单拱4车道公路隧道不同施工方法下初期支护力学特征研究

由于单拱4车道公路隧道通常采用扁平的拱形结构形式,从而导致隧道开挖后围岩的二次应力分布不均匀,初期支护的支护效果不佳。为了研究采用不同施工方法时各种初期支护手段的力学特征,采用有限差分软件FLAC3D对不同围岩条件下单拱4车道公路隧道的施工动态过程进行了三维数值模拟,得到了不同施工方法下初期支护的应力和位移特征。通过比较分析这些力学特征,提出了不同围岩条件下使初期支护达到最佳效果的施工方法。     

郑万高铁大型机械化施工隧道位移控制基准研究

依托郑万高铁湖北段大断面隧道洞群,针对其开挖断面面积大、软弱围岩占比高、采用大型机械化大断面法施工的特点,开展初期支护位移现场监控量测,对监控量测数据进行分类统计、包络回归分析,得到Ⅳ、Ⅴ级围岩深、浅埋不同大断面法（全断面法、微台阶法）开挖下初期支护位移沿隧道纵向的函数表达式及各工况下分段位移占极限位移的比值。最后结合 Q/CR 9218-2015《铁路隧道监控量测技术规程》中初期支护极限位移值,给出郑万高铁大型机械化施工隧道各工况下初期支护位移控制基准建议值。结果表明： 郑万高铁隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩采用深、浅埋不同大断面法开挖时,按距掌子面距离的分阶段位移控制基准相差较大,现行Q/CR 9218-2015《铁路隧道监控量测技术规程》中统一规定不合理;围岩级别、埋深及开挖方法相同时,拱顶沉降和洞周水平收敛规律基本一致。     

埋深与围岩变形模量对隧道支护结构承载特性的影响分析

为探讨埋深与围岩变形模量对隧道开挖后支护结构承载变形的影响规律,以龙永(龙山—永顺)高速公路大干溪Ⅰ号隧道为研究对象,采用ANSYS建立三维数值分析模型,对隧道分部开挖支护进行模拟分析。结果表明,在3个不同埋深条件下,当围岩变形模量由4.5GPa减少1/3时,拱顶下沉量与周边收敛量均增加40%左右,初期支护拱顶水平方向应力值增加55%左右,初期支护左侧拱腰竖向应力值增加37%左右;当围岩变形模量由4.5GPa增加1/3时,拱顶下沉量和周边收敛量均减少22%左右,初期支护拱顶水平与竖向应力值和初期支护左侧拱腰竖向应力值均减少21%左右;变形模量减小对支护结构变形与内力的影响比其增大时明显。     

软弱围岩隧道机械化全断面爆破开挖初期支护受力特性研究

软弱围岩隧道开挖后自稳能力差,易发生大的变形、钢架扭曲等现象。为降低安全风险,依托郑万高铁高家坪隧道进口机械化全断面爆破施工,对支护体系下的围岩压力、钢架应力、初喷混凝土应力、锚杆轴力、围岩内部位移、掌子面挤出变形等进行系统试验研究。试验结果表明： 围岩压力、钢架应力、初喷混凝土应力受岩性条件、施工扰动等因素影响显著,随时间推移均呈现“急剧增大、缓慢增大、波动变化、稳定收敛”的变化规律; 通过锚杆轴力峰值位置可以初步判定围岩塑性区范围约为距洞壁3.0 m。基于现场试验监测,通过数值模拟分析了初期支护结构压应力、轴力和弯矩的分布情况,与现场量测数据相符,较好地反映了初期支护受力特征。本次试验的相关方法、手段和结论对隧道机械化大断面施工软弱围岩变形与支护体系受力研究具有借鉴作用,同时也为建立科学合理的支护结构体系提供了参考。     

ABAQUS接触非线性对隧道开挖变形影响数值模拟

为探究初期支护与围岩在不同接触类型下开挖隧道对围岩变形的影响,以某公路隧道为依托,采用ABAQUS软件建立隧道开挖支护三维模型,分别对初期支护与围岩之间绑定约束及不同摩擦系数的面面接触进行了数值模拟,分析了不同接触条件下围岩变形规律。结果表明：无论特征点的竖向位移还是水平位移,绑定约束均较面面接触小,前者约为后者75%～80%;面面接触时不同的摩擦系数各级位移极差在5 mm以内,尤其在仰拱特征点时各级位移量几乎重合;垂直隧道轴线方向地表沉降值,前者约为后者85%;隧道轴线方向地表沉降值会在第10分析步前后出现反转,开挖之初前者位移小于后者位移,开挖终了时后者位移反超前者位移。该结果可为今后类似隧道数值模拟提供参考。     

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。     

大跨径连拱隧道围岩支护原理与变形破坏数值模拟分析

以某公路连拱隧道为背景,在采用现代支护原理的条件下,对隧道的开挖、支护过程及强度折减情况进行了数值模拟,通过对围岩的应力、应变、位移随强度参数折减的变化情况以及隧道围岩变形破坏力学响应的变化规律的分析,探讨了数值模拟分析中围岩破坏的判据以及隧道围岩、中隔墙在爆破震动、施工及地下水等因素影响下的稳定性。     

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。     

软岩隧道埋深及施工进尺对围岩稳定性影响分析

该文以中国西部某隧道为研究对象,采用三维有限元数值模拟手段对埋深及施工循环进尺对隧道围岩的稳定性进行了分析,针对不同埋深状况下围岩应力、围岩位移、塑性区及其初支应力的状况,以及不同循环进尺对围岩应力、围岩位移等的影响进行了探讨。研究结果表明:隧道埋深越深,对围岩和支护体系均存在不利影响,需在埋深较大的地段,加强监控量测,必要时需施加钢支撑,以增加初期支护的抗压能力;大进尺施工对围岩应力的最大拉应力和洞周位移影响较大,建议施工时循环进尺选择1.5~2m为宜。     

凿岩台车采用长短眼配套控制隧道超挖技术

为有效降低施工成本，减小钻爆法隧道超挖量，提高钻爆施工技术及改进施工工艺，通过研究凿岩台车作业模式，分析得出凿岩台车进行隧道钻爆开挖时，由于受台车钻臂结构影响以及现场视线不清、视距较远等，钻凿周边眼时外插角不易控制，产生的隧道超挖往往较大。结合工程实践，通过对比凿岩台车在初期支护紧跟掌子面及不紧跟掌子面等不同施工工况下长短孔配套施工产生的超挖量，得出在保证施工安全的前提下，保留一定长度的隧道不进行初期支护施工钻孔，并采用长短孔配套钻孔爆破技术，可有效控制凿岩台车钻爆时隧道的超挖量。研究结果表明： 采用长短孔配套钻孔时，Ⅱ、Ⅲ级围岩，Ⅳ级围岩，Ⅴ级围岩相比类似条件只采用长眼时的最大超挖量分别减少约12、19.5、21.5 cm。     

断层泥倾角对隧道稳定性影响的数值分析

以某铁路隧道为例,运用FLAC3D数值软件模拟不同断层泥倾角对隧道稳定性的影响。结果表明:掌子面轴向位移、初支弯矩沿开挖方向可以分为3个阶段,即完整围岩稳定阶段、交界面临近位置变化阶段及断层破碎带段稳定阶段。在距离交界面较远的位置,位移、内力沿隧道纵向变化较小,与在单一土层或岩层中开挖相似。在土岩交界面临近位置,随着断层泥倾角的增大,土岩交界面影响的范围减小。围岩及初支的位移、内力曲线对开挖进深的敏感性不同,随着断层泥倾角的增大,围岩及初支的位移、内力曲线斜率更大。     

基于能量法的连拱隧道钻爆施工对围岩损伤影响分析

以采用无导洞钻爆法施工的云南省武定至易门高速公路三台坡连拱隧道工程为依托，针对爆破施工对无导洞连拱隧道围岩造成损伤的问题，利用能量衰减公式推导隧道围岩振动速度衰减公式；采用FLAC^3D软件计算分析实际工程围岩振动速度以验证理论推导公式的准确性，并计算分析在爆破荷载作用下连拱隧道围岩、中墙的振动速度和振动位移的变化规律。研究结果表明：振动速度的理论计算结果和数值模拟结果之间的相对误差较小，说明基于理论推导得到的隧道围岩振动速度计算公式是可靠的；爆破过程中产生的能量以地震波的形式向外传播，当地震波传至地表仍未完全衰减时，未完全衰减的能量将以反射波的形式继续衰减；爆破施工过程中围岩振动速度和振动位移最大值均位于距掌子面6 m的已开挖区隧道拱顶围岩处，未支护情况下隧道拱顶8 m范围的围岩振动速度大于63.5 cm·s^-1，围岩处于损伤的状态，因此在爆破施工过程中应对已开挖区围岩进行预加固。     

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。     

大跨度小净距隧道中夹岩爆破振动控制与损伤判别

明确爆破动载作用下大跨度小净距隧道中夹岩柱的振动响应及累积损伤演化规律，有助于更好地保障隧道现场施工及围岩稳定。依托厦门海沧疏港通道工程项目，现场采用爆破测振与声波测试对中夹岩体的爆破振动速度及围岩声波速度进行监测与分析,并对原有的爆破方案进行优化，对循环爆破作用下中夹岩振动传播与损伤演化规律进行探究。研究结果表明： 1）掏槽眼的装药量和自由面数量是影响中夹岩爆破振动速度的主要因素，通过优化爆破方案设置减振孔,使中夹岩振速降低了67.4%，最终控制中夹岩的最大质点峰值振动速度为12.67 cm/s，符合规范要求; 并根据萨道夫斯基公式，回归得到中夹岩的振动响应规律。2）在多频次爆破作用下，侧面岩体声波速度整体高于中夹岩体，受应力波及裂隙的共同影响，围岩声波速度由中夹岩内部至隧道轮廓线呈波动式下降趋势，随着掌子面的不断远离，中夹岩累积损伤范围最终稳定在距围岩表面1.5 m范围内； 通过现场监测与优化实现中夹岩爆破振动控制与累积损伤范围判定，保障了大跨度分岔隧道的高效安全掘进。     

小净距偏压公路隧道开挖顺序优化

小净距偏压隧道合理开挖顺序对隧道围岩稳定和支护措施优化有很大的影响。结合净距4.0m、偏压25°公路隧道工程实践,通过二维、三维弹塑性有限元数值仿真模拟,分析了隧道开挖顺序对围岩破坏接近度、围岩变形位移以及对空间围岩体塑性破坏和位移的影响,得到了先开挖浅埋侧隧道优于先开挖深埋侧隧道的结论,为小净距偏压隧道优化设计和施工提供了科学依据。     

双层初期支护在云屯堡隧道高地应力软岩洞段中的应用

为研究隧道双层初期支护中第2层支护的钢拱架设置方式和施作时机,结合成兰铁路云屯堡隧道高地应力软岩隧道工程,对 高地应力软岩大变形隧道双层初期支护中内、外2层钢拱架的布设方式和第2层初期支护的施作时机进行分析和研究。 由研究结 果可知: 1)双层初期支护中钢拱架采取交错的布置方式更有利于初期支护结构受力和围岩变形控制; 2)第2层初期支护应在第1 层初期支护结构不被破坏前及时施作,对于云屯堡隧道来说,第2层初期支护施作滞后掌子面的距离在7 m内较好。