基于流固耦合理论的连拱隧道围岩稳定性分析

以湖南省常吉高速公路新修建的一些大跨度连拱隧道为工程背景，基于流固耦合分析理论，利用快速拉格朗日有限差分法对连拱隧道围岩稳定性进行分析。主要考虑流固耦合效应作用时，围岩级别、隧道埋深、地下水位以及施工工法和初期支护等因素对围岩稳定性的综合影响，得到Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级围岩在各种情况下隧道开挖后围岩最大主应力、洞周位移、塑性区、孔隙水压力分布以及喷锚支护受力特征等结果，探讨连拱隧道开挖渗流机制，并分析深埋连拱隧道开挖后的孔隙水压力场分布特征。研究结果直接指导该高速公路二期工程中的隧道防排水施工和支护措施的改进提高，为富水地层条件下的隧道工程开挖设计提供一定的理论参考。     

连拱隧道围岩压力计算方法与动态施工力学行为研究

由于双连拱隧道的多分部开挖支护的结构荷载转换过程多,围岩应力变化和围岩与结构相互作用关系复杂,目前在设计、施工中仍然存在一些问题:(1) 勘察设计围岩分类与施工揭露实际围岩级别常有差异,并难以实现及时变更.(2) 尚无满足连拱隧道特点的围岩压力理论,特别是在浅埋偏压条件下围岩荷载估计偏差较大.(3) 施工中经常出现支护失效、衬砌裂缝及渗漏泄水等工程安全、质量问题.针对连拱隧道中的问题,进行围岩压力计算方法和动态施工力学行为研究,主要研究成果有:(1) 对于连拱隧道,围岩塑性区受中墙及施工方案影响较小,主要与最终开挖跨度有关.在计算荷载时要考虑最不利工况,连拱隧道坑道宽度取整个连拱隧道的宽度是合理的,偏于安全的.(2) 应用比尔鲍曼理论求得塌落拱曲线方程,然后用作图法在连拱隧道外侧作一个切线与以地形的坡度求出的塌落拱曲线方程的切线相平行,两平行线的距离即为地形偏压临界覆盖厚度.运用此方法求得连拱隧道大跨度条件下的偏压连拱隧道地形偏压临界覆土厚度,为偏压连拱隧道设计提供可靠依据.(3) 针对连拱隧道断面远大于单线隧道,围岩压力大于按单线隧道宽度修正结果所出现的问题,提出对于大跨度双连拱隧道,在极浅埋、浅埋条件下,仍然分别采用全土柱理论荷载和谢家烋理论荷载;在深埋条件下,推荐双连拱隧道竖直地层压力采用适合双连拱大断面隧道特点的修正比尔鲍曼理论围岩压力计算公式.(4) 对于浅埋偏压连拱隧道,不仅要考虑非对称的地层主动荷载,还要调整浅埋侧地层被动荷载,提出浅埋偏压连拱隧道地层主动偏压荷载和被动不均匀荷载确定方法及地形偏压情况下隧道支护结构的合理计算方法,并求得不同坡率、不同围岩级别条件下浅埋侧土体的弹性抗力系数的合理取值,为设计中偏压连拱隧道采用荷载结构模式计算时浅埋侧土体的弹性抗力系数取值提供参考.(5) 在充分吸收国内外围岩分类经验的基础上,针对隧道施工期间的现场围岩判别特点与要求,提出一种现场围岩快速评价方法,该方法以定量与定性指标相结合,现场观察、量测及快速评价.另外针对隧道围岩实际力学指标难以获取的难题,提出应用围岩Q指标和现场点荷载强度推测围岩物理力学参数的方法,并结合围岩快速评价结果,综合确定隧道围岩实际力学指标.(6) 对于浅埋偏压连拱隧道,侧导洞应该先开挖深埋侧侧导洞,而主洞应该先开挖浅埋侧主洞;而对于非偏压连拱隧道,在围岩条件较好时主洞开挖可采用上下台阶法,且主洞开挖合理的工作面间距应约为2.0D～3.0D(D为单拱跨度);在中隔墙完成后,部分回填,使正洞初期支护能直接作用在中隔墙上,不仅有效提高支护整体刚度,还使中隔墙受力更合理,改善中隔墙受力状态.经富溪偏压连拱隧道工程施工与现场监测结果检验,提出的连拱隧道坑道宽度取值、偏压连拱隧道深浅埋分界、围岩主动压力与围岩被动压力计算方法、现场围岩级别快速评价以及施工方法正确合理,可为工程建设提供重要技术支持和经验.     

浅埋大断面大跨度连拱隧道支护体系现场监测试验研究

浅埋大断面大跨度连拱隧道跨度大、埋深浅、围岩稳定性差,地质条件复杂,为保证施工顺利进行,需加强隧道施工监测,根据监测调整后续施工方法。对浅埋大断面大跨度连拱隧道支护体系的现场监测试验方案及不同开挖工序下隧道支护体系受力特点进行了分析与研究。研究结果表明:①左右洞上台阶开挖引起支护体系应力分布较大变化,是隧道支护主要监测控制点;②右洞上、下台阶开挖引起中墙内力较大变化,是中墙稳定主要监测控制点;③右洞上、下台阶开挖对支护应力的纵向影响范围约为隧道跨度的1/3和1/2;④对于浅埋大断面大跨度连拱隧道,应及早施作二衬,封闭成环,以改善结构受力。研究成果可为日后类似工程的设计、施工和研究提供有益的借鉴和参考。     

基于横向刚度理论城市隧道支护结构特性研究

以实际隧道工程为工程研究背景,从隧道支护结构的横向刚度安全稳定性理论出发,研究隧道穿越复杂地质条件的浅埋偏压段软弱围岩的典型断面的安全稳定性。以有限元数值模拟为研究手段,通过对特定的开挖工法下锚杆的力学特性进行研究,对比施作锚杆和无锚杆支护时拱顶和拱腰部位的位移和锚杆的应力,得到锚杆的力学特性变化规律和在围岩中的受力效果、围岩体在锚杆支护后的应力变化规律和锚杆的轴力变化规律,对隧道的安全稳定性作出分析。理论研究结果对工程的后续施工有一定的指导意义,达到降低成本节约造价的效果。     

连拱隧道支护结构内力模式研究

连拱隧道结构复杂,施工工序繁多,开挖和支护相互交错,导致围岩压力分布及支护结构各部分的应力和变形难以获得精确解答,使设计存在一定的盲目性。文章首先通过对现场监控量测中的围岩压力分布情况和初期支护受力特点及工作状态进行了分析,提出了围岩接触压力和初期支护结构内力模式。接着在有限元分析中结合现场量测数据进行计算参数的合理选取来模拟现场开挖计算,并对计算结果与现场量测数据进行了对比分析和相互印证,提出了不同中墙连拱隧道初期支护结构设计的可行控制点。     

高地应力软岩隧道长、短锚杆联合支护技术研究

基于考虑应变软化特性的深埋隧道弹塑性解,采用锚杆中性点理论,系统地分析高地应力软岩隧道短锚杆支护失效机制,并论证高地应力软岩隧道中对锚杆长度进行加长的必要性:一方面增大锚固段的围压以提高黏结强度,另一方面增大锚杆头部和尾部处的围岩位移差以提高锚杆对围压的锚固效用。将高密度支护模式的短锚杆等效为复合岩体,同时将长锚杆对围岩的锚固作用考虑为作用在隧道洞壁处的等效支护力,建立隧道长、短锚杆联合支护力学模型,考虑锚杆和围岩的相互作用,得到长、短锚杆联合支护后的围岩特征曲线。通过对比每延米隧道锚杆用量相同情况下,普通短锚杆支护和长、短锚杆联合支护状态下的围岩特征曲线,说明了长、短锚杆联合支护策略对高地应力软岩隧道变形控制的有效性。该长、短锚杆联合支护力学模型考虑了长锚杆与围岩的相互作用,为高地应力软岩隧道长锚杆支护长度的设计提供了一种计算方法。     

早强锚杆在高地应力层状软岩隧道中的应用研究

以在建的成都-兰州铁路杨家坪隧道为工程依托,选取条件基本相同的30m典型围岩区段为试验段,对普通锚杆、早强锚杆支护时的洞周位移、围岩与初支接触压力、型钢拱架应力及其锚杆轴力进行实测对比分析,探讨了早强锚杆在高地应力陡倾层状软岩隧道中的作用机制。结果表明：高应力软岩隧道中锚杆轴力为拉力,早强锚杆比普通锚杆轴力更大,可以使隧道洞周位移减小40%|早强锚杆使隧道边墙围岩压力和钢架拱顶应力减小,围岩压力分布和钢架受力趋于均匀|早强锚杆通过注浆材料深入围岩,可以提高围岩层面强度|及时发挥锚固作用,抑制了围岩渐进破坏过程,从而减小围岩塑性区|加长了锚杆的拉拔长度,减小围岩与初支接触压力,改善隧道支护的受力状况,有效地控制隧道变形。     

软弱破碎围岩隧道锚喷钢架联合支护的复合拱理论及应用研究

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的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缺乏深入研究,特别是对于联合支护的承载能力及与围岩相互作用没有量化的解析式。根据围岩与支护相互作用特点,运用组合拱理论,针对隧道围岩中锚喷网和钢架联合支护的特点,建立由以系统锚杆为支护外拱和喷层与钢架的支护内层拱所共同构成的复合拱的力学模型;根据隧道围岩的弹塑性理论、衬砌的支护结构理论以及全长锚杆的锚固界面层模型,推求联合支护结构的承载力与围岩变形的相关解析式;并结合云南省麻昭高速公路打堡寨2#隧道,利用现场监测位移求解了内、外层拱各自承载能力,经由计算结果表明,以钢架和喷层组成的内层支护拱在软弱破碎围岩中起主要承载作用。     

双连拱隧道施工技术

结合某双连拱隧道的工程概况,介绍了连拱隧道在不同围岩类型下的开挖方法、光面爆破、超前支护和初期支护技术,并指出双连拱隧道比分离式隧道具有诸多优势,在地下工程中得到了广泛的采用.     

大跨度公路隧道初期支护极限位移值的确定

为了判断隧道开挖过程中围岩的稳定性,选取隧道开挖支护过程中反映围岩应力状态变化的初期支护极限位移值作为判别的重要依据。随着大跨度公路隧道建设的日益增多,为保证其在开挖过程中围岩的稳定性,计算其初期支护极限位移,依据JTG D70—2014《公路隧道设计规范》,运用Hoek-Brown屈服准则,运用FLAC3D软件模拟单侧壁导坑法与双侧壁导坑法两种开挖方式,运用尖点突变理论计算特征值作为极限状态的判别依据,计算拱顶、拱腰、拱脚的极限位移值。通过统计分析得到:双侧壁导坑法可以有效限制拱顶沉降值,并限制拱腰处的收敛值;同时,明确两种开挖方法针对不同围岩级别、不同埋深的极限控制点及相应的取值范围。     

连拱隧道施工力学的三维数值分析

结合某夹心连拱隧道的工程地质条件和变截面中墙结构设计特点,采用有限元软件ABAQUS模拟隧道动态开挖的全过程,分析了隧道围岩和支护结构的稳定性,结果表明,随着曲中墙截面厚度的增大,其应力逐渐减小。数值分析对隧道的设计和施工具有一定的指导性,研究成果在类似的隧道中可得到应用。     

IV级围岩条件下公路隧道锚杆支护优化研究

隧道锚杆支护体系多采用工程类比的方法进行设计,但是此方法存在一定不确定性,基于此问题,本文主要结合工程实例,重点对Ⅳ围岩条件下的公路隧道锚杆轴力实施现场监控量测,对隧道围岩和锚杆史护系统的变形和受力特点进行分析,并且借助FLACD3D软件在分析大变形以及几何非线性问题方面的优越性能,分别从隧道的围岩变形、应力场的分布以及锚杆所受轴力等方面进行模拟。模拟的结果显示两侧拱腰到拱脚45°范围内的锚杆所受轴力较小,对此部分围岩可以采用局部锚杆支护,充分发挥围岩的自承能力,研究成果也可为同类工程提供指导。     

双连拱隧道施工过程弹塑性有限元数值分析

针对广东省广惠高速公路小金口双连拱隧道和四川省宜水高速公路鞋底坡双连拱隧道2个工程,应用平面应变弹塑性模型,对双连拱隧道施工过程弹塑性进行了深入的有限元数值分析和模拟,提出了在隧道不同施工工序中塑性区的分布形式,通过这些塑性区的分析,指出了在施工过程中的围岩应力危险区域、围岩支护及监控量测的重点和难点,为施工提出了警示信息。     

大跨度地下空间支护体系应力监测与稳定性分析

监控量测是隧道新奥法设计与施工中必不可少的环节。结合重庆市轻轨较新线大坪车站大跨度地下空间施工支护体系受力和应力监测的工程实践,分析支护体系初期支护工字钢拱应力、锚杆轴力、喷射混凝土内应力、喷射混凝土与围岩接触压力、临时工字钢支撑应力、喷射混凝土与二次衬砌接触压力、二次衬砌钢筋应力等测试结果和变化规律,阐述大跨度地下空间支护结构及参数选择、量测方法及测试手段,并确定支护体系的稳定性和结构的安全性,其结果指导该工程的信息化施工。     

深埋非对称连拱隧道围岩压力计算方法研究

非对称连拱隧道具有几何与结构形式不对称、开挖跨度大、施工工序繁多、结构受力复杂等力学特性,在进行支护结构设计中通常需要进行荷载–结构模型验算,而其荷载确定尚无成熟的计算方法。在此背景下,考虑了左右两洞室几何与结构形式不对称条件,基于连拱隧道双塌落拱的基本假定,根据普氏理论推导了深埋情况的围岩压力计算公式。将推导公式取对称条件,则可以退化为常规连拱隧道的计算公式,验证了所推导公式的正确性。最后结合工程实例,验证了所推导公式的合理性。研究方法和结论可以为非对称连拱隧道的设计荷载确定提供重要参考。     

软弱隧道围岩拱顶塌方及锚杆支护效应试验研究

为研究软弱岩体中隧道开挖引起的围岩失稳破坏特征以及锚杆的加固效应,以IV级围岩为参照对象,开展一系列无锚杆和有锚杆支护条件下的隧道开挖地质力学模型试验,并对拱顶围岩的位移、应力和宏观破坏形式的发展变化规律进行分析。研究结果表明:(1)隧洞开挖后,围岩破坏始自隧道两侧拱脚,渐次向上延伸并塌落成拱;(2)由于锚杆的悬吊挤压作用及其与岩层的组合梁效应,显著减少了拱顶岩体塌落范围;(3)锚杆通过对岩体施加黏锚力,提高了锚固范围内岩体的强度和韧性,有利于增强围岩的承载能力和抵抗变形能力;(4)锚杆支护对围岩应力分布起调节作用,使得围岩能在较高的能量状态下获得稳定平衡,并延缓了围岩进入"软化"阶段。上述研究成果可为软弱隧道围岩稳定性评价以及支护结构的设计与施工提供一定的借鉴和参考作用。     

连拱隧道动态施工模型试验与三维数值仿真模拟研究

连拱隧道作为公路隧道新的结构型式，理论上还不成熟。以云南省元磨高速公路的一座连拱隧道作为工程背景，按弹性阶段相似原则进行连拱隧道室内模型试验，模拟连拱隧道的施工工况，采用压力盒、数码摄像、沉降板等仪器量测施工过程中隧道围岩应力和位移分布，采用三维连续介质快速拉格朗日元模拟连拱隧道的施工工况，得出施工过程中隧道围岩位移、应力和塑性区分布规律，其结果与模型试验所得结果基本一致。     

偏压连拱隧道围岩稳定性数值仿真

连拱隧道作为公路隧道新的结构型式,理论上还不成熟,特别是在复杂应力条件下隧道的应力、位移分布及稳定性研究很少.文章以元磨高速公路的一座连拱隧道作为工程背景,采用三维连续介质快速拉格朗日元模拟偏压条件下直墙连拱隧道的施工工况,得出了施工过程中偏压连拱隧道围岩位移、应力和塑性区分布规律,这对今后偏压条件下连拱隧道的设计和施工具有一定的理论意义和应用价值.     

FLAC3D技术在锚杆"耦合"支护工程中的应用研究

隧道开挖后的支护结构设计,唯有在充分考虑原岩条件的支护设计,并确保支护体系、支护结构和参数以及施工工艺过程与围岩变形力学特性相适应、相匹配的条件下,才能达到最大限度发挥围岩自承能力和支护体系支承能力,达到控制围岩变形、维护隧道稳定的目的.亦即唯有使支护设计与原岩条件达到一定程度的"耦合"关系,才能既满足隧道围岩的稳定要求,也同时达到经济合理的目的.文章结合襄武段联拱隧道具体工程条件,就隧道锚杆支护设计与原岩条件的"耦合"问题借助FLAC3D数值模拟技术进行研究,得出了锚杆弹性模量为围岩体等效变形模量的250倍时,锚杆支护刚度就与围岩体强度达到"耦合"状态的结论,为合理设计隧道锚杆支护结构提供了可靠依据.     

浅埋偏压大断面隧道施工力学分析及方案比选

结合南宁玉象隧道偏压浅埋大断面隧道工程实际,建立了偏压浅埋大断面隧道施工动态有限元数值模型,分别采用上下台阶法、CD法和双侧壁导坑法3种施工方案,模拟施工对围岩变形和力学特性的稳定性影响,对围岩位移、应力、锚杆、初期支护轴力与二衬弯矩等进行对比分析,结果表明,双侧壁导坑法能较好地控制围岩位移,应力分布与隧道支护结构内力分配较合理。