基于ANSYS模拟分析合理确定隧道开挖支护方案

本文运用有限元分析软件ANSYS模拟隧道围岩开挖支护受力状态,对隧道围岩开挖支护结构的位移、弯矩、应力等进行计算分析,合理确定隧道开挖、支护施工技术方案,优化隧道支护结构设计,降低其建设成本。     

考虑超前支护作用效应的围岩-支护相互作用机制研究

隧道支护结构参数的合理性设计是隧道建设安全经济性的重要保证,而围岩-支护相互作用机制是隧道支护结构设计的核心问题。基于开挖面空间效应的等效力学模型,引入超前支护对开挖面空间效应的影响,建立超前支护、隧道支护-围岩耦合作用模型,得到支护结构与围岩动态相互作用的全过程解析。通过计算实例分析,主要得到如下结论:1)从控制隧道围岩变形角度分析,超前支护、隧道支护均可有效控制隧道围岩变形,说明控制隧道围岩变形不仅要重视隧道支护结构的作用,同时也要考虑超前支护结构的作用; 2)当隧道围岩变形量控制到一定程度时,可通过同时调节超前支护参数和隧道支护参数来达到预期的变形控制效果。     

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。     

基于围岩压力及结构力学特征测试的隧道初期支护时机探讨

台阶法施工的隧道工程,上台阶的开挖支护是关键工序,其施工效率影响整个隧道施工的进度。因此,以黔张常铁路吴家边隧道为依托,基于现场测试结果,对Ⅳ级围岩隧道上台阶的开挖进尺和初期支护时机进行了探讨,重点研究了不同开挖进尺和初期支护时机工况下围岩压力的变化特征、初期支护的内力演变特征及其安全性。通过研究得到:Ⅳ级围岩地段上台阶开挖进尺最长可到6 m,再进行相应的支护体系施作,可提高机械设备的工作效率,加快施工进度;支护结构在刚度相同的情况下,结构内力按时间分配;二次衬砌基本不承担围岩压力,只是作为安全储备。     

长时间停工条件下炭质板岩地层隧道围岩变形及支护结构补强研究

通过现场调查、围岩变形测试、支护结构图像全景展开技术,分析了不同时间隧道停工导致的围岩变形,同时对停工后支护结构质量进行了评价。研究结果表明:炭质板岩地层隧道长时间停工后围岩变形加剧,且停工时间越长,停工所导致的围岩变形越大,停工所导致的围岩变形在围岩总变形中占较大比例;停工初期,停工所导致的围岩变形速率较大,且复工后隧道再次开挖扰动易引发围岩变形加剧;停工后初支混凝土脱落严重,钢拱架压弯扭曲。根据研究结果,提出了适用于香丽高速公路炭质板岩隧道停工后支护结构补强加固措施。     

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。     

板岩隧道顺层塌方分析及预防失稳措施研究

为避免板岩隧道围岩楔形体掉块和顺层塌方的发生,针对板岩的力学性质和变形特性,从隧道施工方面对板岩隧道围岩的工程特性和易形成塌方的地质构造类型进行总结,并以半山隧道初期支护长段落顺层塌方为例进行深入的分析和研究。结果认为:当顺层构造岩层和节理产状与隧道走向夹角较小、多组节理相互切割与岩层面形成不利结构面组合长段落斜穿隧道时,受施工开挖爆破震动、地下水浸润、重力作用以及大断面开挖形成临空面的影响,围岩及支护结构局部薄弱处出现失稳破坏,由于牵引作用不断扩大并持续发展造成较长段落的坍塌。最后,提出了顺层构造、节理密集带和隧道开挖后不利结构面组合对围岩稳定性的影响分析方法,针对板岩地质隧道施工提出了预防围岩失稳的措施和支护结构的优化措施。     

渗流作用对深埋富水区围岩开挖变形影响的数值分析

为了探明隧道开挖具体影响因素,根据揭惠高速小北山一号隧道水文地质情况,运用midas GTS NX软件进行数值模拟,分析了围岩等级、支护和开挖方式对围岩开挖变形的影响,同时分析渗流作用下的开挖变形。研究结果表明:随着围岩等级的降低,围岩变形速度、变形总量及变形基本收敛距离依次增加。支护主要影响围岩开挖后的变形且随着围岩等级的降低,支护的作用越来越明显。采用台阶法开挖相比于全断面法能有效地减少围岩开挖位移变形速度,显著减少围岩变形基本收敛距离。渗流可导致整个隧道向下的固结沉降和水平方向的两腰收敛,使得隧道净空减小。     

大断面软岩隧道三台阶开挖技术优化研究

为了解决大断面软岩隧道的软弱破碎围岩径向位移增速快、开挖后初期支护结构不能尽早发挥作用、极大可能导致围岩失稳和发生安全事故等问题,以新奥法设计理念为基础,保证围岩自身一定的承载能力,同时满足围岩自身和支护结构的稳定性要求,初期支护施作适时而行.以马湾隧道为依托工程,对通过方案比选后得出的,仍存在诸多缺陷的三台阶分步交错...     

浅埋双侧偏压小净距隧道开挖稳定性分析

为了研究浅埋双侧偏压小净距隧道开挖后围岩变形及支护结构受力分布规律,以某高速公路隧道为依托,采用数值分析方法对小净距隧道左右洞开挖支护完毕后的围岩塑性区分布、竖直和水平位移分布,以及初期支护结构的弯矩、轴力和剪力进行研究和分析。研究结果表明:浅埋偏压小净距隧道开挖后塑性区主要分布在隧道左右洞的两侧拱脚处,拱顶处竖向位移最大,拱腰处水平位移最大;初期支护结构在边墙处的弯矩和剪力均较大,轴力在拱腰处最大。建议该类型隧道设计与施工时需加强对隧道边墙及拱脚处的支护,并加强隧道内空变形监测。     

大断面单洞四车道公路隧道结构设计与施工方案探讨

龙头山隧道为双向分离式单洞四车道高速公路隧道,隧道最大开挖宽度21．1m,是目前国内单洞开挖跨度最大的隧道之一。本文采用工程类比法对该隧道的结构支护参数进行了多方案的比选,针对不同围岩地质区段和两侧已有的地下油库建筑,提出了地表注浆、反压护拱、双侧壁导坑开挖和微震动爆破施工等方法。应用有限元数值方法,结合不同的施工步骤,对隧道支护结构和围岩的稳定性进行了模拟分析,分析结果表明本文所确定的支护参数和施工方案安全可行。     

循环进尺对大断面浅埋隧道稳定性的影响

依托某高速公路大断面浅埋隧道工程,结合有限元数值分析方法,从围岩竖向位移、隧道净空收敛、支护结构内力、围岩塑性区四个角度对该隧道三台阶施工方法的合理循环进尺展开模拟分析。结果表明:循环进尺长度大于1. 5 m不满足该隧道开挖稳定的要求,从支护结构内力分布角度来看,循环进尺长度越小对支护结构内力分布越有利,因此,三台阶法开挖该隧道时,循环进尺长度设置为1～1. 5 m能保证该隧道的开挖稳定。     

堆积体隧道围岩及支衬体系空间力学特性

为研究堆积体隧道围岩和支衬体系受力空间变化规律,采用三维弹塑性有限元法模拟隧道施工过程,得到了洞室周边围岩和支护结构应力随掌子面开挖的变化过程。结果表明,隧道开挖对不同部位围岩扰动大小存在较大差异,扰动后拱部围岩应力强度较小,拱脚和边墙围岩应力强度最大,仰拱围岩应力波动较大但量值总体偏小;管棚在隧道开挖前后受力状态发生明显改变,支护和衬砌过程中有微小波动;拱部系统锚杆对于维持围岩临时稳定发挥了一定作用,但其作为永久支护对围岩长期稳定作用不大,锁脚锚杆在下台阶开挖以及隧道长期稳定方面均发挥了重要作用;初支拱部受拉、边墙和拱脚受压显著,其中拱腰、拱脚分别为拉、压控制性截面;与钢筋混凝土强度相比,二衬受力较小,具有较大的强度储备。     

鸡口山岩溶隧道处治方法适用性模拟对比分析

结合鸡口山隧道工程,针对该溶洞隧道分别采用开挖回填法、超前注浆法和超前管棚支护法3种方法施工时,采用数值模拟分析对围岩变形情况进行了研究分析。研究结果表明： 采用超前注浆法开挖时隧道围岩的变形最小,开挖回填法次之,超前管棚支护法最大,超前注浆法控制围岩变形的效果优于开挖回填法和管棚支护法。说明在开挖过程中,超前注浆法使开挖范围内的围岩稳定性得到了加强,有效地减小了溶洞对隧道围岩变形的影响,因此在鸡口山隧道中采用超前注浆法施工比较适宜。     

软岩偏压隧道开挖支护力学特点分析

以V级软弱围岩杏花村偏压隧道工程为背景,应用有限差分软件FLAC3D对大断面偏压隧道进行施工动态模拟,研究大断面浅埋偏压隧道开挖过程中力学特点,通过与实际监测结果对比分析,结果基本一致。FLAC3D准确模拟了软弱围岩浅埋偏压隧道开挖情况,结果表明,大断面偏压隧道开挖中,偏压侧位移较大;通过围岩应力状态、衬砌结构内力比较,综合分析了大断面偏压隧道开挖力学特点,结合锚杆支护的数值分析,总结了实际工程中支护方案拟定方法及偏压隧道开挖施工注意部位。     

漫谈矿山法隧道技术第九讲——隧道开挖和支护的方法

强调对隧道开挖和支护关系的基本认识： 开挖和支护是隧道施工的2大基本工序,开挖的基本原则就是把对周边围岩的松弛降低到最小限度,弹性变形和少许塑性变形是容许的,超过围岩极限应变变形（过度变形或松弛）的场合需要依靠各种支护对策。开挖和支护有先挖后支和先支后挖2种模式,一般采用前者,当开挖后隧道围岩不稳定时,采用后者。随着施工技术的进步、采用大型施工机械的要求和大断面隧道的出现,对隧道开挖方法选择的观点有了极大变化： 1)在选定开挖方法时,要以大断面开挖为指向,围岩条件不是唯一的决定因素; 2）尽可能不采用施工中含有需要废弃的和临时性作业的分部开挖法; 3）把机械开挖法与分部开挖法相结合,如TBM导坑超前扩挖法,在欧洲和日本等国已经成为大断面隧道施工的基本方法; 4）在同一座隧道,开挖方法频繁变化,既不经济也不安全,主张在全隧道中（除洞口段外）采用同一种开挖方法--全地质型开挖方法,如全断面法或台阶法,当围岩条件剧烈变化时,采用注浆、超前支护等应对措施。介绍日本、美国和欧洲等国规范、指南推荐的隧道开挖方法概况： 1）日本从隧道围岩级别、洞口段和洞身段等方面分类,给出隧道相应的开挖方法,基本以全断面法和台阶法为主;在断面比较大、比较长的隧道,采用TBM导坑超前扩挖法。2）美国把围岩分为岩质围岩和土质围岩2大类,其推荐的开挖方法基本相同,即全断面法、台阶法和中隔壁法,仅采用的支护方法不同。3）欧洲各国由于围岩条件总体比较好,多采用全断面法和台阶法。归纳选择开挖方法的基本条件： 施工条件、围岩条件、隧道断面面积、埋深、工期和环境条件。     

大断面单洞四车道龙头山公路隧道结构设计与施工方案探讨

龙头山隧道为双向分离式单洞四车道高速公路隧道，隧道最大开挖宽度21．1m，是目前国内单洞开挖跨度最大的隧道之一。本文采用工程类比法对该隧道的结构支护参数进行了多方案的比选，针对不同围岩地质区段和两侧已有地下油库建筑，提出了地表注浆、反压护拱、双侧壁导坑开挖和微震动爆破施工等方法。应用有限元数值方法，结合不同的施工步骤，对隧道支护结构和围岩的稳定性进行了模拟分析，分析结果表明本文所确定的支护参数和施工方案安全可行。     

基于正交设计的大断面隧道分部开挖步距敏感性研究

为了研究大断面分部开挖法隧道分部开挖步距敏感性,基于正交设计原理,通过AQAQUS有限元软件建立三维动态开挖支护数值模型,对三种大断面隧道分部开挖法:中隔壁台阶法、CRD法及CD法进行了不同开挖步距下的计算,对比研究各工况下大断面隧道施工过程中拱顶沉降、地表位移及支护结构应力变化规律,揭示不同开挖步距对大断面隧道围岩与支护结构的变形及受力状态影响规律,同时对大断面隧道分部开挖步距的选择提出参考意见。     

凝灰岩软化对隧道开挖与支护影响研究

林芝-拉萨高等级公路米拉山隧道是目前世界上海拔最高的公路特长隧道,且其围岩主要为IV级和V级凝灰岩,隧道裂隙水十分发育,围岩开挖后变形量大,稳定性差,为此,采用监测分析与数值模拟法开展了凝灰岩遇水软化对米拉山隧道开挖与支护影响的研究,实际监测结果表明,凝灰岩遇水软化后对隧道围岩变形的影响十分明显;数值计算结果也表明,凝灰岩遇水软化对米拉山隧道围岩变形、初衬支护和二次支护均有很大的影响。提出围岩注浆堵水和隧道排水是防止凝灰岩遇水软化的重要措施。     

CD和CRD法施工下超大断面隧道围岩变形控制数值计算研究

为研究超大断面隧道围岩变形控制机制,系统开展CD及CRD开挖工法下不同支护方式的数值计算,研究了不同支护方案随围岩强度等级变化对隧道拱顶位移、围岩塑性区应变的影响规律,明确了CRD开挖工法下不同临时支护拆除顺序对隧道围岩稳定性影响规律。通过对结果进行对比分析可知:采用CRD开挖方法比CD法、I22b型钢拱架支护比I18拱架都具有更好的围岩控制效果,且围岩等级越差,控制效果差异越大;考虑到拱顶沉降安全值,采用I18型钢拱架在经济性和施工安全性及便捷性方面具有良好的可行性;采用先临时仰拱,后临时支撑拆除顺序对整个隧道围岩稳定性效果最好。