基于MIDAS/GTS的某公路隧道入口段软弱岩石力学及变形特性研究

为了探索软弱围岩中公路隧道入口段的岩石力学和变形特性,本文选取某采取环形开挖预留核心土法施工的公路隧道入口段为例,借助于MIDAS/GTS有限元软件对围岩的力学和变形特性进行了研究,得到主要结论如下;首先,随着隧道开挖和支护的进行,洞口围岩竖向和水平向应力均持续增大,周围岩体的受开挖影响范围也逐渐增大,但对受影响最大的隧道拱脚位置围岩应力分析可见,开挖上半断面留核心土对围岩的干扰最大;其次,施工过程中围岩受力在其可承受范围内,但隧道拱脚和隧道左侧拱腰上部位置出现明显的应力集中现象;最后,隧道开挖破坏了原有围岩的稳定性,使得隧道两侧拱腰向隧道方向产生对称的的位移,拱顶产生向下的位移。     

堆积体隧道围岩及支衬体系空间力学特性

为研究堆积体隧道围岩和支衬体系受力空间变化规律,采用三维弹塑性有限元法模拟隧道施工过程,得到了洞室周边围岩和支护结构应力随掌子面开挖的变化过程。结果表明,隧道开挖对不同部位围岩扰动大小存在较大差异,扰动后拱部围岩应力强度较小,拱脚和边墙围岩应力强度最大,仰拱围岩应力波动较大但量值总体偏小;管棚在隧道开挖前后受力状态发生明显改变,支护和衬砌过程中有微小波动;拱部系统锚杆对于维持围岩临时稳定发挥了一定作用,但其作为永久支护对围岩长期稳定作用不大,锁脚锚杆在下台阶开挖以及隧道长期稳定方面均发挥了重要作用;初支拱部受拉、边墙和拱脚受压显著,其中拱腰、拱脚分别为拉、压控制性截面;与钢筋混凝土强度相比,二衬受力较小,具有较大的强度储备。     

近接施工对上下行交叉隧道影响的数值模拟研究

文章通过数值分析手段，对拟建隧道采用不同施工方法时引起交叉既有隧道的受力、变形变化状况进行研究后可知：全断面法与上下台阶法对既有隧道的围岩应力及变形影响是一致的，二者均最终将引起拱顶及边墙的围岩应力降低，拱底围岩应力的增高；既有隧道特征点均将产生下沉。全断面法开挖引起既有隧道的位移量要稍大于上下台阶法。同时两种开挖方法对既有隧道二衬的受力影响几乎相当，二衬经历对称一非对称一对称三个变化过程，随着开挖深入，其应力逐渐增大，但远小于容许应力值，处于安全状态。     

既有连拱隧道旁新建大跨度连拱隧道开挖有限元分析

在既有隧道旁施工新建隧道时,开挖过程中需考虑对既有隧道支护安全性的影响。分析邻近既有隧道的双连拱隧道施工方法,新建隧道与既有隧道的相互影响因素,并以福建省长安连拱隧道为计算模型,详细分析新建双连拱隧道开挖过程中对围岩影响范围、塑性区、既有隧道衬砌位移及内部应力的影响,为类似隧道工程的设计、施工提供参考。     

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.     

隧道交叠段变形规律及支护应力研究

新建隧道下穿既有隧道时,交替开挖工序可能会对既有隧道产生不利影响,文中以某公路隧道交叠段为对象,对新建隧道开挖进行全过程数值模拟,分析开挖过程对既有隧道底板变形的影响,同时考虑交叠段隧道结构之间相互作用关系,分析新建隧道支护应力及围岩变形。结果表明,新建隧道开挖后,竖向位移最大值出现两主洞隧道拱顶部位,水平位移最大值出现主洞左、右边墙部位,主洞左、右边墙角部位可能出现局部拉裂破坏,既有隧道底板沉降最大值出现在新建隧道主洞顶部上方。     

三车道连拱隧道施工围岩受力特性数值模拟研究

双洞6车道连拱隧道由于跨度大,断面扁平率小,施工工序复杂,隧道围岩在施工期间经历多次扰动,故使其受力条件极为复杂,施工过程中围岩与结构的受力特征与双洞4车道连拱隧道或分离式隧道存在较大差异。通过对双洞6车道连拱隧道洞口软弱围岩段施工过程进行数值模拟分析,得到其施工过程中围岩与结构的应力、位移、屈服接近度等发展规律,为类似工程提供参考。     

软质岩体双连拱隧道施工力学行为研究

在软质岩体环境下,针对大跨度双连拱隧道施工过程中衬砌、中隔墙及围岩等结构受力状态复杂、变化频繁等特点,以某大跨径双连拱隧道为实例,对隧道施工开挖全过程进行了数值模拟计算,系统分析了隧道围岩、中隔墙随隧道的开挖和支护过程的应力及塑性区的发展、变化规律,得到了采用双侧壁导洞法施工时,隧道施工力学行为的变化规律,对同类隧道设计及施工具有参考意义。     

直接弹性抗力法及其在隧道初期支护结构计算中的应用

为更加直观地证明隧道初期支护具有单独承载能力的事实,提出直接弹性抗力法原理。直接弹性抗力法以拱(圆曲梁)和弹性地基拱(弹性地基圆曲梁)2段函数分别反映拱部支护结构脱离围岩以及侧壁支护结构压向围岩2段结构的内力及位移,能极大地简化计算过程,较为真实地反映隧道支护结构的应力状态;并结合链杆支座拱、铰支座拱模型,分别模拟实际施工的无分布锚杆影响、有分布锚杆影响但锚杆无切向力、有分布锚杆影响且锚杆有切向力3种支护应力状态,比较全面地概括隧道支护施工可能产生的应力状态,充分证明隧道初期支护具有单独承载能力的理论事实。强调"先柔后刚,先放后抗"属于概念,初期支护变形的主要原因是地基承载力不足造成沉降,锚杆锚固力和喷射混凝土早期强度等严重影响初期支护单独承载;再根据隧道支护结构各种可能的应力状态,提出对隧道初期支护结构细节设计的改进建议,如锚杆与钢架的连接、钢架之间的连接、钢架底脚的处理、锁脚管桩、型钢钢架与格栅钢架的组合结构等,通过实践证明隧道初期支护具有单独承载能力的理论。     

内蒙古地区马兰黄土隧道围岩及支护特性研究

通过对窑沟隧道周边收敛、拱顶下沉、围岩压力、钢拱架内力、喷射混凝土应力和锚杆轴力进行监控量测,了解隧道开挖过程中马兰黄土隧道围岩变形特性及支护结构受力特性。结果表明:施工过程中拱部沉降的量值远大于净空收敛的量值;围岩压力分布不均匀;钢架支护在隧道支护体系中起着非常重大的作用;拱部系统锚杆对结构的稳定性作用不大;水对拱顶沉降的影响非常严重。     

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。     

多因素作用下隧道衬砌内力随时间变化规律

针对隧道初期支护和二次衬砌施作间隔时间短的工程特点,为掌握类似条件下衬砌受力变化的规律,分析二次衬砌钢筋轴力监测数据及相应的施工工况,研究隧道开挖、围岩蠕变、隧道衬砌刚度等因素对二次衬砌钢筋轴力变化的影响,如二次衬砌钢筋轴力变化曲线可分为2个明显的双曲线变化阶段：第一阶段主要受隧道开挖和隧道衬砌刚度的影响,围岩蠕变明显,在其作用下二次衬砌钢筋轴力明显增加,且轴力变化至少在1年后才趋于稳定,第一阶段大约持续33d,此阶段隧道衬砌刚度基本形成,而后二次衬砌钢筋变化进入第二阶段;第二阶段变化主要受围岩蠕变的影响。     

塌方段原位扩建四车道公路隧道“回填-台阶法”施工力学及安全分析

为了深入探究塌方段原位扩建四车道公路隧道施工力学及安全性的问题,以福州市马尾隧道原位扩建工程为背景,在准确确定塌方体空间范围及工程特性的基础上,针对性提出“回填-台阶法”施工技术,并对塌方段原位扩建四车道公路隧道“回填-台阶法”动态施工力学及安全性进行分析。研究结果表明：①运用理论分析、数值计算、多道瞬态瑞雷面波探测技术相结合的方法可准确地获得既有隧道塌方体的空间范围和尺度;②兼顾施工技术与工期双重目标,提出了塌方段原位扩建四车道公路隧道施工方案,即塌方冒顶区通过地表注浆与洞内中空玻璃纤维锚杆进行加固,扩建开挖采用“回填-台阶法”,实现快速施工;③“回填-台阶法”施工时,隧道上半断面（1^#部）的开挖是整个施工过程的关键,结构内力增长迅速;受隧道上方塌方体和既有隧道影响,最大正弯矩出现在左拱肩处;地表最大沉降量出现在隧道中线右侧3 m处,主要由上台阶开挖引起;围岩变形主要发生在3^#开挖前,4^#开挖时围岩变形基本收敛。马尾隧道施工过程中,地表沉降、围岩及支护体系变形、支护结构受力等监测结果均满足施工安全要求,验证了施工方案的可靠性和安全性,该研究成果可进一步丰富超大扁平断面隧道的修建技术,并为今后类似的工程提供一定的借鉴。     

基于三维有限元分析的隧道开挖效应研究

隧道的开挖引起围岩应力状态的变化,改变了隧道围岩的力学性能。在三维非线性有限元计算的基础上,研究分析了隧道开挖全过程中隧道围岩应力、位移变化规律以及开挖结束后隧道周边的应力、位移状态。研究结果表明:隧道的开挖是一个先加载后卸载的过程,隧道开挖卸荷效应在隧道拱底表现最为明显,拱顶次之;在隧道轴线方向上开挖对周边围岩的影响范围约为掌子面前后各1倍的隧道跨度,在隧道横断面方向上约为2倍的隧道跨度,对隧道截面中心岩体的影响范围在隧道轴线方向上约为掌子面到达该断面前1倍的隧道跨度。此外,文中还将计算结果与工程实际进行了定性的比较和分析。     

基于弹性应变能的深埋硬岩隧道岩爆研究

隧道掘进引起的应力调整会导致围岩的弹性应变能分布发生改变,其中弹性应变能大幅跃升区域的围岩发生岩爆的可能性极高。依托米仓山特长隧道,采用三维数值模拟手段,基于弹性应变能理论研究了隧道掘进过程中弹性应变能的变化规律。研究结果表明： 在高地应力条件下隧道掘进会导致明显的卸荷作用,引起围岩应力的重分布,从而导致掌子面附近区域弹性应变能剧烈改变,其中掌子面及其前方7 m范围内围岩的弹性应变能呈现下降趋势,掌子面后方围岩弹性应变能呈现增加趋势; 拱顶部位弹性应变能增加幅度为3.56倍、边墙部位弹性应变能增加幅度为3.73倍、基底部位弹性应变能增加幅度为4.66倍,存在发生岩爆的可能。     

软弱围岩隧道机械化全断面爆破开挖初期支护受力特性研究

软弱围岩隧道开挖后自稳能力差,易发生大的变形、钢架扭曲等现象。为降低安全风险,依托郑万高铁高家坪隧道进口机械化全断面爆破施工,对支护体系下的围岩压力、钢架应力、初喷混凝土应力、锚杆轴力、围岩内部位移、掌子面挤出变形等进行系统试验研究。试验结果表明： 围岩压力、钢架应力、初喷混凝土应力受岩性条件、施工扰动等因素影响显著,随时间推移均呈现“急剧增大、缓慢增大、波动变化、稳定收敛”的变化规律; 通过锚杆轴力峰值位置可以初步判定围岩塑性区范围约为距洞壁3.0 m。基于现场试验监测,通过数值模拟分析了初期支护结构压应力、轴力和弯矩的分布情况,与现场量测数据相符,较好地反映了初期支护受力特征。本次试验的相关方法、手段和结论对隧道机械化大断面施工软弱围岩变形与支护体系受力研究具有借鉴作用,同时也为建立科学合理的支护结构体系提供了参考。     

富水区城市公路隧道中隔壁法各开挖步力学特征研究

以深圳东部过境高速公路连接线工程为依托,基于应力场-渗流场耦合的数值模拟方法,研究富水区城市公路隧道中隔壁法各开挖步力学特征。结果表明:中隔壁法各开挖步骤的围岩主应力变化特征明显,隧道目标面围岩总体受压,在隧道两侧拱腰至拱脚处存在较为明显的压应力集中现象,而拱底及掌子面则出现少量拉应力集中;不同开挖步拱脚处初期支护应力最大,拱腰、拱肩和拱顶处应力量值较为接近,而拱底处应力最小;初期支护受力随隧道开挖进程变化幅度较小,初期支护具有一定的安全储备;各径向特征点水压力均呈现从注浆圈外侧至初期支护外侧逐渐减小的趋势,而各环向特征点水压力由拱顶至拱底逐渐增大;对于作用于初期支护上的水压力值,数值计算结果稍大于不考虑开挖影响的理论预测值,表明中隔壁法隧道施工各开挖步对衬砌背后水压力大小及分布规律有一定影响。     

富水隧道施工期及运营期衬砌结构力学特性研究

以米亚罗3号隧道为依托工程,首先通过现场实测应力监测数据,对米亚罗3号隧道施工期支护结构应力的演变规律进行了分析研究;然后进一步借助数值分析软件,对不同初始水头高度下,米亚罗3号隧道运营期间围岩和衬砌结构的力学特征进行了研究。应力监测结果表明:隧道上台阶开挖后,拱顶和拱肩处的围岩-初支接触压力、钢拱架应力和外水压力迅速增大,约在30~40d后趋于稳定;下台阶开挖后,拱腰处的接触压力、钢拱架应力和外水压力快速增长,约在30~50d后趋于稳定;随着下台阶的开挖,拱肩处的围岩-初支接触压力再度缓慢增长,而钢拱架应力则明显下降;二衬施作后,其内力快速增长,并在20d后趋于稳定。数值模拟结果表明:当初始水头高度增加时,运营期间米亚罗3号隧道的洞周位移、二衬内力和外水压力均成一定比例的增加;隧道变形主要为竖直和水平方向的挤压变形,最大位移发生在拱底;相对于无地下水的情况,地下水的存在会影响衬砌弯矩分布,导致弯矩最大截面从拱顶转移至拱脚;衬砌所受外水压力在拱底处最小,其余部位分布较为均匀;随着初始水头的增大,拱腰和拱脚背后围岩的塑性区范围会明显增加。     

渝中城项目超深基坑开挖及超高建筑群加载对既有隧道影响分析

随着土地资源利用趋于饱和,在既有隧道上开挖超深基坑和修筑超高层建筑群已成为中心城市发展的一种趋势,确保既有隧道的安全运营是项目开发建设的前提条件。以渝中城大型城市综合体项目及下穿公路隧道为研究背景,采用Midas/GTS有限元软件建立三维模型模拟隧道施工、深基坑开挖及建筑群加载的全过程,在分析过程中结合隧道施工特点及隧道现状检测结果,考虑围岩松动圈、隧道材料劣化等不利因素,对裂缝及局部衬砌厚度偏薄等质量瑕疵进行分析。从位移场、应力场、塑性区分布及衬砌内力变化等多方面分析项目施工给隧道带来的影响程度,得出以下结论:1)在施工过程中,拱顶竖向位移的变化较拱侧水平位移明显;2)基坑开挖工况对隧道位移的影响较建筑物加载工况大;3)隧道衬砌内力变化不明显,隧道衬砌安全系数能满足规范要求,项目实施能保证隧道安全运营。