考虑渗流影响的深埋隧道围岩-衬砌相互作用研究

山岭地区深埋隧道经常处于高水压工况,渗流对于隧道围岩及衬砌结构安全有较大影响。基于Mohr-Coulomb准则,推导在渗流力作用下围岩和衬砌结构相互作用的弹塑性解析解,得到围岩塑性区半径、围岩应力、位移以及衬砌径向变形等与支护反力间的解析关系。进一步地,引入围岩收敛曲线(GRC)和支护特性曲线(SCC),分析隧道围岩和衬砌的非线性力学特性,采用收敛约束法求得洞周径向位移。依托牛和岭隧道深埋段工程,验证本文基于Mohr-Coulomb准则的理论解析方法的准确性,并针对富水山区隧道支护反力、塑性半径和洞周径向位移关系进行参数分析。研究结果表明:1)增加支护反力可以有效地限制塑性区的发展和洞周的径向位移,初始阶段限制效果明显,后续增加支护反力的效果逐渐减小;2)围岩塑性半径和洞周径向位移随渗流水压力的增大呈非线性增长;3)塑性区半径不变,低渗透性衬砌可以减小所需的支护反力以及洞周的径向位移。     

弹塑性解析法确定隧道二衬合理支护时机的应用研究

基于弹塑性理论,推导了隧道工程围岩塑性区内的应力和位移公式以及衬砌结构的应力和位移公式,推导出不同围岩等级下隧道开挖半径及支护范围,并给出了二次衬砌施工时合理的洞周位移值,所得结论对同类工程具有指导作用.     

基于弹塑性围岩压力计算方法与实测值的对比研究

隧道开挖行为会使围岩内部形成二次重分布应力,为了维持围岩的稳定,获取合理准确的围岩压力值对优化支护结构受力具有重要意义。在区域地应力场特征的基础上,以某隧道IV级及以下围岩段部分监测断面为例,基于开挖应力释放率模型,结合初始应力的横向和竖向应力分量值,采用不同的位移释放率对开挖应力释放的相关指标进行计算。基于修正的芬纳公式计算初始应力和洞壁径向位移条件下的围岩压力值,计算得到横向和竖向围岩压力理论值,最后在现场进行围岩压力测试,并按照荷载承担比例进行换算得到总的围岩压力值,并和两种理论计算结果对比分析,结果表明：采用应力释放率法比修正芬纳公式更接近实测值。     

分岔隧道围岩支护设计研究

建立数值模型,模拟了一种新型分岔隧道的开挖过程,分析了其不同洞段的围岩变形与应力分布特点.基于数值模拟结果,提出了针对不同结构形式洞段的支护形式与支护参数.实例工程证明,这种支护形式和支护参数有效地控制了围岩的变形,对同类工程具有重要的借鉴作用.     

软弱围岩双连拱隧道施工力学行为研究

建立了隧道穿越V级I型围岩地段的二维弹塑性有限元模型,进行施工力学的平面数值模拟,结合信息化施工监控信息及对大量的实测数据分析整理,探讨了上下台阶开挖方式对隧道中墙应力和衬砌的内力值影响。结果表明,现场各种量测数据可有效地指导施工,左右洞的施工顺序和上下台阶开挖方式均造成了中墙明显偏压,衬砌支护体系的锚杆最大拉力出现在隧道拱顶,软弱围岩应力场和位移场处于不间断的调整过程,研究成果为类似重要工程具有借鉴和指导意义。     

软岩隧道超前导洞应力释放力学机制及适用性

为研究软岩隧道超前导洞的适用性,基于经典弹塑性理论,建立深埋软岩隧道超前导洞法开挖应力释放的力学模型,采用2阶段的方法推导考虑超前导洞应力释放的隧道开挖弹塑性解。定义围岩应力释放比来反映应力释放的效果,并研究不同地应力、围岩弹性模量、强度等条件下超前导洞开挖半径对应力释放效果的影响。结果表明： 通过施作超前导洞可以降低作用在支护结构上的围岩压力,尤其是在高地应力环境或围岩较软弱的条件下,采用超前导洞法进行应力释放效果更加明显。但导洞半径并非越大越好,现场试验表明： 对于3车道大断面软岩隧道,导洞断面太大对隧道围岩的稳定不利。隧道施工中,应在保障围岩稳定的前提下进行应力释放,做到初期支护尽早封闭成环,实现隧道安全快速施工。     

隧道围岩与初衬间的相互作用研究

对隧道围岩与初衬之间的相互作用进行了研究,并对二次衬砌前的围岩和初衬中应力与位移及其释放进行了计算分析.首先利用线性黏弹性理论,导出了隧道开挖后围岩和初衬中的应力与位移;然后选取Maxwell和Poyting-Thomson三参数固体流变模型模拟围岩,研究了隧道围岩与初衬之间的相互作用;最后结合公路隧道施工,计算了二次...     

考虑注浆加固作用的非圆形隧道应力和变形解析解

为了得到考虑注浆加固作用的非圆形隧道应力和变形解析解,基于复变函数理论引入一种新的考虑注浆加固作用的非圆形隧道应力和变形的求解方法。首先,为克服非圆形隧道断面、注浆圈几何形状和考虑衬砌支护造成的计算困难问题,引入了保角变换及复变函数幂级数解法。通过采用最优化解法确定保角变换中各项系数,得到计算模型映射函数。其次,通过幂级数复变函数法和弹性力学连续性条件克服隧道衬砌以及围岩注浆圈带来的多连通域问题,确定应力函数各项系数。随后,将得到的应力函数代入应力、位移方程求解考虑注浆加固作用的非圆形隧道应力和变形值。最后,将新方法所得结果分别与未考虑注浆作用的非圆形隧道应力及位移解和数值模拟计算结果进行对比分析。研究结果表明：注浆后注浆圈环刚度增大,整体性提升;衬砌变形减小,衬砌受到的围岩压力减小;围岩注浆有效改善了衬砌受力状态,使衬砌拱顶下沉减小约21.8%,拱底隆起减小约18.1%,拱脚附近法向应力减小约19.9%,环向应力减小约8.9%;围岩注浆可以有效加固岩体,封闭隧道周边岩体裂隙,改善衬砌受力状态,提高隧道抵抗变形和破坏的能力;解析解与数值解吻合较好,所得规律符合工程实际规律。研究结果可为考虑注浆加固作用下的非圆形隧道开挖问题提供一种新的快速、准确的计算方法,并为考虑注浆加固作用的非圆形隧道数值计算和安全运行提供参考依据。     

莲花隧道进口小净距段新奥法施工跟踪监测研究

结合莲花隧道进口小净距段的台阶法施工实践,介绍了地表下沉、洞周水平收敛、拱顶下沉、锚杆轴力、围岩压力、二次衬砌混凝土应力等项目的跟踪监测工作,分析和总结了围岩变形特征及其复合式衬砌结构的受力特点,所得结果为复杂工况下小净距隧道支护结构的新奥法施筑与优化提供了科学依据,也为类似隧道工程的施工提供了经验.     

软岩隧道双层初支长台阶施工工法研究

以华丽高速公路东马场1号隧道工程为依托,依据数值模拟结果及现场监测变形数据比较不同台阶长度对洞周位移、初支应力的影响。结果表明：围岩变形均随中台阶长度的增长而增大,当中台阶到一定长度时,变形增加速度变缓。隧道初支应力均随中台阶长度的增长而减小,当中台阶到一定长度时应力减小速度变缓。加长中台阶长度有利于围岩应力释放,支护结构受力得到减小,虽然围岩变形有所增大,但增大幅度不大。     

岩溶地区隧道衬砌受力及变形特征的有限元分析

运用ABAQUS有限元分析软件,结合岩溶地区山岭隧道的工程实例,建立隧道施工过程的三维有限元模型,研究了岩溶地层对隧道围岩和初期支护结构受力和变形的影响。结果表明:在岩溶地区开挖隧道,衬砌拱顶承受较大的应力而边墙部分承受较小的应力;边墙及拱顶均存在下沉现象,且位移呈直线增长趋势,隧道围岩底部存在一定程度的反拱现象。     

高地应力软岩隧道衬砌裂损重新施作段结构安全性分析

为研究高地应力软岩隧道衬砌裂损重新施作段结构的安全性,依托木寨岭隧道衬砌裂损段,通过现场监测和数值模拟的方法,分析高地应力软岩隧道衬砌裂损重新施作段结构变形受力特征,进而分析结构的安全性。现场监测结果表明： 衬砌裂损重新施作后,前3层支护几乎承担了所有的围岩压力和变形,通过层层支护、分层抵抗的方法来逐渐降低衬砌受力,保证衬砌结构的安全。通过数值计算对比分析衬砌重新施作前后的隧道受力变形状态,其中重新施作后衬砌各位置混凝土应力和钢筋应力增长趋势均不明显,计算得到衬砌裂损重新施作段结构安全系数均处于3.3~8.1,各位置安全系数均大于规范中的要求值,说明结构处于安全状态。     

大断面黄土隧道台阶法施工数值模拟研究

针对新建忻州隧道工程,运用有限元通用软件ANSYS,对大断面黄土隧道采用台阶法施工的过程进行数值模拟,探讨了采用台阶法施工隧道的围岩、初期支护及二次衬砌应力场和位移场随施工步的变化规律。在此基础上,研究了隧道初期支护、二次衬砌的支护效果以及隧道开挖对已施作初期支护受力及变形的影响。结果表明:①隧道施作初支有利于降低地层压应力,减小隧道变形;施作二衬能有效降低地层和初支的主应力,对隧道变形影响不大;②隧道的进一步开挖将导致已施作初支的压应力及位移值增大,使初支处于更危险的状态。     

穿越断层破碎带隧道支护结构受力特性分析

依托雅康高速公路紫石隧道,建立三维数值模型,运用有限差分软件分析围岩施工期的应力和变形特征,研究穿越断层破碎带隧道的支护结构受力特性.结果表明:断层破碎带处围岩和衬砌的变形相对普通断面均较大;在断层破碎带与普通岩体交界处会产生非均匀变形,导致衬砌结构出现压应力集中现象;隧道二衬达到受力稳定状态需要较长时间,且安全系数较...     

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。     

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。     

石膏质岩隧道新置换衬砌结构受力特征研究

为分析石膏质岩隧道衬砌结构置换施工后的受力特征,依托杜公岭隧道病害处治工程实例,在隧道病害处治施工阶段和运营阶段对6个不同病害现象的典型断面新置换衬砌结构的初期支护变形、初期支护钢架应力、初期支护-围岩接触压力、初期支护-二次衬砌接触压力等进行为期2.5年的现场测试。测试结果表明:在新置换初期支护单独承载的3~5个月时间内,初期支护的变形速率和变形量均较小,其中5个测试断面的拱顶沉降和周边收敛量最大,其分别为6.8,6.4mm;新置换初期支护钢架应力较小并且在二衬浇筑后较短时间就达到稳定状态,其中64处测点(总计72处)应力小于100 MPa;边墙芯样发现石膏、硬石膏成分的断面在二次衬砌浇筑后的26个月内,其边墙或拱顶测点的初期支护-围岩接触压力和初期支护-二次衬砌接触压力仍有明显变化,其中个别测点经过10~20个月才能达到峰值,另有个别测点在3~8个月到达峰值后受干湿交替环境影响会出现变化;综合分析认为,杜公岭隧道衬砌结构主要受到围岩中硬石膏的膨胀作用,石膏的吸水软化作用不明显,其围岩压力具有缓慢发展的特点,新置换二次衬砌承担了主要的围岩压力,新置换初期支护安全性较高;建议石膏质岩地层隧道二次衬砌不宜过早施作或者初期支护与二次衬砌间设置缓冲变形层,以充分发挥初期支护的承载力、减小二次衬砌承担的围岩压力。     

膨胀性软岩隧道致灾机制研究与应用

隧道建设的规模和数量迅速发展,相关理论研究却相对不足,随着隧道越来越多地穿越诸如软弱围岩、溶洞等复杂、恶劣地质区域,对施工技术和理论研究的要求也更高,如何做到规避灾害,安全施工是大家一直关注的问题。以重庆市某公路隧道为依托,对穿越膨胀性软岩段隧道,提出不良地质构造与围岩条件、水的因素、不规则地应力以及工程因素等导致隧道灾害的因素,不同因素相互关联、相互影响,根据分析结果采取相应的防治方案来规避灾害。利用Poyting-Thomoson模型计算隧道围岩变形,与现场监控量测数据相结合,对隧道膨胀性软岩段的围岩变形做出预测,得出最佳二次衬砌支护时间。同时从初支二衬间的应力角度对膨胀性软岩进行了持续监测,表明了膨胀性软岩隧道段防治方案达到了预期目标。从致灾机制来分析隧道建设,可以更好地为工程决策服务。     

高速公路分岔隧道施工过程稳定性分析与监测研究

分岔隧道连拱段至小净距段的过渡处,中墙由钢筋混凝土变为原岩,施工过程十分复杂。采用三维数值方法和施工现场监测相结合的方法研究了分岔隧道施工过程中的稳定性,数值模拟了无支护开挖和施加锚喷、二次衬砌支护后隧道的受力及稳定性。计算结果表明,支护后稳定性显著增强,与现场监测结果对比一致,隧道整体稳定性较好,但是中墙产生较大的应力集中,靠近连拱段的小净距段稳定性较差;锚喷、衬砌支护对于减缓围岩应力集中程度,减少塑性区、降低位移量有明显效果。最后在保证隧道安全的基础上提出了隧道支护的优化措施。     

偏压隧道变形破坏机理及超前预加固研究

依托九绵高速福隆隧道工程,通过建立三维山体隧道模型对偏压隧道围岩支护体系受力变形特征进行分析,并通过数值模拟与现场监测对不同超前加固方式进行对比研究。结果表明:受偏压地形影响,隧道围岩变形、塑性区分布、二衬受力等均存在非对称现象;隧道开挖时,拉应力出现在掌子面、仰拱、回填土处,塑性区分布深入掌子面后方约3 m,且掌子面的土体有向外挤出的趋势;偏压地形下,适用性较好的超前加固方式为双层注浆小导管,在有效控制围岩变形、塑性区以及二衬等受力同时具有良好的经济性;现场测得K89+317断面的拱腰收敛与拱顶、地表变形较小且收敛较快,验证了双层小导管的适用性。