偏压状态下非对称连拱隧道有限元分析

非对称连拱隧道是一种特殊隧道,具有几何不对称、结构不对称等复杂的力学特征。而非对衬连拱隧道的修筑不可避免要穿越偏压地形,偏压地形又会对隧道的受力状态产生较大的影响。采用有限元单元法对偏压地形条件下非对称连拱隧道进行数值模拟分析,根据大洞径隧洞和小洞径隧洞的左右位置不同的情况下围岩及衬砌结构受力变形特点,得出在偏压状态下非对称连拱隧道中的小隧道应设计在埋深大一侧的结论,为隧道的设计提供了一定的理论依据。 关键词：非对称隧道;偏压状态;连拱隧道;数值模拟     

复杂地质条件下偏压连拱隧道中隔墙变形与受力特征

中隔墙是连拱隧道的重要构件,施工期间的受力及变形规律十分复杂,如何保护中隔墙免受偏压影响是连拱隧道施工中的重要课题。以富溪连拱隧道进口偏压段施工为背景,通过对施工过程的三维数值模拟,对偏压、软弱破碎围岩条件下中隔墙受力及变形规律进行了分析。结果表明,施工期间中隔墙会受到十分明显的偏压作用而朝浅埋侧摆动,地形偏压导致中隔墙中上部朝隧道浅埋侧变形,两侧隧道的错距开挖则会引起中隔墙左右小幅摆动;中隔墙晚接顶能有效改善中隔墙的受力状态,减小偏压影响。据此制定了有效防偏措施,实践证明效果良好。     

浅埋偏压连拱隧道的施工优化及支护受力特征分析

用岩土工程专用分析程序FLAC3D,对铜黄高速公路汤屯段富溪浅埋偏压连拱隧道进口段采用的施工过程进行了三维快速拉格朗日差分方法分析,比较了先开挖浅埋侧主洞与先开挖深埋侧主洞两种开挖施工顺序,获得了浅埋偏压连拱隧道在采用不同开挖顺序施工时各阶段隧道变形、中隔墙及支护结构的应力和位移等变化情况,通过对比、分析,从而使得实际隧道施工顺序得到优化,结果与现场监控量测资料相比较,得出的结论可为富溪浅埋偏压连拱隧道施工提供科学依据与技术指导。     

穿越古滑坡的浅埋偏压连拱隧道动态施工响应规律

复杂地质条件下地下工程围岩稳定性问题,一直是地质工程界备受关注的热门议题。文中针对云南思茅-小勐养高速公路曼歇4号连拱隧道的特殊复杂地质结构,通过数值模拟对穿越古滑坡的浅埋偏压连拱隧道施工过程围岩应力场、位移场和塑性区变化规律进行了数值分析,从而有效揭示出施工各阶段围岩应力集中位置和潜在塑性破坏区,不仅为隧道的安全顺利施工提供了预警信息和直接指导,同时为连拱隧道的优化设计提供可靠的理论依据。在穿越古滑坡的浅埋偏压连拱隧道施工中,应高度重视古滑坡的彻底治理和中隔墙的支护加固,从而确保整座连拱隧道的围岩稳定和安全运营。     

偏压软弱围岩隧道开挖顺序比较研究

针对偏压软弱围岩隧道预留核心土法不同开挖顺序造成围岩不同变形量的问题,结合洞头山工程实例,运用现场监控量测结合MIDAS数值模拟的方法,分析比较偏压软弱围岩隧道在不同开挖顺序下各阶段围岩位移变形量。研究表明:开挖顺序的改变能够有效减小隧道各部围岩变形量,且减小程度从大到小的岩体位置依次为浅埋拱腰处、浅埋拱脚处、深埋拱腰处、深埋拱脚与拱顶;拱浅埋侧最大主应力明显减小。因此对于偏压软弱围岩隧道先开挖深埋侧比先开挖浅埋侧更为安全合理。研究成果为隧道信息化施工提供依据,也为洞头山及具有类似地质地形情况的隧道施工提供借鉴与指导。     

双连拱隧道施工监测及数值模拟研究

以张石高速JK-2合同段岔道2#双连拱隧道工程为背景,通过现场埋设多源传感器构建的监测信息平台,结合回归分析方法及高置信度关系模型等参数反馈信息,对获取数据进行提取、融合和态势分析,得到了浅埋偏压连拱隧道在施工开挖过程中围岩应力、位移、变形、塑性区和支护结构等动态变化规律;对监测过程出现的各种异常现象及产生原因进行深入分析与研究,客观描述了围岩的稳定性状与支护效果。同时,采用有限元软件以实际地形等高线为参照,建立仿真三维模型对隧道施工开挖进行数值模拟,比较采用不同施工方案对隧道整体结构及支护的影响。针对原浅埋、偏压连拱隧道施工方案提出优化建议,修正优化开挖方案和支护设计,对目前同类特征隧道施工具有借鉴指导意义     

公路连拱隧道土压力荷载的计算方法研究

针对目前国内公路连拱隧道尚无比较成熟的土压力荷载计算公式的现状,根据连拱隧道的受力特点,基于普氏平衡拱理论,推导了深埋连拱隧道的土压力荷载计算公式,同时结合规范中关于隧道深浅埋分界高度的规定,给出了深浅埋连拱隧道的分界埋深及荷载计算公式,形成了完整的连拱隧道深浅埋情况下的荷载计算体系。通过大量的分析计算并与其他公式对比,验证了推导出的公式的合理性,并将公式应用于湖北沪蓉西高速公路连拱隧道及分岔隧道的设计中,取得了良好的效果。     

双跨连拱隧道两种中墙的空间力学效应分析

针对双跨连拱隧道设计和施工中存在的问题,采用三维有限差分程序FLAC3D2.0,对两种中墙结构的空间受力特征进行了研究,对比分析各自的优缺点及适用条件,并提出了施工注意事项。研究结果表明,在II类围岩地质条件下浅埋连拱隧道采用分离式曲中墙结构受力较为合理;左洞掌子面距研究断面3倍洞径时,中墙内力已稳定;左右洞掌子面距研究断面(－1～+1)D的施工,是中墙内力变化较大的关键工序。     

双连拱隧道施工偏压力学特性的监测与分析研究

结合宜(宾)－水(富)高速公路鞋底坡双连拱隧道工程,通过埋设量测元件对隧道结构受力的关键部位进行现场监控测试与分析,获得了隧道支护结构在施工偏压条件下各施工阶段的围岩应力、锚杆轴力、中墙内力以及隧道支护结构中的内力变化情况。通过对比分析得出：最不利于隧道结构受力(关键是中墙受力)的施工工序发生在隧道由单侧施工过度到双侧施工时;中墙弯矩的方向一般是由后施工洞室向先施工洞室偏转。现场测试所得的数据和结论可望为同类隧道的设计、施工和研究提供有益的借鉴和参考。     

高速公路连拱隧道开挖地表沉降研究

对隧道开挖引起的地表沉降模型进行总结,详细地调查和分析了金丽温高速公路红枫连拱隧道工程区的地质特征,系统研究了在偏压条件下连拱隧道开挖引起的地表沉降规律,对红枫隧道开挖引起的地表沉降进行研究,建立了偏压条件下连拱隧道分步开挖引起的地表沉降预测模型,对不同开挖工况下的差异沉降进行分析,证明该预测模型比较真实的反映了在偏压及浅埋条件下连拱隧道开挖引起的地表沉降规律,为浅埋连拱隧道开挖过程中防止地表过度变形提供理论基础。     

偏压隧道偏压应力比特征分析

偏压隧道是公路和铁路建设中经常遇到的隧道类型,由于其受力的不对称性及设计、施工的特殊性,一直是隧道施工研究的热点。以往针对偏压隧道的研究主要集中在偏压隧道的成因、围岩稳定性、应力应变分布规律及施工影响等方面,但缺少对偏压隧道偏压应力比以及公路、铁路设计规范给出条件的偏压应力比的研究,而且公路和铁路设计规范中给出的偏压隧道对应的坡面倾角和隧道埋置深度缺少相关理论来支撑。本文针对铁路双线隧道设计规范给出的临界坡度和覆盖层厚度条件,采用数值模拟的方法,求出地形偏压隧道对称位置的应力比值,定量分析了规范给定条件下偏压应力比的特征值。结果表明：在保证安全的前提下,当Ⅲ级围岩拱肩应力比大于7.45、Ⅳ（土）级围岩拱肩应力比大于2.23、Ⅳ（石）级围岩拱肩应力比大于3.34、Ⅴ级围岩拱肩处应力比大于1.06时,可将隧道考虑成偏压隧道,从而为定量判别偏压隧道提供理论依据。     

双圆盾构施工引起邻近桩基附加荷载的分析

应用“源汇法”理论,推导了双圆盾构隧道土体损失产生的三维附加应力计算公式。研究了双圆盾构机正面附加推力、盾壳与土体之间的摩擦力以及土体损失在邻近桩基上引起的总的附加荷载的分布规律。研究结果表明：在双圆盾构开挖面前方地下桩基受到挤压力作用,在开挖面后方负值附加荷载逐渐增大产生拉力,同时双圆盾构机轴线深度附近的桩基部位处产生较大的拉应力和压应力;双圆盾构机与土体之间的摩擦力在附加荷载中特别是y方向的附加荷载起主导作用;垂直于管片方向的附加荷载值较推进方向大,但影响范围小;竖直方向的附加荷载较小,靠近隧道轴线附近的桩基部位受到的附加荷载方向与两端相反,曲线呈“弓”形分布。经与数值模拟、离心试验、现场实测结果对比分析,验证了应用解析解研究双圆盾构隧道开挖对邻近桩基影响是可靠的。     

连拱隧道施工对洞口仰坡影响的三维数值分析

以江西某高速公路一浅埋偏压连拱隧道为例,采用Marc有限元程序对其出口段进行了动态施工的三维数值模拟。从施工过程中的应力集中、塑性区的分布形态和发展规律、仰坡轴向地表位移的分布特征等方面,系统研究了偏压连拱隧道施工对强风化岩体洞口仰坡的影响作用机制。结果表明:在模拟施工过程中塑性区和应力集中区只出现在洞体附近,可能的仰坡失稳往往是隧道施工失稳的累进性响应;洞口仰坡的轴向水平位移前缘大、后缘小,垂直位移后缘大、前缘小;隧道上方和近山脊一侧仰坡位移比近山谷一侧大,仰坡失稳往往从隧道上方和埋深较大一侧开始。     

不同开挖工序对连拱隧道中墙的影响

针对筲箕湾连拱隧道的开挖过程进行两种不同工序的模拟计算,计算中墙在两种不同开挖工序下的强度、变形与稳定性,比较不同开挖工序对隧道中墙的影响。结果表明,中墙是连拱隧道最主要的受力构件,非对称开挖容易在中墙上引起较大偏心荷载。根据计算结果来评价开挖工序的优劣,对连拱隧道的开挖过程提出一些建议。     

浅埋双连拱隧道围岩边坡体系变形机理及稳定性分析

双连拱隧道是一种新的隧道形式, 由于其整体跨度大、结构复杂、施工工序繁琐, 在地形偏压、地质条件复杂的情况下修建双连拱隧道难度较高, 尤其在洞口段容易出现衬砌开裂、边坡变形等一系列工程问题。结合安徽铜黄高速公路汤屯段富溪隧道进口段工程, 采用地质条件研究与数值模拟分析相结合的研究手段, 对复杂地质条件下偏压双连拱隧道围岩① 边坡体系在施工过程中应力应变发展过程进行了研究。综合分析表明, 富溪隧道进口段处于F5断层影响带内, 岩体呈碎裂结构,同时, 受到地形偏压影响, 隧道开挖后衬砌和围岩表现为沉降变形和侧向变形, 进口边坡在隧道围岩变形的诱导下, 表现为蠕滑- 拉裂变形破裂。根据以上研究成果, 提出了富溪隧道变形治理应以控制进口段隧道拱顶的变形为主。     

双圆盾构施工引起邻近地下管线附加荷载的分析

利用弹性力学的Mindlin解,对孙统立公式进行修正,推导得到双圆盾构正面附加推力和盾壳摩擦力引起的土体附加应力计算公式。假定土体为Winkler模型,采用随机介质理论,推导得到土体损失引起的竖向土体附加应力计算公式。研究了双圆盾构施工在邻近垂直交叉地下管线上引起的附加荷载大小及分布规律。研究结果表明：双圆盾构盾壳摩擦力引起的地下管线附加荷载较大;正面附加推力引起的附加荷载较小,可忽略;竖向附加荷载主要由土体损失引起,最大值一般出现在中轴线上方,当地下管线与盾构之间距离较小时,附加荷载最大值出现在左右单圆圆心附近的位置。     

深埋隧道层状围岩变形特征分析

层状岩体在地下工程中经常遇到的,它具有明显的各向异性力学性质。结合共和隧道现场监测和数值模拟相结合的方法对层状岩体的破坏特征进行了分析,研究结果表明：围岩的变形位移、破坏区都主要集中隧道拱顶右侧,即靠河侧大于靠山侧。隧道围岩变形破坏区不在最大主应力方向上,而是在岩体层理垂直方向。层状岩体中洞室变形破坏特征除了因地形产生的偏压影响外,更重要的是受地层结构特征的影响,即与层状岩体的力学性质极大相关,其结果可为指导隧道的施工和设计提供有效依据。     

隧道地下水处治的设计理论及方法研究

隧道施工地下水的处治问题一直困扰着隧道工程界,对地下水作用的认识仍未达成共识,为此需要从概念上和方法上对本问题进行深入研究。本文在国内外研究现状分析基础上,开展了隧道施工对地下水渗流变化的影响分析、隧道水压力物理模型试验研究、隧道衬砌水荷载及其相关问题的数值分析,提出针对不同防排水模式的水荷载计算模式、隧道地下水处治的理念和方式。主要创新点如下:明确提出高水压的概念,建立隧道衬砌水压力计算的概念模型,提出针对隧道不同埋深段及地下水发育状况采取不同处理策略的隧道防排水原则,研究成果为高压富水隧道设计提供了理论依据。