喀斯特地貌区隧道与隐伏充填溶洞临界安全距离分析

当隧道施工穿越喀斯特地貌发育区时,隧道应与溶洞保持一定的距离,确保隧道围岩及支护的稳定性。为探究隧道与岩溶的临界安全距离,综合采用理论计算与数值试验方法,基于强度理论,建立不同部位充填溶洞（顶部、底部、侧部）临界安全距离的计算模型,推导出隧道与环向不同位置溶洞临界安全距离计算公式;采用FLAC 3D软件建立环向不同位置溶洞与隧道间的临界安全距离数值模型,基于正交试验设计方法,分析了围岩级别、溶洞水压、溶洞尺寸对临界安全距离的影响规律和显著性。结果表明：隧道与环向不同部位溶洞间的临界安全距离均随围岩级别、溶洞水压及溶洞尺寸的增大而增大,综合影响程度从大到小可排序为围岩级别>溶洞水压>溶洞尺寸;结合试验结果的非线性多元回归分析建立了临界安全距离预测公式;最后将研究成果应用于阳宗隧道项目来验证临界安全距离预测模型的合理性及适用性。     

深埋单线铁路隧道衬砌高水压分界值研究

作用在隧道衬砌上的水压力多大称为高水压？隧道工程界一直没有明确的分界值。以单线铁路隧道标准设计图为基础,以不用改变标准设计断面形状为原则,采用平面有限元方法计算和分析了衬砌的安全系数能否满足规范要求,研究了隧道衬砌高水压分界值。研究结果表明：单线铁路隧道直墙式衬砌高水压第一分界值为0.05～0.10 MPa,第二分界值为 0.18 MPa;曲墙式衬砌高水压第一分界值为0.20 MPa,第二分界值为0.40 MPa。水压力较大时,水压力成为衬砌结构上的主要荷载,高水压力分界值与围岩级别的关系不大,而与衬砌断面形状关系密切,曲墙式衬砌承受水压力的能力远远超过直墙式衬砌。单线铁路隧道按标准设计断面如果要承受水压也是有限的,超过40 m的静水头最好采取其它优化型式的断面。     

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。     

小三峡岩溶隧道围岩防突层安全厚度有限元分析

针对小三峡隧道岩溶发育的工程地质特征,采用有限元方法建立典型隧道断面数值计算模型,分析充水溶洞位于隧道不同方位、不同距离时隧道围岩位移和塑性区变化规律,并结合围岩的位移变化情况和塑性区分布情况作为评价隧道围岩突水的判据,得出防止隧道围岩突水的岩层最小安全厚度。研究结果表明:在岩溶水压力作用下,当洞径比一定时,随着溶洞逐渐远离隧道,溶洞对隧道的影响在逐渐减弱;当间径比一定时,溶洞直径越大对隧道的影响越明显;同时根据围岩的位移和塑性区计算结果得到了隧道围岩最小防突厚度。研究成果可为小三峡隧道安全施工提供技术支撑。      

岩溶地区隧道裂隙水突出力学机制研究

岩溶地下水是诱发隧道发生突（涌）水地质灾害的主导因素之一,岩溶裂隙水对隧道围岩的危害越来越成为岩溶地区隧道建设中的热点研究问题之一。基于目前岩溶裂隙水突出机制研究现状,运用岩溶地质学、工程水力学和断裂力学相关理论分析岩溶地区隧道水岩相互作用机制,探讨了水岩相互作用对岩溶地区隧道施工发生突（涌）水的影响,揭示岩溶地区隧道裂隙水突出前后过程的力学机制。研究表明：岩溶隧道裂隙水突出是裂隙岩体在岩溶水及水压的持续作用下受施工外力干扰发生劈裂的结果,岩溶水和水压在裂隙岩体突水破坏过程中的力学作用主要体现在4个方面,即突水蓄势期岩溶水对裂隙岩体的软化溶蚀作用、水压对裂隙岩体的劈裂作用,突水失稳期水流的冲刷扩径作用、水压对突水量的动力控制作用。基于上述分析,以断裂力学、弹塑性力学理论为基础,提出岩溶隧道岩溶裂隙水突出的最小岩石防突厚度概念,推导了其半解析解表达式,并为工程实例所验证,其结果可为高风险岩溶地区隧道突水理论与防治措施提供参考。     

隧道施工数值模拟及衬砌强度安全系数分析

以某隧道为背景 ,采用二维弹塑性有限元分析方法 ,模拟隧道开挖和支护过程 ,计算衬砌和围岩内力及衬砌的强度安全系数 ,研究衬砌厚度变化对其安全系数和结构稳定性的影响 ,探讨最小衬砌安全厚度 ,为类似隧道设计施工提供科学依据     

应力-渗流-损伤耦合作用下管道型岩溶隧道突水灾变规律研究

为研究管道型岩溶隧道的突水灾变规律,以毕节市大寨隧道为工程背景,考虑围岩的应力-渗流-损伤耦合作用,采用FLAC 3D对管道型岩溶隧道掘进过程中围岩位移、塑性区、渗透系数以及涌水量变化规律展开数值模拟研究,在此基础上了对比分析了无岩溶管道以及不同岩溶水压对隧道突水灾变特征的影响。数值模拟结果表明：（1）隧道掌子面距岩溶管道4 m以上时,隧道围岩稳定性良好,而隧道开挖一旦全部揭露岩溶管道,则管道内充填岩体会逐渐塑性屈服并发生整体滑移失稳,导致隧道出现突水突泥事故,这与实际工程状况保持一致。（2）管道型岩溶隧道掘进过程中的涌水量大致呈“S型曲线”变化,表现出很强的突发性和较大的体量性;（3）溶洞承压水通过岩溶管道向隧道内发生突水存在一个启动压力,只有超过这个启动压力,隧道才会发生突水突泥事故,且其突水量与岩溶水压呈现出明显的指数递增关系。     

基于黏弹塑性的云岭隧道软弱围岩参数反演与稳定性分析

软弱隧道围岩在工程实际和试验研究中都表现出较强的流变性质, 容易造成围岩的过大变形而导致失稳.按新奥法施工原则对云岭隧道左洞进口段的软弱围岩段开挖过程进行监测, 分析初期围岩位移收敛值以及二次支护和衬砌的压力变化情况, 通过黏弹性有限元反分析理论, 建立基于黏弹塑性的反分析体系, 对围岩参数进行反演和优化.通过采用ANSYS有限元程序模拟开挖过程, 并将现场实际量测值与计算数据进行比较, 为隧道支护设计和施工的安全可靠性提供科学依据和技术指导.      

瞬时强降雨下铁路岩溶隧道衬砌强度探讨——以贵州织毕铁路元宝山隧道为例

贵州是岩溶发育地区,强降雨对岩溶隧道衬砌破坏时有发生。贵州织毕铁路元宝山隧道通车前夕,瞬时强降雨致二衬多处发生挤出、跨塌、剥落、开裂、涌水、滴水等灾害,使织毕铁路开通计划被迫取消。本文借助MIDAS GTS数值模拟软件,计算并对比分析衬砌正常及施加50 m水压两种工况下,二衬位移量、轴力、弯矩及剪力情况,分析瞬时强降雨对铁路岩溶隧道衬砌强度的影响,主要结论如下:（1）在不考虑水压的情况下,二衬结构较为安全。当瞬时增加50 m水压时,因衬砌结构内力值过大,计算得出衬砌结构安全性已被破坏的结论;（2）对于地下水发育岩溶地段,若无水压的具体资料,建议III级围岩段采用钢筋混凝土衬砌,以增加衬砌对局部瞬时水压升高的抵抗能力;（3）泄水减压是解决水头上升水压过大致使衬砌破坏的关键。      

二郎山隧道围岩二次应力场特征分析

围岩二次应力场是地下工程开挖后地应力释放并重新进行调整形成的,其分布和大小与工程地质条件及施工状况有关,并且直接影响着施工安全和支护措施的优化。本文利用适于现场操作的改进型应力恢复法现场测试围岩的二次应力场,结合数值模拟研究其沿隧道轴线及横断面方向的变化,分析其与原始地应力场、围岩类别、断裂构造、浅表生改造、地下水状态及施工状况等因素的相关性,不仅为地下工程围岩二次应力场研究提供了资料,而且为隧道信息化施工及时提供了信息。      

岩溶隧道开挖对溶洞处治结构影响的数值模拟分析

结合清连高速公路白须公特大岩溶隧道施工过程,采用三维有限元软件(ANSYS)对白须公隧道的处治结构与隧道开挖的相互作用进行了数值模拟。以隧道开挖中处治结构和围岩稳定性为研究对象,从而分析处治结构在隧道开挖过程中的受力特性,以及隧道围岩在隧道开挖过程中的位移。通过计算结果,对处治结构在岩溶隧道中的支护效果进行了评价,采用桩-承台-单边支撑墙-联系梁的处治方式是安全可靠的。在隧道开挖过程中,开挖面附近的桩基应变、支撑墙压力都加速变大,随后逐渐稳定,说明处治结构承担了一部分围岩压力,在岩溶隧道施工开挖中发挥了重要作用。分析结果与工程实测数据比较吻合,可为隧道穿越大型溶洞提供设计和施工方面的借鉴和参考。     

深埋TBM施工输水隧洞结构的三维仿真分析

考虑围岩材料的弹塑性,引入有限元程序中的生死单元,建立了可模拟隧洞开挖过程的围岩三维仿真模型,求得了深埋隧洞围岩变形的分布模式;并在此基础上,采用接触模型和库仑摩擦模型模拟管片接头的非线性连接作用,建立了TBM隧洞管片结构的三维仿真模型,分析在不同工况（施工期、运行期、检修期）、不同围岩类型以及不同衬砌时机下管片的应力应变特征,为输水隧洞的适时衬砌和安全运行提供了依据。     

不同层理面角度在层状岩体隧道围岩变形中的响应特征研究

层状复合岩体在隧道工程中随处可见,层理面的软弱性直接决定层状岩体隧道围岩的稳定性。为了揭示层理面对隧道围岩变形的影响规律,本文采用AutoCAD软件建立某隧道横断面,将该断面图导入有限元模拟软件ABAQUS中,并利用0厚度Cohesive单元对模型嵌入不同角度层理面,从而构建含不同层理面的隧道断面模型。基于该数值模型研究了层状隧道围岩变形中层理面角度的响应特征,得到从水平层理过渡到竖直层理的过程中,围岩变形区域也从顶部变化到侧壁。结合二次开发获取的声发射模拟数据,得到了不同层理面角度下的围岩易破裂区,针对该区域分布特征,隧道施工后可采用三维激光扫描技术生成点云数据,进行隧道断面的三维重构,为规避点云数据量庞大的缺点,引入分级重采样思想,对层状围岩易变形区进行局部点云细化,通过隧道断面易变形区点云模型的实时对比分析,实现隧道围岩的高效、精确化监测,可指导隧道围岩的安全稳定运营。     

岩溶区隧道围岩--支护体系稳定性研究

岩溶是地下水地质作用的过程和结果，是隧道建设面临的不良地质现象之一。正在建设中的某高速公路隧道出口段岩溶地质作用强烈，溶隙、孔洞发育，且受构造变形及后期淋滤溶蚀作用强烈，力学强度低，岩性复杂。其角砾状粘土岩和水云母粘土岩多已泥化成粘土，遇水易膨胀。岩溶区隧道围岩——支护体系的稳定性是该隧道建设面临的主要问题。文章结合隧道施工过程中的围岩变形监控量测和三维弹塑性有限元数值仿真模拟对隧道围岩——支护体系的稳定性进行了研究。围岩水平收敛和拱顶下沉位移及速率变化特性表明，在监测时段内隧道围岩无趋于稳定的迹象。施工动态力学数值仿真模拟表明，在初期支护条件下，围岩出现了较大范围的塑性破坏区，两隧道之间(间距45．0m)围岩破坏接近度达到0．70，最大竖向位移达到3．0mm，表明隧道全断面施工时，两隧道相互作用影响程度较大。为确保隧道围岩——支护体系的稳定，选择合理的施工方法，制定切实可行的支护方案提供了信息。     

深层碳酸盐岩储层溶洞围岩应力分布研究

以冀中凹陷任北奥陶系碳酸盐岩储层为例,基于油田测井资料及岩石力学实验确定了研究区岩石力学参数,对目标储层典型的长椭圆形孤立落水溶洞围岩应力进行了数值模拟,并根据第三强度理论研究了围岩破坏情况。研究结果表明,（1）溶洞在上覆岩层压力和侧向压力的共同作用下,长椭圆形溶洞围岩的应力集中效应带为9倍的半径范围;（2）长椭圆形溶洞围岩应力以压应力为主,主要集中分布在洞顶和洞底;（3）溶洞填充性对其围岩主应力差及破坏范围影响很大。当填充压力小于0.1 MPa时,溶洞围岩主应力差及破坏区域范围随填充压力的增大而增大;而当填充压力大于0.1 MPa时,溶洞围岩主应力差及破坏区域范围随填充压力的增大均呈减小的趋势。      

隧道围岩内地下水渗流边界效应影响研究

根据水位条件、施工工艺和防排水设计原则将隧道渗流计算围岩透水边界条件大致划分为4种类型,并分析了不同透水边界条件适应的施工工况。基于复变函数理论和保角映射方法,推导得出4种透水边界条件下隧道围岩内任一点孔隙水压力和隧道涌水量解析计算公式,通过与数值解的对比,印证了解析解的准确性。在此基础上,根据不同透水边界条件下隧道涌水量和围岩关键点孔隙水压力随埋深直径比（ ）的变化规律,分析了透水边界条件的变化对浅埋隧道和深埋隧道的影响,并探讨了浅埋水下隧道渗流计算中透水边界条件的选取。相关结论与认识对于隧道渗流计算和排水设计具有一定的指导作用和参考价值。     

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。     

水工隧洞钢筋混凝土衬砌外水压力取值方法研究

外水压力是隧洞衬砌承受的主要荷载之一,也是控制其建设与运行或检修过程中衬砌结构安全的关键因素。目前外水压力的取值仍然以经验公式为主,存在很大的局限性和不准确性。首先分析对比了衬砌外水压力的折减系数法、理论解析方法和数值分析方法几种取值方法,然后进行了不同渗透环境和衬砌支护条件下的衬砌外水压力计算。结果表明,随着围岩渗透性和衬砌厚度的增大,衬砌外表面的水压力越大;对于渗流数值计算,模型范围应取距离隧洞中心不小于30倍洞径;考虑渗流场的时间效应,开挖完成10 d后隧洞的渗流场趋于稳定,衬砌支护20 d后衬砌外侧水压力分布趋于稳定。     

富水管道型岩溶隧道衬砌结构力学响应特征研究

对于围岩中存在管道型溶腔的岩溶隧道而言,受地表强降雨及地下水的影响,管道型溶腔内极易积聚高水压力,进而引发衬砌开裂、渗漏水及涌水病害。为了探明管道型溶腔中高水压力对衬砌结构的影响,开展了富水管道型岩溶隧道衬砌结构力学响应模型试验,对不同溶腔位置及不同水头高度影响下的衬砌结构内力特征进行了研究。基于此,建立扩展工况的数值计算模型,进一步探究了不同溶腔直径、溶腔位置及溶腔水头高度对衬砌结构内力的影响。结果表明：当隧道周围存在管道型溶腔时,与溶腔接触位置的衬砌内侧承受较大的正弯矩,为衬砌结构的最不利受力位置;随着溶腔直径和溶腔内水头高度的增加,衬砌内力显著增大;溶腔所在位置影响着衬砌内力的分布,当溶腔位于隧道拱顶时,衬砌结构的抗水压能力最小。研究结果可为管道型岩溶隧道的结构设计及安全施工提供借鉴。