山岭隧道断层破碎带富水段开挖方法的对比分析

以小北山1号隧道为研究对象,采用FLAC3D有限元模拟分部开挖的几种工法,对隧道穿越F3断层破碎带处的开挖过程进行了模拟。针对4种不同施工工法情况下竖向位移、围岩应力以及塑性区进行了对比分析,结果表明,采用预留核心土法时得到的底部隆起、拱顶沉降量和拱脚最大主应力是四种工法中最小的;尽量减小对围岩体的扰动可以对隧道顶部的沉降控制起到一定的作用;拱肩处出现的受拉塑性区在施工过程中容易造成洞室的整体失稳,需及时支护。     

爆破震动对小净距隧道影响的数值分析

小净距隧道后行线的爆破施工会对先行线的初期支护结构产生震动影响.为了研究该影响,笔者结合湖南省某隧道,对小净距隧道后行线的爆破施工进行数值模拟,计算了不同净距时,隧道先行线不同断面、不同位置的衬砌单元主应力及质点的震速,整理分析后得出以下结论:衬砌迎爆侧受爆破震动影响较大,主应力和震速的极值都出现在迎爆侧墙腰位置;衬砌内侧的应力值略大于外侧;主应力和质点震速的极值都随净距的增大而减小;近爆点水平方向的震速值大于竖直方向.     

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.     

跨断层带隧道结构力学与地震动响应特性研究

通过分析现场实测应力数据,首先对雅康高速跨断层破碎带的紫石隧道进行了支护结构的力学特性研究,然后进一步通过三维数值仿真分析,对紫石隧道进行了地震动力响应研究。研究内容包括地层位移响应、衬砌结构与围岩的加速度响应及二衬结构的内力分布特征等。研究结果表明:穿越断层破碎带隧道二衬需要分担50%～60%围岩压力;内力最大的截面为拱顶和拱脚处;隧道衬砌内力前30d快速增长,30d后增速降低,90～100d后趋于稳定,二衬弯矩在截面上呈"云状"分布;地震作用下,隧道断层破碎带段围岩位移和加速度的动力响应均比普通围岩更为明显;断层破碎带与普通围岩接触面存在较大的位移错动量,且该处加速度响应不同步,容易引起错动破坏;隧道各段衬砌横断面上的内力分布特征基本相同,但断层破碎带段有更大的内力极值,内力极值位于断面共轭45°方向;隧道抗震设防既应考虑断层破碎带段,也应考虑其与普通围岩的过渡段等。     

近场脉冲地震作用下穿越断层带隧道地震响应

在地震动峰值、速度脉冲及结构的地震响应等方面,近场地震动常表现出和远场地震动不同的特性。依据地震动破坏势从NGA-West2地震动库中选出2条近场脉冲型地震动,并与2条远场地震动进行对比分析,从而得到其频谱特性,即近场脉冲型地震波具有较明显的速度幅值,PGV与PGA比值及PGD与PGA比值较大,速度敏感区位于长周期段等特点。结合都汶高速公路龙洞子隧道工程,建立穿越断层带的隧道结构三维有限元模型,并以横断面方向分别输入近、远场地震波进行计算,研究近场脉冲型地震作用下穿越断层带隧道结构地震响应特性。结果表明：在近场脉冲型地震动作用下隧道的等效应变峰值较远场地震动大,并且在速度脉冲特性更显著的集集地震波作用下的应变峰值更大;与远离断层处相比,在断层面附近隧道横断面的等效应变峰值分布规律发生了变化,其横截面等效应变峰值最大处由拱脚变为拱顶,且在4种地震波作用下拱顶处结构的等效应变均超过了混凝土的峰值应变,进入破坏阶段;断层带内的隧道地震响应明显强于围岩条件较好的地层中的隧道,而断层带与较好围岩交界面附近的隧道地震响应更为剧烈,应变峰值随距断层距离的增大而迅速衰减。所得数值模拟结果与实际震害现象一致,可以为近场脉冲型地震动作用下穿越断层隧道的抗震设防提供参考。     

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。     

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。     

基于隧道断层破碎带的初期支护净空侵限处治

为解决某隧道洞口段初期支护侵限的问题,采用现场监控量测、数值模拟等方法,在隧道初期支护侵限过程及隧道宏观表征分析的基础上,对隧道断层破碎带初期支护侵限机理展开分析,提出处治方案,并对处治方案效果进行评价。本工程F9断层破碎带围岩较差,地下水作用下拱顶荷载增大、拱脚麻岩承载能力降低是初期支护侵限的客观原因,拱脚悬空时间过长是主观原因;采用"全径向注浆加固+换拱"的处治方案避免了初期支护再次发生侵限,隧道最终顺利通过洞口断层破碎带。     

基于有限元的浅埋隧道受力分析及变形破坏处理

采用有限元软件对浅埋隧道受力进行分析,分别从垂直向位移、主应力及剪应变来分析隧道围岩受力情况,分析结果与实际变形破坏一致。垂直向位移最大发生在拱顶,主应力最大集中在拱顶及拱脚,剪应变最大在拱脚。根据分析结果制定合理的隧道变形破坏处理方案,处理后,隧道变形较小,结构稳定。     

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。     

富水区城市公路隧道中隔壁法各开挖步力学特征研究

以深圳东部过境高速公路连接线工程为依托,基于应力场-渗流场耦合的数值模拟方法,研究富水区城市公路隧道中隔壁法各开挖步力学特征。结果表明:中隔壁法各开挖步骤的围岩主应力变化特征明显,隧道目标面围岩总体受压,在隧道两侧拱腰至拱脚处存在较为明显的压应力集中现象,而拱底及掌子面则出现少量拉应力集中;不同开挖步拱脚处初期支护应力最大,拱腰、拱肩和拱顶处应力量值较为接近,而拱底处应力最小;初期支护受力随隧道开挖进程变化幅度较小,初期支护具有一定的安全储备;各径向特征点水压力均呈现从注浆圈外侧至初期支护外侧逐渐减小的趋势,而各环向特征点水压力由拱顶至拱底逐渐增大;对于作用于初期支护上的水压力值,数值计算结果稍大于不考虑开挖影响的理论预测值,表明中隔壁法隧道施工各开挖步对衬砌背后水压力大小及分布规律有一定影响。     

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。     

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。     

漳龙高速公路扩建隧道围岩力学特性三维有限元分析

为分析隧道扩建过程中围岩的力学特性,确保施工期间围岩的稳定性,以漳龙高速公路后祠隧道扩建工程为依托,建立了反映实际地形的三维有限元模型,对后祠扩建隧道施工期间地表沉降、拱顶下沉、周边位移的特征以及拱脚和拱顶的应力变化规律进行计算分析。计算结果表明： 原位扩建隧道位移变化规律不同于普通新建隧道位移变化规律,隧道原位扩建施工过程中,地表沉降曲线表现出了明显的非对称性; 隧道掌子面前方12 m及掌子面后方24 m范围内变形较为迅速,为非稳定变形段; 根据隧道拱顶位移曲线,提出了针对扩建隧道位移空间变化规律的公式,该公式能预测后祠隧道的变形,从而为施工提供建议和指导; 隧道拱脚表现为压应力集中区,随着开挖的进行,拱脚主应力逐渐增大,而拱顶主应力逐渐减小并向拉应力过渡,最终拱顶呈现出较小的拉应力。     

高地应力区深埋隧道软弱围岩支护结构力学特性研究

通过对高地应力区深埋隧道上下台阶法施工过程的弹塑性三维有限元数值模拟,对初期支护锚杆、喷射混凝土、钢支撑及二次衬砌混凝土的力学特性进行了分析。结果表明：喷射混凝土拱顶、拱肩处的位移和最大主应力及拱肩处的剪应力较大,受钢支撑影响显著;隧道开挖后的应力集中对其周边1.0m范围内的锚杆轴力有很大的影响;钢支撑轴力和竖向剪断力随距掌子面距离的增大而增大;二次衬砌不同层位、不同位置处的主应力和剪应力有较大的区别。分析结论为高地应力区深埋隧道支护结构设计及其稳定性评价提供了依据。     

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。     

双洞八车道小净距隧道施工力学模型试验

基于室内模型试验,对深圳市南坪快速II期双洞8车道小净距隧道施工中隧道变形分布规律、二衬开裂破坏规律、裂缝集中部位及不同净距条件下二衬的极限承载力变化规律进行了研究。研究结果表明:在不同净距条件下,洞周各部位变形大小的分布情况基本相同,拱顶>右拱肩>左拱肩>仰拱>拱脚;起拱线以上各部位,包括拱顶、左拱肩、右拱肩的变形量,位移随双洞净距的增大而减小;可将12 m(约0.5B)作为IV级围岩下的最小合理净距,净距对起拱线以下各部位变形的影响不明显;最终裂缝集中出现在两洞仰拱和拱脚处,仰拱处裂缝全部贯通,拱脚处裂缝较小,一般不继续发展;远离中柱侧的拱肩也有可能出现贯通裂缝。     

高地应力状态下软岩公路隧道的大变形机理与规律研究

高地应力区软岩隧道地质条件复杂,使软岩隧道变形控制难度加大。以某一工程实例为对象,运用MIDAS/GTS软件建立了软岩公路隧道模型,分析了不同侧压力系数下对高地应力软岩隧道开挖变形的影响作用。研究结果表明:随着侧压力系数的增大,隧道围岩水平位移由向隧道外挤压变形转化为向隧道内收敛变形,K值在0.5~0.75时,存在一个水平位移零点,最终水平变形量为0;对于隧道竖向位移变形,当侧压力系数小于1时,隧道最大竖向位移出现在拱顶处。当侧压力系数大于1时,上拱变形加强,但整体依然表现沉降变形,隧道最大竖向位移出现由拱腰转移到拱间处。K值在1附近时,隧道水平变形和拱顶变形所形成的最终变形量相等,可根据现场对水平位移和拱顶位移间的位移关系来判定隧道围岩侧压系数的大致取值范围。     

爆破荷载作用下隧道初次衬砌结构的动力响应

为了研究隧道初次衬砌结构在爆破荷载作用下的动力响应,采用现场试验和数值模拟相结合的方法,应用TC-4850测振仪获得3个测点8次监测试验的质点振动速度峰值数据,依据最小二乘法拟合得出质点振动速度峰值传播规律的萨道夫斯基公式;采用LS-DYNA数值模拟软件,定义材料参数及其状态方程,在依据质点振动速度峰值传播规律可靠性分析验证数值模型合理性的基础上,建立隧道初次衬砌结构仿真模型,考虑初次衬砌强度的变化,分析隧道结构关键位置(拱脚、拱腰、拱肩、拱顶)处应力及位移的变化规律。研究结果表明:隧道初次衬砌结构X方向拱脚和拱顶处应力峰值明显大于其余关键位置,Y方向应力峰值出现在拱脚位置,为118 100 Pa,Z方向应力峰值同样出现在拱脚处,为239 100 Pa,且Z方向应力峰值明显大于X和Y方向;隧道初次衬砌结构位移峰值出现在拱腰位置,为0.361 cm,且Z方向位移峰值出现时间明显早于X和Y方向;在C30的基础上,增加C25和C35初次衬砌强度等级,随着初次衬砌强度的递增,应力呈正相关关系,位移呈负相关关系。     

隧道断层破碎带对隧道施工稳定性的影响研究

采用数值分析方法,研究了隧道断层破碎带对施工期间拱顶位移、边墙主应力以及喷射混凝土内力的影响.分析结果认为,隧道开挖时,对断层带的拱顶下沉位移影响较大,但存在一定的影响范围.隧道拱顶和边墙发生塌方破坏的可能性最大,需要加强对断层带隧道施工过程的围岩变形监测,确保施工安全.