摩阻力及轴力的分布规律,并根据杆体的静力平衡条件,推导出杆体与岩体相对位移为0的中性点位置及其最大轴力值,讨论初期支护条件下隧道围岩的塑性区及破裂区的厚度计算公式及其影响因素;综合考虑隧道表面围岩变形过程中的塑性位移和破裂区岩体的碎胀变形位移,提出隧道表面围岩的位移公式及预留间隙柔模支护技术,进而定量分析榴桐寨软岩隧道的围岩位移及其预留变形量。结果表明：通过锚杆轴力可以反演分析隧道围岩的变形范围,确定围岩稳定后的最终位移量;柔模支护结构能够大量吸收大变形软岩的变形能,且具有适当的刚度抵抗围岩的有害变形,研究成果可为合理设计软岩隧道的开挖及支护方案提供新的思路。     

开挖与回填过程中隧道受力和承载拱效应研究

为研究开挖和回填过程中既有隧道受力变化及其与承载拱之间的联系,设计模型试验,通过考察开挖与回填过程中既有隧道的位移、内力及围岩压力,得到隧道受力变化规律,并对隧道受力与承载拱之间的联系进行分析。结果表明: 1)既有隧道上方开挖过程中由于承载拱的存在,会使隧道经历无影响、弱影响、强影响3 个阶段,但既有隧道上方回填过程中不会产生承载拱,填方对隧道的影响基本呈线性增加,隧道处于持续受影响状态; 2)回填后的结构受力普遍大于相同覆土高度下开挖后的结构受力,且拱顶和仰拱相对其他部位受影响较大,易因内侧受拉出现裂纹; 3)承载拱的产生与否主要取决于一定埋深隧道围岩应力状态是否经历三向应力-二向应力转变的历程,隧洞开挖时围岩应力的转移和重分布导致了承载拱的产生。     

裂隙岩体中渗流作用对隧道围岩稳定性的影响分析

隧道穿越节理裂隙发育地质环境时，水压力以及节理裂隙发育程度会对开挖后围岩的稳定性产生影响。以某隧道为工程背景，运用离散元理论，考虑流固耦合作用，分析了水位高度和节理法向刚度对隧道开挖后洞周位移收敛、围岩剪应力及塑性区、支护结构受力的影响。计算结果表明:在一定范围内，水位高度和节理法向刚度越大，围岩塑性区的范围越小，衬砌结构受到的内力越小，隧道越安全。     

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。     

穿越紧邻隧道时盾构开挖面稳定性分析

当盾构近距离穿越邻近隧道时,由于存在既有隧道的刚度约束,隧道周围土体的破坏模式会受到既有隧道影响。考虑盾构近距离穿越紧邻已有隧道的特殊施工形式,构建三维弹塑性有限元计算模型,分析盾构处于不同位置时其开挖面失稳破坏形态、开挖面支护压力与盾构掘进位移之间的关系以及隧道上方地表沉降规律;基于极限平衡法,推导盾构近距离穿越紧邻隧道时开挖面极限支护压力变化模式,并对相关参数的敏感性进行验证讨论。研究结果表明:既有隧道的存在使得破坏区域受到抑制,沿开挖方向两滑动面不对称,靠近既有隧道的滑动面张开角比另一滑动面张开角小;随着楔形体倾斜角增大,相同内摩擦角条件下的开挖面支护压力不断增大,同时由于盾构掘进产生的土拱效应和盾构开挖面上方既有隧道的刚度约束,随着内摩擦角的不断增大,开挖面支护压力呈先增大后逐渐减小的抛物线形变化;相同参数条件下,盾构在黏性土层中掘进时,由于黏性土层中产生的土拱效应较弱,所需提供开挖面稳定的支护压力略大,开挖面支护压力较盾构在砂性土层中掘进时略大,随着埋深比的增加,维持盾构开挖面稳定的极限支护压力逐渐增大,且随着内摩擦角的增大,开挖面极限支护压力相应增大。研究成果可为类似盾构隧道工程建设提供一定的理论参考。     

基于数值模拟隧道仰拱开挖对初期支护的影响分析

在山岭隧道施工过程中,施作仰拱虽能很好地控制洞室位移,抑制底鼓现象发生,但隧道仰拱的开挖一般都在初期支护基本稳定之后,其开挖会使上部支护结构底角短暂悬空,底角应力释放,从而引起开挖段洞周位移的急剧增加。通过对阎家庄隧道开挖过程的实时监测,分析仰拱开挖前后拱顶下沉和净空收敛的变形量和变形速度,结合ANSYS有限元软件,分析隧道开挖前后初期支护内力的变化。仰拱的施作能使围岩内力分布更加均匀,避免应力集中,但隧道仰拱开挖引起的洞室围岩的变形约占总变形量的25%,需引起施工注意。