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。     

高速公路隧道水平层状围岩支护优化

为了及时预防公路隧道穿越水平岩层施工过程中极易出现的平拱、拱顶离层破坏、拱项弯折内鼓等危害现象,确定合理的支护方案,结合广元-巴中高速公路某穿越水平岩层隧道,根据现场跟踪调查和试验,在对围岩岩性、物理力学性质、地层结构和变形破坏类型等进行分析的基础上,对原洞身围岩质量分级结果进行了调整,对原支护设计方案进行了优化,并利用数值模拟方法验证了其合理性.同时,施工后拱顶下沉及周边收敛监测结果显示,围岩变形完全满足要求,进一步证明了支护优化设计合理,效果明显.     

高速铁路隧道支护参数的计算研究

为探索隧道初期支护安全系数的计算问题,并为高速铁路隧道支护参数优化提供理论依据,根据喷锚支护的性能与特点以及现代隧道力学的基本理论,建立初期支护荷载结构模型和对应的安全系数计算方法; 针对时速350 km高速铁路双线隧道提出的3种不同的初期支护方案（无系统锚杆支护、喷锚结合支护和以锚为主的支护方案）展开适应性研究,计算分析不同埋深（400 m和800 m）条件下初期支护的优化参数以及优化后的二次衬砌承载能力,在此基础上提出优化后的高铁隧道支护参数建议值,并对优化前后的安全系数进行计算与对比。主要结论如下： 1）提出了采用围岩压力代表值作为荷载结构模型设计荷载的方法,为解决设计中围岩压力不确定的问题提供了思路,且所推荐的围岩压力代表值计算方法具有安全性与经济性; 2）提出了3种初期支护计算模型,可以为初期支护构件的选择与量化设计提供一定的理论基础; 3）提出了时速350 km高速铁路双线隧道初期支护方案及优化后的复合式衬砌设计参数,并明确了不同围岩级别、不同埋深时的承载主体; 4）提出了按照不同埋深进行支护结构参数设计的建议。     

三车道公路隧道支护参数优化分析

以广东省在建3车道大断面公路隧道为依托,根据实际围岩条件、埋深、设计洞形及断面大小,对设计支护参数进行安全性能优化分析。通过对“原设计”和“优化后”的2种支护结构的平面有限元计算,得到HI～V级围岩条件下的6种典型初期支护结构型式。优化后的设计支护参数能确保安全,同时节约工程造价。     

软弱围岩超短台阶错开距离优化研究

软弱围岩隧道施工一般存在进度缓慢,严重制约工程的工期的问题,本文主要对台阶法施工的变形、受力特征和台阶的合理长度进行数值模拟分析和优化。通过数值计算,分析了不同台阶错开距离的施工力学效应,从支护受力、支护位移等对比分析,对台阶错开距离进行了优化,得出在软弱围岩条件下采用短台阶施工对控制围岩变形及保证施工安全较为有利,考虑各种因素,建议实际施工时台阶错开距离为5～10m,即超短台阶法比较合理。     

浅埋隧道单侧扩建施工方案优化

目前国内外常见隧道扩建施工大都采用传统新建隧道的施工方法,但由于传统开挖方法忽略了原隧道衬砌对围岩的长期支撑稳定优势,降低了施工效率。依托重庆渝州隧道扩建施工实例对扩建优化施工方案进行了深入研究,提出了浅埋隧道单侧扩建优化施工方案,即横向采用合理拱轴线开挖,纵向采用跳槽开挖的新方法。通过现场监控量测和ANSYS三维有限元模拟还原施工全过程进行对比分析。采用优化施工方案时,随着开挖掌子面的推进,原隧道衬砌受压应力计算值增大,纵向跳槽开挖时未拆除的原隧道衬砌能够发挥柱的作用,承担因跳槽开挖而产生的围岩压力,可有效提高施工安全稳定性。横向采用合理拱轴线开挖,使得开挖后围岩压力传递更加合理,并显著降低了初期支护结构拉应力和一定程度上增加了初期支护结构压应力。数值计算结果及现场监控量测数据对比显示,浅埋隧道单侧扩建开挖方案优化后拱顶位移比现状开挖方式小约16%～20%,且拱顶基本不出现受拉区,证明优化后的开挖方案在地下工程开挖卸荷时改变了原围岩的应力路径,能够充分调动围岩的自稳能力。故采用优化施工方案不但能够减少拱顶沉降,降低衬砌的拉应力,还能在保证施工安全的同时缩短施工工期,为今后的类似隧道扩建工程提供借鉴。     

城市隧道施工过程结构分析研究

以实际隧道工程为研究背景,针对此工程中穿越浅埋地段复杂多变的地质情况:粉质黏土层与软弱破碎V级围岩,采用有限元软件进行结构分析,通过有限元数值模拟分析隧道台阶法动态施工过程。在此基础上,分别对留核心土台阶法的台阶高度与初期喷锚网支护结构作为研究对象,对比不同的上台阶开挖高度、锚杆长度、网喷混凝土厚度情况下围岩的力学特征。根据数值模拟结果及规律,提出该浅埋偏压软弱围岩段隧道的合理的设计支护参数及施工对策。研究结果直接指导该隧道施工过程和支护措施的改进优化与设计控制措施,较好地解决工程实际问题。可为隧道后续设计和施工或类似穿越浅埋软弱围岩等复杂地层条件下隧道施工过程及超前注浆孔的合理布置提供理论支持。     

隧道初期支护侵限段结构安全分析及处理措施研究

针对豫西山区洛栾高速公路某隧道施工过程中发生的初期支护变形侵限问题,分析了初期支护变形情况和发生原因。采用有限元方法分析了不同工况下衬砌结构的安全性,得出原设计参数不能完全满足现状围岩特性的结果,同时取得了现状工况下合理的支护结构设计参数。结合工程实际提出了洞外洞内相结合的处理方案,并给出了具体的侵限处理措施和施工步序。工程实践表明,支护参数安全可靠,处理措施合理可行。     

偏压浅埋隧道注浆预加固的方案优化分析

选用有限元软件3D-Sigma,采用Drucker-Prager弹塑性本构关系对隧道浅埋段进行了施工全过程的三维有限元数值模拟分析,得到围岩及支护结构的应力、变形和塑性区随开挖变化的全过程;在偏压浅埋地形条件下,探讨了地表注浆预加固对隧道稳定性的影响,同时对6种不同的加固方案进行了较详细的对比分析,根据其不同的加固效果,找出了最合理有效的加固方案。     

季家坡隧道开挖数值模拟分析研究

采用地层-结构模型,利用有限差分计算软件FLAC对三峡翻坝高速公路的季家坡隧道进行了开挖支护施工过程的数值模拟,文章分析了隧道开挖后支护前和支护后隧洞围岩变形、应力重分布、围岩塑性区范围,进一步证明了隧道支护方案的有效性,并对支护结构做出了安全评价。     

某湿陷性黄土隧道施工过程力学特性及塌陷区施工控制

通过对某穿越湿陷性黄土地层隧道某塌方段地层-结构法和荷载-结构法的数值对比计算分析,表明虽然隧道上方塌陷后原状土体结构遭到破坏,但在围岩与衬砌支护结构变形协凋的共同作用过程中,塌陷区黄土围岩的承载潜力仍要考虑到计算中,单纯的荷载结构法计算不能充分反映衬砌支护结构受力、变形的实质,采用地层结构法计算更符合实际情况;同时,根据塌陷段地质情况,采取了地表深孔注浆加固地层的处治方案,通过现场试验分析、论证,表明该处治方案合理、有效,较好地实现了地层加固的目的.     

软弱破碎围岩隧道锚喷钢架联合支护参数优化模型及工程应用研究

初期支护以锚杆、喷层、钢筋网与钢拱架联合支护的方式在软弱围岩和不良地质隧道建设中已经得到广泛运用,但目前对于这种联合支护的力学承载机制和多支护参数的选择缺乏深入研究。根据围岩与支护相互作用特点,针对隧道围岩中锚喷网和钢架联合支护的特点,建立基于隧道滑移线理论的联合支护参数优化模型;并结合云南省打堡寨2#隧道,对联合支护参数进行优化,通过有限元模型对联合支护的力学效应进行验证。该优化方法对今后类似的软弱破碎围岩隧道工程中锚喷钢架支护参数的合理选择具有一定的借鉴与指导意义。     

隧道超前支护管棚工法设计与计算研究

上世纪80年代以来,随着新奥法在我国的推广应用,在不少隧道和地下工程中采用了管棚支护。但是有关管棚支护受力情况和设计参数,国内普遍以经验为主,缺乏系统的理论探讨,故对管棚做适当简化进行计算来检验根据经验所选参数是否合理是很有必要的。结合坨家山隧道塌方处理方案,总结了超前支护管棚工法应用时的围岩荷载确定方法,给出了管棚结构的简化计算模型和管棚参数的选定方法。     

浅谈铁路隧道监控量测信息化在监理管理工作中的实践与运用

围岩监控量测对隧道整个施工过程中,对隧道围岩及支护结构的变形和应力状况进行观察、量测,并通过对监测结果的处理,分析地层、支护结构的安全稳定性,判断隧道施工对地层的影响程度;通过信息反馈,修正设计参数,优化施工工艺,改进施工方法,均有重要的指导意义。根据多年的隧道工程监理工作经验,结合工程实例,介绍了当前监理工作中对监控量测信息化的管理与运用。     

支护特征曲线在公路隧道监控量测中的应用

在隧道施工中,现场监控量测往往仅判断围岩、结构是否稳定,而对支护时机是否及时则很难判断。以铜锣山隧道为例,采用数值模拟方法,对Ⅴ级围岩绘制围岩、支护特征曲线,并结合监控量测数据分析,判断支护措施及支护时机是否合理,同时给出围岩压力测试数据,指导隧道施工。     

郑万高铁隧道大型机械化施工支护优化

为解决郑万高铁大断面隧道建造过程中初期支护、二次衬砌、超前支护等支护结构安全储备较大、支护不经济的问题,以郑万高铁湖北段大断面隧道工程为依托,基于通用设计图A开展支护结构应力应变现场测试,对测试数据进行分析,并据此提出支护参数优化方案。采用现场实测和荷载-结构有限元方法对优化方案进行检算,最终确定优化设计图B,并进行现场应用。结果表明： 支护结构整体处于安全状态,优化方案合理可行。该支护优化方案不仅可以有效保证大断面隧道的安全性和稳定性,而且能降低成本,提高材料利用率,减少现场作业人员的劳动量。     

大断面软岩隧道变形特征及多层初支控制研究

以连城山大断面软岩隧道工程为依托,基于施工监测数据,对比分析了单层I22b钢拱架初期支护、单层H20b型钢拱架初期支护、双层I22b工字钢拱架初期支护和双层H20b型钢拱架初期支护4种支护方案下围岩的变形规律与支护的受力特征。结果表明,单层和双层I22b钢拱架初期支护均不能控制隧道的大变形,而双层H20b型钢拱架初期支护可以控制隧道围岩变形。采用数值软件进一步比较了4种支护措施对于控制围岩变形的有效性,计算结果表明,I22b钢拱架的支护控制围岩变形的效果明显较差,尤其是单层I22b钢拱架的支护方案条件下围岩发生了较大的变形。采用双层初期支护的方案后围岩变形分布更均匀,支护结构与围岩协同变形。研究结果可为类似工程的设计与施工提供一定的参考。     

基于正交试验的软岩隧道围岩稳定性影响因素敏感度分析

基于某供水专用软岩隧道,采用正交试验法对其围岩稳定性影响因素进行敏感度分析,确定影响拱顶沉降、仰拱隆起和水平位移的主要因素,分析各因素对软岩隧道围岩稳定性的影响。结果表明：提高支护结构混凝土等级和厚度可减小拱顶沉降量,支护施工距离的增加会导致拱顶沉降量、仰拱隆起量逐渐增加,采用全断面法开挖可使拱顶沉降和仰拱隆起最小化;混凝土等级是影响水平位移结果的最显著因素,支护施工距离和开挖方案的影响次之,混凝土厚度是影响水平位移结果的较弱因素。提出优化施工方案,建模分析并通过现场监测进行验证。     

预应力锚索在高地应力软岩隧道的控变应用效果分析

为解决高地应力软岩隧道的施工变形控制问题,渭武高速木寨岭公路隧道先后采用锚喷钢架、NPR恒阻锚索、预应力锚索等3种支护方案,通过现场监控量测实测数据,对3种不同方案的控变效果进行对比分析。结果表明：1)预应力锚索支护与NPR恒阻锚索支护对高地应力软岩隧道的控变效果较为接近,相较锚喷钢架支护,控变效果显著提高,隧道变形最大值控制在450 mm以内;2) 3种支护方案中,预应力锚索的控变效果最佳。建议在高地应力软岩或类似大变形隧道施工中采用预应力锚索进行支护,更利于围岩及支护结构稳定。     

基于三维重构的隧道围岩稳定性快速分析及动态反馈

节理的存在降低了岩体的完整性和连续性,对隧道围岩的稳定具有重要影响,若支护不及时或强度不够将会严重威胁施工安全。本文依托井冈山特长隧道,提出了基于三维重构、块体理论的隧道围岩稳定性快速分析方法,动态反馈、指导设计施工方案优化。针对中风化砂岩、Ⅳ级围岩区段,通过地质素描与统计分析,建立基于节理特征的三维重构地层模型;运用块体理论,分析隧道开挖时临空面关键块体分布、失稳形式及安全系数;提出围岩稳定性动态反馈方法,并对比分析不同支护方案。研究表明:开挖后围岩稳定性较差,必须采取相应的支护措施,根据动态反馈明确在实际施工时必须严格按照原设计方案施作锚杆支护。基于三维重构的围岩稳定性快速分析及动态反馈,可以实现施工过程中地质数据的动态采集、分析与反馈,及时依据实际开挖地层条件,动态调整支护体系,确保结构的经济安全性。