公路隧道衬砌注浆加固力学特性研究

为深入研究公路隧道衬砌注浆加固的力学特性,全面评价注浆加固效果,利用PYD-50平面应变三向加载地质力学模型试验装置,针对依托工程的衬砌背后不同部位存在空洞、软弱围岩4种不同工况开展了室内模型试验,研究各工况下隧道衬砌结构应力、围岩压力等力学特性;同时,利用数值模拟手段进行分析,并将其结果与模型试验结果进行相互验证。研究结果表明:当隧道衬砌背后存在空洞、软弱围岩情况时,衬砌结构应力、围岩压力分布极不均衡,不利于隧道整体稳定;采取注浆加固措施后,衬砌结构应力最大值减小幅度达16.7%~40%,部分特征方向上围岩压力增幅达11.4%~35.5%,且二者分布更加均衡。以上分析表明,注浆加固措施有效降低了衬砌结构应力集中现象,提高了衬砌结构整体稳定性,其病害防治效果良好。     

无中导洞城市连拱隧道施工工法分析研究

为确定无中导洞城市连拱隧道施工工法的适宜性,基于工程地质条件,采用数值模拟手段,研究了无中导洞连拱隧道开挖过程围岩竖向位移及隧道水平位移情况,对无中导洞连拱隧道围岩、衬砌结构等在不同开挖步时的力学特征以及隧道加强区受力机理进行分析,并模拟了加强区底部锚杆注浆及拱腰拱脚处搭设锁脚锚杆并注浆等加固措施。结果表明:隧道开挖后中部加强区隆起明显,这对于隧道中部加强区混凝土的稳定相当不利,应该采取控制隆起的措施;上台阶开挖时,拱脚处衬砌受力较大,宜将直角改为圆角以减小弯矩。开挖完成后,中部加强区底部的衬砌几乎处于纯弯状态,有必要提高该区域初衬厚度;对加强区底部岩体进行锚杆注浆加固的效果较好,能有效减少拱底隆起和初衬受力,同时对保持中部加强区混凝土的稳定也有较好的效果;在拱底和加强区底部搭设锁脚锚杆,特别是在加强区底部的锁脚锚杆对维持混凝土加强区的稳定有较大作用。     

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.     

弁山大断面隧道软弱破碎围岩加固技术

应用有限元方法对弁山隧道软弱破碎围岩加固效果进行数值模拟,对比分析了不同工况下隧道围岩与结构位移、围岩应力、围岩塑性区、初期支护和二次衬砌受力等指标。结果表明,应采取对拱圈和隧底围岩进行全面加固的技术方案,并对拱脚进行重点观测。研究成果可供类似大断面软弱破碎围岩隧道参考。     

浅覆大跨度小净距隧道中岩墙及初支力学特性研究

通过建立后掘隧道的三台阶开挖数值分析模型,模拟D/B分别为0.5,0.75,1,1.25,1.5,2情况下,后掘隧道开挖对中岩墙多次扰动所引起的围岩塑性区分布、主应力差、水平位移等力学特性,并分析其对先行隧道初支内力的影响。通过分析中岩墙应力、变形随净距的变化,表明当中岩墙厚度小于0.75B时,中岩墙上部区域塑性区已贯通,塑性区范围急剧扩大,说明后掘隧道对中岩墙的受力变形和先行隧道支护结构受力极为不利。在D/B=0.5的不利情况下,可对中岩墙进行注浆加固处理,模拟结果表明注浆可极大降低初支受力,最大轴力减小了49.1%,最大弯矩减小了29.1%,大大提高了围岩稳定性。     

车站基坑揭露断层带注浆加固效果数值模拟研究

为研究注浆对明挖基坑揭露断层带的加固效果,以南京地铁上元门车站基坑工程为背景,考虑基坑开挖过程中渗流场与围岩应力场的相互耦合作用,建立相应的有限元分析模型,对软弱破碎层、注浆加固带、基坑地下连续墙以及围岩所组成的耦合系统进行模拟,研究注浆加固前后围岩渗流场、位移场以及应力场的特征,最终获得基坑地下连续墙的水平位移、基坑外地表沉降、围岩塑性区分布、基坑内围岩变形以及基坑内涌水量变化规律。研究结果表明： 1）通过对基坑底部断层带的注浆加固,基坑侧向位移及基坑外地表沉降均得到有效控制,相比于注浆加固前,其最大水平位移和地表累计沉降量减小50%以上,满足工程要求; 2）基坑底部区域内塑性区范围明显减少,基坑外塑性区扩散也得到有效抑制; 3）基坑底部断层带注浆改变了渗流场分布,有效降低了基坑涌水量,基坑治理区域涌水量由最初的94 m3/h逐渐减小到4 m3/h,堵水率达96%; 4）注浆结束后现场钻孔取芯率达到75%~80%,开挖揭露大量劈裂作用形成的浆脉,验证了注浆可有效治理明挖基坑所揭露的软弱断层破碎带。     

节理对泥岩隧道稳定性影响分析

基于施工中常见的多节理岩体隧道开挖,通过数值模拟分析开挖后围岩塑性区分布,初支收敛位移、竖向位移分布特征,压剪应力以及初支塑性破坏区随节理力学参数及节理倾角的变化特征,研究节理对泥岩隧道稳定性的影响,结论如下:水平节理使拱顶及仰拱周边围岩的塑性区增大,相同节理力学参数,在节理倾角为15°、75°及90°时塑性区范围较大;收敛位移峰值多出现在拱脚或边墙处,竖向位移绝对值峰值均在拱顶,水平节理可在边墙施作锁脚锚管进行竖向位移控制,其他节理倾角软弱夹层工况,还需在锁脚锚管中注浆加固洞周岩体;各工况衬砌均是全环受压,且衬砌净空侧压应力大于围岩侧,衬砌塑性破坏受压剪应力控制。相同节理力学参数,在节理倾角为45°时压剪应力最小,在节理倾角为75°时压剪应力最大。     

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。     

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。     

大跨度浅埋偏压隧道围岩变形分析

利用有限元数值模拟分析了两组工况下偏压隧道的围岩变形及隧道衬砌受力情况,结果表明:衬砌外荷载主要由上覆岩土体自重以及围岩沿着潜在滑移面产生剪切变形形成,剪切变形对围岩及衬砌受力影响显著。在平行于偏压面岩层与衬砌交界处（浅埋侧拱脚、深埋侧拱肩）的内力明显突变。地表注浆加固在一定程度上改善了围岩物理力学特性,减小偏压引起的剪切变形,有利于围岩稳定及隧道衬砌受力。     

注浆加固对深埋富水围岩隧道开挖变形影响研究分析

注浆加固作为一种提高围岩力学性质的手段,具有堵水防渗和加固的作用,主要用在IV~V级围岩地段。文中分析了注浆对于围岩参数的影响和注浆加固后隧道孔隙水压力分布情况。依托某隧道工程,采用数值模拟的方法,从注浆圈厚度和渗透系数2个方面探讨注浆加固对围岩开挖变形的影响。结果表明:注浆加固会减小渗流影响下围岩开挖变形速度及变形量,在开挖边界一定范围内注浆加固效果比较明显,注浆圈渗透系数的大小主要影响隧道整体的固结沉降。     

隧道穿越倾斜煤层采空区段施工力学特征分析

为研究隧道穿越倾斜煤层采空区段时,采空区围岩的力学变化对隧道超前加固措施及支护结构的影响,采用Flac 3D软件模拟计算隧道穿越采空区的各施工阶段,分析采空区围岩施工力学特征的动态变化过程及隧道支护结构的受力特征。结果表明： 1）隧道在穿越上覆煤层采空区时,采用超前小导管注浆加固能有效阻止围岩的变形破坏; 2）中隔壁拆除后,初期支护结构承担了大部分围岩应力,拱腰及拱脚部位最小主应力值分别增加了13%、41.3%,改善了隧道结构的受力条件; 3）在采空区段锚杆轴力最大值为226 kN,发挥了很好的锚固作用; 4) 隧道穿越下伏煤层采空区时,采用填石注浆的加固改善比例为154.3%,治理措施较为合理。隧道二次衬砌结构的施作更是隧道安全的保障。     

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。     

施工过程中大跨破碎隧道围岩应力变化规律及控制

为了再现隧道开挖过程中围岩与支护结构的相互作用和荷载分担比,进一步优化施工工艺,对某隧道洞口施工过程进行了数值模拟。通过模拟发现,破碎地层中开挖大跨隧道,边墙受力较大,塑性区面积大于顶部,要求锚杆的锚固深度较大;其次两隧道中间顶部最早出现塑性区,对围岩的扰动较大,应采取注浆加固围岩,提高其自承能力;仰拱中部塑性区扩展较大,可适当施作锚杆,控制底鼓破坏;协同围岩与锚杆的支护作用可适当降低工程造价,更好地发挥围岩自承的作用。     

地表注浆在浅埋黄土隧道中的应用与效果分析

结合鸳鸯会隧道实例,对地表注浆技术进行研究。通过数值模拟软件计算注浆前后围岩变形和塑性状态,分析隧道塌陷成因及注浆加固效果。注浆结束后,使用地质雷达检测注浆区域,了解注浆管分布及浆液扩散情况,排除注浆后围岩中不密实区域。施作初支后,对比拱顶沉降现场监测、回归分析以及数值计算结果,研究围岩长期变形趋势。结果表明,综合数值分析、雷达检测及现场监测分析,能够有效评价浅埋黄土隧道地表注浆加固效果。     

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。     

强风化层超浅埋隧道高压旋喷桩荷载试验研究

以广东云茂高速公路新屋隧道的超浅埋施工为工程背景,对高压旋喷桩在全风化地层超浅埋隧道围岩加固处理的施工关键参数、地层加固效果进行对比研究。结果表明：(1)浆液压力、旋喷转速和提升速度对单桩静荷载承载力有明显的影响。相同静荷载条件下,浆液压力越大,单桩累计沉降值越低,累计沉降值增加较小,回弹量变化率基本相同;随着旋喷转速的增加,单桩累计沉降值越低,单桩累计沉降值变化率减小,回弹量变化率也减小;随着提升速度的提高,单桩累计沉降值提高,累计沉降值变化率减小,回弹量变化率基本保持不变;(2)桩体水泥土较均匀,强度较高且脆,冒浆部位所处地层主要为松散的粉质黏土层和含砂层;(3)经过高压旋喷桩底层加固之后,超浅埋隧道开挖后顶部围岩较稳定,围岩间裂隙被水泥浆液填充固结、完整性提高;桩体有效限制边墙外侧土体向隧道内侧变形,桩体也起到了一定的止水作用;高压旋喷桩加固提高围岩整体性,起到了固结隧道拱顶以上软弱土层的作用,为隧道浅埋段安全开挖创造了条件。     

高海拔特长公路隧道下穿高压电杆的加固措施

为保证高海拔浅埋特长公路隧道下穿高压电杆施工过程中电杆的安全稳定,通过对高海拔隧道围岩和注浆加固区进行物理力学试验,建立三维有限差分模型,模拟隧道下穿电杆施工全过程,并结合现场监测数据,研究隧道周围管棚支护与上方地表注浆对近接电杆的稳定性加固效果。研究表明:隧道开挖对既有高压电杆基础的竖向沉降影响较大,水平位移影响较小;地表注浆、管棚加固可改善软弱岩体的整体性与强度;在隧道下穿高压电杆过程中,电杆沉降位移满足控制标准,预注浆加固效果显著。     

炸山嘴黄土隧道地表注浆加固工程实践

以国道G309线固原至西吉公路炸山嘴隧道工程为依托,利用MIDAS-GTS三维有限元软件分析地表注浆措施对该隧道中一段位于软弱围岩区域浅埋隧道的加固效果。对比地表注浆前后隧道周围土体的位移情况以及隧道拱顶塑性区分布范围,发现地表注浆加固措施对提高隧道围岩强度和控制隧道拱顶沉降量具有明显效果。     

层状地层软岩隧道形变控制措施研究

软弱层状岩体具有自稳性较差,且强度各向异性等特点,隧道修建过程中常出现初支混凝土开裂、型钢拱架或格栅扭曲、支护侵限等大变形破坏现象。以国道318线折多山隧道工程为依托,通过开展有限差分数值模拟对层状地层软岩隧道大变形破坏特征进行了分析。研究结果表明:随着节理强度的增加,层状岩体的横观各向同性性质减弱,塑性区的分布从由节理面控制变为沿隧道轴线对称分布,且塑性区的范围也有所减小;从变形控制角度分析,对围岩整体进行注浆加固及增加支护结构的强度可以有效控制围岩变形,而仅对节理进行加固的效果较差。