拱顶背后空洞影响下非对称连拱隧道结构裂损规律

通过数值模拟和模型试验,研究非对称连拱隧道拱顶背后空洞对衬砌结构裂损规律的影响。研究结果表明:1)中墙墙脚外侧是非对称连拱隧道的薄弱位置,无论空洞是否存在,衬砌结构均首先于中墙墙脚外侧发生开裂;2)拱顶背后空洞的存在导致结构裂损规律更加复杂,空洞附近产生多处开裂,并呈现出明显的非对称性,无空洞侧隧道裂损情况加剧,尤其是拱顶以及拱顶与中墙连接带;3)空洞位于大洞径一侧隧道拱顶时,对两侧隧道裂损情况均有较大影响,而空洞位于小洞径一侧时,对无空洞侧隧道裂损情况影响较小;4)空洞范围越大,对非对称连拱隧道结构裂损规律影响越显著,同等荷载条件下结构的裂损程度也更加严重;5)拱顶空洞改变了衬砌表面围岩压力的分布形式,导致拱顶附近区域产生应力集中现象,与结构裂损情况密切相关。     

偏压连拱隧道围岩稳定性模型试验与数值分析

按弹性阶段相似原则进行偏压条件下连拱隧道的室内模型试验,模拟连拱隧道的施工工况,研究Ⅲ级围岩地质条件下,偏压连拱隧道开挖的可行性.采用压力盒、数码相机、沉降板等仪器量测试验过程中隧道围岩应力和位移分布.应用三维连续介质快速拉格朗日元对偏压条件下连拱隧道的围岩稳定性进行了分析,掌握连拱隧道开挖时围岩的整体力学性质、变形趋势以及稳定性特点.物理模型所得结果与数值模拟所得结果进行对比分析,结果表明偏压条件下连拱隧道施工过程中,隧道左右洞室拱顶存在较大的差异沉降;右洞拱顶及左洞拱脚围岩是隧道最为薄弱的地方;中墙作为连拱隧道的关键结构,承受了较大的外部荷载,除其本身要达到强度及稳定性要求外,墙顶及墙底围岩易发生塑性屈服;偏压对隧道拱顶的影响最明显,侧墙次之,对拱底影响较小以及隧道围岩不稳定区域和围岩的松动范围与对称荷载情况存在明显差异.     

浅埋大跨度双连拱隧道施工数值模拟研究

以苏州凤凰山大跨度双连拱隧道工程为例,采用有限元软件对多工序开挖条件下双连拱隧道围岩应力场、位移场的变化及初期支护的受力情况进行了详细的分析.通过分析得出,中隔墙顶部及拱腰处围岩存在应力集中的现象;中隔墙中间部位应力最大.竖向位移在主洞拱顶和拱底较大.通过现场实测,测得拱顶沉降随开挖工序的变化趋势,将理论分析结果与实测结果进行对比分析,结果表明,数值模拟得出的拱顶沉降与实测结果基本是一致,由此证明,数值模拟结果能真实反应现场隧道围岩的应力应变状态随开挖步骤的变化趋势.     

破碎岩质斜坡下浅埋连拱隧道施工力学效应研究

以某高速公路连拱隧道为研究对象,采用数值模拟方法研究破碎岩质斜坡下浅埋连拱隧道施工力学响应特征,并分析加固措施和开挖顺序对隧道围岩和结构应力与位移的影响规律。研究结果表明,偏压连拱隧道围岩水平和竖向位移均呈非对称分布,斜坡左上方为水平位移敏感区,拱顶和隧底竖向位移分别表现为沉降和隆起;中墙墙脚处出现水平应力集中现象,深埋侧中墙墙身受偏压作用显著,加固围岩可降低中墙墙身应力约16%以上,而先开挖深埋侧隧道会引起中墙墙身竖向应力增加达22%;初期支护结构位移呈非对称曲线分布,拱脚位置水平位移较大,左右两侧位移方向相反;从控制围岩和支护结构位移角度,采取斜坡与隧底破碎围岩注浆加固措施后处治效果显著,且宜优先进行地形偏压浅埋侧隧道施工。研究成果可为类似地质地形条件的偏压隧道设计与施工提供科学参考。     

层状岩体隧道变形特征数值模拟研究

为研究层状岩体的层厚与倾角对隧道及围岩稳定性的影响,以贵州省栗木山隧道为背景,采用有限元软件ANSYS分析了层状白云质灰岩地层隧道开挖后的围岩与支护结构受力变形特征,得到了不同岩层厚度和结构面倾角时围岩和衬砌的位移云图、关键节点的位移。研究结果表明,隧道拱部竖向位移呈"V"型分布,最大竖向位移出现在隧道拱顶,最大竖向位移随岩层厚度增大而减小,存在明显的临界厚度,当岩层厚度大于0.6m,减小趋势变缓;倾斜岩层隧道围岩与衬砌位移存在明显的非对称性,岩层倾向侧位移小于另一侧,非对称性随倾角增大先增大后减小,倾角45°时最为明显,倾角大于60°时逐渐趋于平稳;拱脚和墙帮的位移受倾角变化小。层状岩体隧道支护设计、施工时应避免拱顶和非对称变形过大造成事故。     

埋深对岩溶隧道地震动力响应影响分析

基于工程波动理论,应用ABAQUS数值模拟和理论解析方法,研究了溶洞中心与隧道中心处于同一水平时,埋深对岩溶隧道地震动力响应影响规律,并对比分析地震作用下有无溶洞时隧道的反应差异性.分析结果表明:岩溶隧道和非岩溶隧道发生较大位移的部位均为拱肩和拱脚;溶洞对隧道地震动有缓冲作用;岩溶隧道埋深越浅,地震动力响应位移越大;在地震作用下,隧道二次衬砌第一主应力较集中的部位是拱脚.埋深15 m时第一主应力最大,埋深100 m时第一主应力最小;埋深100 m时,岩溶隧道比非岩溶隧道的第一主应力小,说明溶洞对隧道岩体有一定的应力释放作用.     

浅埋偏压对连拱隧道施工力学效应的影响及处治措施

浅埋偏压赋存条件是诱发连拱隧道大变形灾害的重要因素.以某浅埋偏压公路连拱隧道工程为背景,借助数值模拟方法对比研究不同开挖方案条件下偏压连拱隧道围岩、支护结构及曲中墙力学行为变化规律,并结合现场实测数据分析偏压洞口失稳灾害原因及处治措施.研究结果表明,围岩水平位移和竖向位移呈非对称分布,施工阶段埋深较大侧围岩变形受偏压荷载作用影响更为显著;不同开挖方案条件下中墙水平应力分布差异不明显,而竖向应力分布差异较大,中墙墙脚(拱脚)位置出现水平压应力集中现象;方案Ⅱ条件下隧道初期支护拱顶水平和竖向位移均约为方案I的1.40倍以上,且方案Ⅱ更易引起埋深较大侧隧道中墙墙体因遭受附加偏压荷载作用而发生压裂破坏;针对浅埋偏压洞口大变形诱发原因,给出相应的防治措施,加固处治效果显著.研究成果可为浅埋偏压隧道施工变形控制和灾害防治提供科学参考.     

复杂地质条件下连拱隧道施工数值模拟研究

以某双连拱隧道为原型,建立弹性平面应变模型,针对目前国内常用的三种双连拱隧道施工方法,对隧道动态施工过程进行数值模拟,探讨了采用不同方法开挖双连拱隧道时施工各阶段围岩应力场和位移场的分布特点,得出对隧道施工有益的建议。     

围岩空洞分布对隧道衬砌结构力学性能影响研究

既有调研表明相当比例隧道存在超挖且回填不密实、空洞缺陷等质量问题.隧道围岩空洞易引起衬砌结构出现变形开裂等损伤,需要深入研究围岩空洞病害对隧道结构的影响机制.采用有限元数值模拟,分析隧道围岩空洞位置变化对隧道结构力学状态影响,进而评价存在围岩空洞的隧道结构安全性,得到结果:无围岩空洞情形的衬砌结构均处于受压状态,存在围岩空洞情形衬砌结构的空洞处截面出现拉应力,致使衬砌结构出现损伤;围岩空洞位于左右拱肩情形对隧道结构破坏作用大于空洞位于拱顶及拱肩情形,且两种情形衬砌出现最大拉应力位置均存在空洞,表明围岩空洞对隧道衬砌结构力学性能存在较大影响.     

非对称开挖下双连拱隧道变形三维数值模拟分析

相对于单拱隧洞,双连拱隧道存在开挖面大、围岩变形难以控制、结构受力复杂等难题。因受场地限制,厦门海沧隧道设计为双连拱隧道,且需采用与传统对称开挖双连拱隧道不同的非对称开挖工法。为探讨该工法对双联拱隧道结构稳定性的影响,首先通过数值模拟分析非对称开挖过程对隧道结构位移的变化规律,再将数值模拟结果与监测控制值以及警戒值进行对比分析,总结非对称开挖条件下双连拱隧道结构的变形规律和工法的适用性,为今后同类型工程施工提供参考。     

软岩铁路隧道支护受力及优化分析

以玉磨铁路曼么二号隧道为背景,分析软岩隧道受力特征,以及施作临时仰拱对隧道围岩压力、位移的影响,为以后的工程方案比选提供参考。通过采用数值模拟和现场监测实际数据对比分析的方法,分析了三维隧道围岩、钢拱架的真实受力状态,模拟了有无临时仰拱时隧道的围岩压力和位移变化情况;探讨在软弱围岩地质情况下,有无临时仰拱对隧道应力场和位移场的影响,得出了施作临时仰拱对控制软弱围岩隧道的变形效果比较明显。结果表明:钢拱架右侧受力明显大于左侧,玉磨铁路曼么二号隧道受力不对称,可能存在偏压现象;实测数据与模拟数值变化趋势基本相同,验证了MIDAS/GTS能够有效地模拟隧道施工过程;通过模拟对比分析,施作临时仰拱时拱顶沉降值减小了15.5%,左拱腰位移减小了69%,右拱腰位移减小了66.7%,隧道围岩压力最大值为143.4 kPa,出现在拱顶位置,最大围岩压力减小了6.5%。     

浅埋泥岩隧道仰拱底鼓力学特性

为了研究浅埋泥岩隧道仰拱底鼓变形特征,提出一种新的模型试验法,以强制位移的加载方式模拟基底围岩的膨胀作用,对隧道基底围岩膨胀引起的衬砌与围岩受力变形破坏特征进行了系统分析。结果表明：泥岩隧道因基底膨胀作用发生仰拱底鼓后,衬砌的应力及洞周围岩压力分布发生显著变化;拱脚外侧和仰拱内侧表现为环向拉应力,容易出现受拉破坏;相较于衬砌的其他部位而言,拱脚和仰拱对基底膨胀的力学响应更为明显,且随着膨胀作用的增强,拱脚和仰拱之间的应力差值逐渐增大;按照围岩的失稳状态,将围岩压力的变化状态分为初期增长、中期稳定和末期快速增长3个阶段,在末期快速增长阶段,隧道竖向收敛值快速增加,衬砌应力增长速率变大,加剧了仰拱的破坏;基底膨胀作用下使得隧道两侧围岩容易失稳。研究结果可为泥岩隧道结构设计优化提供有益参考。     

高铁隧道穿越采空区段围岩变形受力规律分析

为研究高铁隧道过采空区段的围岩变形规律,本文以太焦高铁皇后岭隧道典型过采空区段工程为背景,通过对典型断面进行隧道围岩变形和拱架内力的持续监测,对比分析不同施工阶段下高铁隧道围岩变形受力规律。分析结果表明：上台阶开挖时是围岩变形发生的主要阶段,隧道最大沉降变形发生于拱顶,占总变形比值的50%以上,且隧道距离采空区底板距离越近,围岩受开挖和采空区扰动影响越大;钢拱架受力为全环压应力,整体分布呈现“上大下小”、“不均匀对称”的特点,受力最大位置出现在拱顶和右拱肩位置,并且拱架受力随着掌子面的远离,其轴力变化速率呈现出逐步减少的趋势。结合位移和应力监测数据分析结果,采空区对隧道的影响高度约为25.7m。研究成果可为类似隧道过采空区工程的设计、施工提供借鉴和参考。     

临近溶腔内压对隧道初支稳定性影响的模型试验

部分未经处理溶腔填充物复杂且受季节性、突发性降雨影响,溶腔内压增大会影响临近隧道结构稳定性,易导致施做后的初支结构失稳.以某三车道公路隧道为依托,开展了隧道开挖后承压溶腔对初支力学行为影响的模型试验.试验中逐级增加溶腔内压,测试了隧道洞周位移、初期支护内力及背后围岩压力的变化特征,研究承压溶腔位置及内压对隧道初支稳定性的影响.试验结果表明:隧道临近溶腔处洞周位移随溶腔内压增大而变大,达到临界内压时突然增大;承压溶腔内压增大显著增大了钢拱架临近溶腔测点处的弯矩,使钢拱架轴力水平整体提升;同时增大了临近溶腔位置处及墙角处初期支护背后围岩压力,造成初支受力不均匀.洞周位移发生突然增大、钢拱架在轴力和弯矩共同作用下达到屈服强度时,初期支护结构失稳.在试验设定的溶腔尺寸及间距下,仰拱处存在溶腔时,内压增大,隧道初期支护最先失稳.     

基于现场监测与数值模拟公路山岭隧道IV级围岩段仰拱优化分析

为探究公路隧道设计中,仰拱的优化对于改善隧道的受力和变形条件的影响。以三车道Ⅳ2级围岩段隧道为研究对象,借助FLAC3D有限差分软件,采用Hoek-Brown屈服准则,对替代仰拱的新型支护方案进行了分析,并结合赤承高速公路的典型隧道断面,现场监测了锚杆轴力、初衬压力以及二衬与初衬的接触压力等项目。本文通过对现场监测数据与数值模拟进行分析,提出Ⅳ2级围岩下替代仰拱的条件,底部加基础梁的新型支护体系下隧道整体稳定性满足要求,研究成果可以为其它类似工程提供借鉴与指导。     

不同溶腔-隧道间距对地铁隧道施工影响的模型试验研究

为探明不同溶腔-隧道净距下隧道施工对岩溶地层的扰动影响规律,以贵阳市轨道交通3号线一期工程为依托,开展了城市浅埋环境下不同溶腔-隧道间距对地铁隧道施工影响的模型试验研究。主要得到以下结论：(1)拱顶侧溶腔对拱腰水平位移影响较小,主要影响隧道拱顶的竖向沉降量;溶腔对原始地应力场的影响范围是有限的,溶腔直径为4 m、溶腔底部与隧道开挖轮廓线顶部净距为5 m时,隐伏溶腔的存在对隧顶围岩的沉降量影响不太显著。(2)溶腔与开挖隧道净距为1、2、5 m时,拱顶围岩最终土压力变化分别为47.4、84.7、135.1 kPa。溶腔底部距离隧道开挖轮廓线越近,拱顶围岩在隧道开挖后的土压力变化越小。岩溶地质现象对原始地应力场的影响表现为岩溶腔体对周边围岩的应力释放作用。(3)溶腔与隧道顶部净距为1、2、5 m时地中沉降峰值分别为25.7、32.8、38.8 mm,分别为无溶腔时的135.3%、172.6%、204.2%。隧道拱部隐伏溶腔与隧道净距并非越小对地表的沉降影响更大,溶腔-隧道净距与溶腔上覆土层厚度都会影响隧道开挖后的地表沉降。(4)各工况下拱架最终轴力表现为全环受压,弯矩值差异较轴力值更显著。拱...     

原位扩建既有隧道竖井与主洞交叉段施工力学

以南岭铁路隧道原位扩建项目为工程背景,采用振弦式钻孔应力计监测隧道扩挖过程中围岩环向应力的变化.建立主洞与竖井交叉段扩挖过程的三维有限元模型,通过监测数据与模型结果对比,验证模型准确性,研究采用全断面法扩挖时围岩变形及应力随开挖过程的变化规律.在此基础上,分析扩挖方法和循环进尺对扩建稳定性的影响.结果表明:扩挖过程中,交叉点主洞拱脚和边墙的围岩环向应力表现为应力释放,通风竖井破坏了主洞的成拱效应;竖井与主洞交叉点相比于非交叉点,扩挖后隧道水平位移增大47.5%,隧道竖向位移增大29.3%,拱顶围岩应力由压应力转化为拉应力;采用全断面法扩挖对围岩的二次扰动程度更低,减小循环进尺也可有效提高扩挖施工的安全性.     

极端降雨对黄土沟壑区隧洞施工力学效应影响分析

黄土地区输水隧洞的建设中,降雨入渗极大影响着输水隧洞围岩稳定性。本文利用非饱和渗流理论和数值模拟方法研究了极端降雨条件入渗与黄土沟壑区隧洞的开挖扰动耦合影响下围岩的变形和渗流场演变规律,通过Plaxis3D模型对降雨入渗下新奥法施工过程中围岩力学特性、初期支护过程进行流固耦合分析。结果显示,降雨等级越高,围岩孔隙水压力变化幅度越大,对围岩的稳定性越不利;降雨入渗与开挖扰动会加速土层中渗流场和应力场的重分布过程;基于沟道的汇水特性,隧洞围岩含水率在最初5~10 d呈台阶式增长,拱顶、拱腰和拱趾处的最大变形为17.8 mm、28.2 mm、24.6 mm,最大剪切应力为175.3 kPa、182.5 kPa、150.6 kPa,降雨结束约15~20 d围岩变形速率逐渐减小收敛至特定值,但围岩的应力持续增加,为避免围岩发生塑性变形,故可在15~20 d进行二次衬砌支护。本次研究结果可对极端降雨期黄土沟壑地区隧洞施工安全控制提供参考。     

渗流对CRD法开挖浅埋偏压隧道洞口段影响的分析

针对在隧道洞口段采用CRD法开挖过程中,因渗流作用而导致围岩的物理力学状态发生变化和引发的问题。在考虑渗流的情况下,运用FLAC_3D软件,分析浅埋偏压隧道围岩在CRD法施工时物理力学状态的变化规律。结果表明：在开挖周围产生较集中的漏斗形状的孔隙水压力区域;地形的偏压造成隧洞右侧的应力大于左侧,随着CRD法的分步开挖,每步开挖后造成的导洞在拱顶、底板、边墙处横向均产生了应力集中,左洞在完全开挖与支护后,应力集中现象逐渐减少;在考虑渗流时第三步开挖对初始开挖处围岩变形影响最大;在CRD法开挖过程中,对围岩变形影响较大的是第七步;拱腰和拱顶发生的位移,在考虑渗流时大于未考虑渗流时的情况,但拱底出现与上述相反的现象。     

斜风作用下季冻区隧道冻胀力分布规律及结构安全性评价

为分析不均匀冻胀荷载对季冻区隧道结构受力及安全性的影响,本文依托某新建铁路隧道工程,在凝练工程区气象特征的基础上,利用数值模拟手段分析了斜风作用下隧道温度场的分布特征,解析得到了支护结构的冻胀力荷载,在此基础上分析了支护结构的受力特征并开展了安全性评价。研究结果表明：斜风作用下隧道较小进深范围内迎风侧与背风侧温度场存在差异,进深10m处差异最为显著;未铺设保温层条件下迎风侧围岩冻结深度约为背风侧的1.8倍,铺设保温层后迎风侧围岩冻结深度减小了约80%,背风侧围岩冻结区基本消失;围岩冻结深度不一致导致冻胀力荷载不均匀分布,冻胀力荷载作用下支护结构迎风侧的应力、轴力、弯矩均明显高于背风侧;未铺设保温层条件下仅仰拱区域符合安全性要求,铺设保温层后各区域均满足要求,但迎风侧安全性明显低于背风侧。