金华山软岩铁路隧道施工过程围岩屈服接近度分析

隧道施工过程中围岩处于复杂应力状态下,隧道围岩屈服区演化特征的确定对于围岩稳定性分析和开挖支护方案优化具有重要的意义。采用屈服接近度指标衡量围岩破坏接近程度可以合理地描述复杂应力状态下围岩的应力危险性,对Mohr-Coulomb类岩体材料的屈服接近度函数进行了相应的推导,并在非线性有限元用户子程序上编程予以实现。介绍了赣州-龙岩铁路DKl33+095～DKl38+237段软弱围岩单线隧道正台阶步施工方案以及湿喷纤维混凝土支护方案。为了对该隧道施工过程中隧道围岩屈服区的演化特征进行合理评价,采用非线性有限元法对软弱围岩条件下的铁路隧道施工过程进行了数值模拟,分析了施工过程中隧道围岩屈服接近度分布特征,判定了隧道台阶步施工过程中隧道围岩的稳定性。分析结果表明:该隧道施工过程中围岩破坏区主要发生在下台阶步施工过程中;屈服接近度指标比传统的塑性区分布提供的信息更加丰富,有利于工程技术人员定量地评价隧道开挖支护方案。     

东巨寺沟隧道湿喷纤维混凝土支护结构和围岩稳定性位移模糊判别

湿法喷射混凝土可有效地改善隧道内作业环境、反弹量小、喷射质量高,是隧道支护结构施工值得推广的工艺。首次在宝鸡－兰州铁路复线东巨寺沟铁路隧道选取试验段,实施湿喷工艺喷射聚丙烯纤维混凝土,作为支护结构兼作永久性支护,免除二次衬砌工作,并进行水平位移收敛监测。采用非线性最小二乘法对该隧道水平收敛曲线进行回归分析,同时采用隧道稳定性模糊概率分析理论对不同断面位置处的隧道围岩稳定性进行判别分析。分析结果表明,采用湿喷纤维混凝土支护的隧道围岩处于稳定状态,可靠度指标高。     

某公路隧道不同纤维混凝土支护结构性能比较

软弱、破碎围岩的公路隧道支护一直是困扰公路隧道施工的技术难题。结合三里冲软弱围岩公路隧道工程地质条件和隧道开挖设计参数,采用FLAC软件对钢纤维混凝土锚喷和聚丙烯纤维混凝土锚喷2种初期支护结构进行数值模拟研究。从应力、位移和塑性区3个方面分析隧道围岩的稳定性。计算结果表明,聚丙烯纤维混凝土锚喷支护结构能充分发挥围岩自承载能力,提高隧道的稳定性,能有效减少二次衬砌混凝土的厚度。     

不同分布距离的软弱夹层对洞室稳定性的影响研究

软弱夹层等不良结构面对地下洞室的围岩稳定与支护结构安全起着决定性的作用,本文研究了顶部分布有软弱夹层隧洞的围岩稳定性与支护结构安全性,重点研究了夹层分布距离分别为0.2B,0.5B,1.0B（B为洞跨）3种情况,总结了夹层分布距离与洞周关键点位移、围岩应力、围岩塑性区的关系,分析了不同的分布距离下喷层的受力状况,并进一步探讨了常见围岩类型(II类、III类、IV类)中不同分布距离的软弱夹层对地下洞室围岩稳定性的影响,得出了不同分布距离软弱夹层对围岩变形、应力、支护结构受力影响的一些量化成果。研究成果可望对地下洞室选线（址）、支护系统优化以及施工有借鉴意义与指导作用。     

基于响应面法的软岩隧道湿喷纤维混凝土支护结构可靠度分析

由于湿喷纤维混凝土支护结构物理、力学参数和喷层厚度的离散性及混凝土强度破坏准则难以用支护材料参数显式表达,对该类隧道支护结构进行可靠度分析十分困难,提出采用响应面方法计算湿喷纤维混凝土支护结构的可靠度方法,并给出了计算流程,其中围岩-支护结构的确定性分析采用非线性有限元方法,可靠度分析采用2次响应面法.以赣州-龙岩铁路金华山软岩隧道湿喷纤维混凝土支护结构为研究对象,对该支护结构的可靠度进行分析与计算.分析结果表明,金华山隧道湿喷纤维混凝土支护结构可靠度指标高,处于安全状态.     

煤系地层大跨度隧道围岩结构稳定性研究

针对目前大跨穿煤隧道的研究热点,以重庆市绕城高速公路环山坪隧道为研究对象,在界定大跨度隧道及分析其围岩稳定性关键影响因素的基础上,结合现场监测和数值模拟对大跨度穿煤隧道围岩结构稳定性进行了分析。结果表明,大跨度隧道各处等效应力集中对扁平率变化敏感程度不同,拱脚最为敏感,拱顶基本不随扁平率的改变而变化。隧道穿越软弱煤层段时,围岩应力重分布受影响明显,拱顶位移随开挖面不断推进急剧增加,且隧道围岩塑形圈不断向拱顶围岩内部发展。尤其当煤层软弱带与隧道顺层相交时,隧道荷载结构偏压效应凸显,偏压荷载随煤层倾角变陡而增大,易造成支护结构失稳破坏,在设计及施工中应特别加以重视。     

隧道喷射混凝土强度增长规律及硬化速度对初期支护性能影响试验研究

隧道结构的围岩-支护特征曲线理论表明,初期支护强度变化及支护时机将极大地影响隧道周围围岩的变形及应力分布。相应地,作为初期支护重要组成部分的喷射混凝土,其喷射后的强度增长变化规律及硬化速度也极大地影响着围岩的变形及应力重分布。为探明喷射混凝土的强度增长规律及其硬化速度对初期支护性能的影响,结合隧道工程实践,进行了一系列喷射混凝土现场试验,建立了喷射混凝土强度和弹性模量增长规律,确定了喷射混凝土硬化速度对初期支护性能的影响规律。分析表明：（1）隧道喷射混凝土早期强度发展较快、较平稳,24 h抗压强度平均值为6.4 MPa,48 h抗压强度平均值为11.4 MPa。（2）在软弱围岩中提高喷混凝土的早期强度十分重要,是控制围岩变形和稳定的关键,喷混凝土早期强度越大,隧道初期支护作用越明显。（3）喷混凝土硬化速度对控制拱顶沉降变形效果较显著。与慢速硬化相比,喷射混凝土快速硬化时拱顶沉降减少10.4%,拱脚处减小17%,边墙水平收敛减少了30.7%。（4）喷射混凝土硬化速度对控制围岩塑性变形方面差异较小。（5）应充分考虑喷射混凝土的强度硬化过程,不考虑喷射混凝土硬化速度会在一定程度上高估初期支护性能,使其相应支护结构位移明显小于考虑硬化速度时相应的结构位移。     

超大跨车站隧道三维数值模拟分析

乌蒙山2号隧道是改建铁路贵昆线六盘水至沾益段增建2线工程,出口段扒挪块车站伸入隧道内547 m,为4线大跨车站隧道,开挖轮廓最大跨度为24.13 m,为目前亚洲铁路隧道开挖最大跨。为研究此车站隧道设计与施工方案的合理性,采用FLAC3D 三维快速拉格朗日差分方法分析软件对此超大跨车站隧道施工开挖过程进行三维数值模拟计算。通过分析车站隧道开挖过程中围岩和支护结构的2次应力场、变形场和塑性破坏区的变化特征,总结了车站隧道围岩和支护的应力、变形和破坏区的分布特征和变化规律,为推荐施工方法的安全性及临时支护的拆除方案提供理论依据。     

隧道开挖与支护有限差分法分析

根据景德镇-黄山高速公路某隧道现场工程地质条件和隧道结构设计参数,采用有限差分法对喷射500 mm普通混凝土支护和喷射200 mm厚聚丙烯纤维混凝土支护两种支护结构,进行了施工过程的数值模拟分析。从围岩的应力、位移和塑性区分布3个方面对隧道围岩的稳定性进行了分析。模拟计算结果表明,采用喷射200 mm厚聚丙烯纤维混凝土支护结构的隧道围岩能够处于稳定状态。     

考虑软岩强度时效弱化的缓冲层让压支护设计研究

深埋隧道软弱岩体往往具有明显的流变特性和时效弱化效应,隧道开挖后围岩参数随时间的增加逐渐降低,导致围岩流变变形增大,容易造成隧道初期支护和二次衬砌开裂,严重影响隧道施工期及运营期安全。为保证隧道安全,在二次衬砌与围岩之间设置能够吸收围岩流变变形的缓冲层,缓冲层材料具有理想弹塑性特性,其特殊的力学特性使其能够实现与围岩的变形协调,吸收围岩长期变形能,实现软弱隧道围岩的长期稳定。近年来缓冲层让压支护设计逐渐得到众多学者和工程建设单位的认可,但缓冲层让压支护并没有得到广泛应用,原因是让压支护的让压量与让压力的设计一直是工程建设中的难点。基于弹塑性理论,考虑围岩参数的时效弱化和缓冲层支护抗力,提出软岩隧道工程缓冲层让压支护参数的设计方法,并通过V级软岩隧道的支护设计,验证所提缓冲层支护方案的合理性。     

隧道围岩特性曲线数值模拟与分析

由于围岩特性曲线中只有圆形坑道才有解析解,对马蹄形坑道只能近似地将其转换成圆形[1],加上其它因素,如围岩原始数据、原始应力场、初始位移等的确定问题,使得特征曲线法在一般衬砌设计,特别是衬砌标准图设计中难以应用。笔者采用弹塑性有限元方法绘制了不同埋深、各种围岩级别下的铁路标准设计单、双线毛洞的围岩特征曲线,得出不同围岩级别、不同埋深、不同洞形和尺寸下围岩特性曲线的变化规律。对特性曲线法在隧道衬砌设计中的应用有实际意义。     

侧部水压充填型岩溶隧道衬砌结构位移性状分析

以宜万铁路某岩溶隧道为例,利用有限差分软件FLAC3D对隧道左侧部存在高压充水溶洞的隧道衬砌结构位移特征进行了数值模拟研究,并与现场监测结果进行了比较分析,同时还分析了溶洞内水压的变化以及充水溶洞与隧道间距的变化对隧道衬砌结构位移的影响。结果表明:靠近充水溶洞侧的衬砌结构水平位移值要比远离充水溶洞侧的衬砌结构水平位移值要大,其中左边墙的水平位移是右边墙的2倍左右;拱顶和左拱肩之间的区域有较大的向下竖向位移,左墙脚和仰拱底之间的区域有较大的向上竖向位移;整个衬砌结构向远离充水溶洞侧变形。随着溶洞内水压逐渐增大以及充水溶洞与隧道间距离的逐渐减小,衬砌结构特征位置处的水平位移和竖向位移均有不同程度的增大;沿着隧道的轴向,断面越靠近充水溶洞其受影响程度就越大。     

隧道支护结构荷载作用的随机反演

提出荷载－结构模式进行随机反分析方法，从隧道支护结构变形反算对应的荷载作用，可反推围岩抗力系数和覆土荷载的分布情况，以及作用于支护结构上各部位的外荷载。提出了以实测位移为基础的样条函数插值．以插值位移补充大量的实测值，满足了反分析所需众多的已知位移数。通过一施工实例对该方法的可行性进行了检验。     

隧道斜交穿越地裂缝的模型试验研究

西安地区由北向南间隔分布有十多条近东西走向的地裂缝,建设中的多条地铁线路与地裂缝呈斜交状态。为了揭示地铁隧道斜交穿越地裂缝时受地裂缝活动而产生的力学性状变化,采用50:1几何相似比尺的物理模型试验仪,在合理模拟围岩地层、衬砌结构、应力条件、地裂缝与洞轴线交角及其错动位移基础上,开展了斜交地裂缝活动条件下隧道衬砌结构与围岩相互作用的物理模型试验研究,并与正交地裂缝活动下的测试结果进行了对比分析。表明斜交地裂缝活动对地铁隧道的影响范围更大,各变形缝均有明显的沉降差发展;邻近斜交地裂缝的衬砌结构易处于“悬臂梁”受力状态,衬砌结构不均匀沉降使其产生旋转位移,围岩土压力变化使衬砌结构内力产生显著变化;随着地裂缝错动位移的发展,上盘内拱顶和下盘拱顶、拱底出现围岩作用的加强,而上盘拱底出现围岩作用的松弛。与隧道正交穿越地裂缝的情况比较,斜交穿越地裂缝时围岩土压力和衬砌结构内力变化更大,易出现拉裂破坏。     

围岩弹性抗力对隧道结构受力的影响分析

运用荷载结构模型及有限元分析手段,以新建200km时速城际铁路隧道衬砌为研究对象,分析了围岩弹性抗力对二衬结构受力的影响。随着围岩弹性抗力的增大,拱顶弯矩及拱肩弯矩绝对值、拱顶竖向位移变小,而拱顶轴力及安全系数变大。说明,围岩越坚硬,衬砌结构受力越有利。随着二衬厚度的增大,拱顶弯矩及拱肩弯矩绝对值变大,而拱顶轴力、拱顶竖向位移及安全系数变小。随着混凝土强度等级的提高,拱顶弯矩、拱肩弯矩及安全系数变大,拱顶轴力和拱顶竖向位移变小,但这些量值的变化幅度较小,说明混凝土弹性模量对二衬受力影响很小。     

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。     

正交各向异性岩体中非圆形水工隧洞的解析解

将围岩和衬砌分别视作均质、连续的线弹性正交各向异性和各向同性体,并充分考虑衬砌的支护滞后效应和隧洞运行时的内水压力作用,运用复变函数方法中的幂级数解法,提出了正交各向异性岩体中任意形状水工隧洞的力学解析方法。以直墙半圆拱形水工隧洞为例,所获得的解析解可精确满足衬砌内边界的应力边界条件以及围岩与衬砌接触面的应力、位移连续条件,同时还将解析结果与ANSYS数值结果对比分析,吻合良好。利用获得的解析解,讨论了围岩开挖面上不同的各向异性程度、不同的弹性对称面角度以及隧洞内不同的水压荷载对衬砌以及围岩上应力和位移分布的影响。