复杂条件下隧道断面形状和支护参数优化

通过有限差分法（FLAC3D）数值计算和现场试验对马蹄形断面和大曲率边墙、似圆形断面形式下隧道的支护受力和围岩变形特征进行了对比分析,得出采用似圆形断面可以有效地控制围岩的变形量和变形速率,尤其是水平收敛变形;现场变形量测时的丢失位移所占总位移比例较大,其中下台阶丢失位移比例最大;通过现场试验,对不同支护刚度下围岩压力、锚杆受力、钢架、混凝土应力以及二次衬砌分担的围岩压力和模筑混凝土受力情况进行分析,结合洞室变形的现场量测,得出二次衬砌接触压力及分担围岩压力比呈现出随着初支刚度增大而增大的规律,并综合确定了板岩段合理的支护参数。该结论对在构造应力发育的软岩地区修筑隧道提供了有益的工程经验     

复合式衬砌结构中衬砌分担围岩压力比例的研究

复合式衬砌结构中衬砌分担围岩压力的评价方法是隧道工程技术的重要研究课题之一。依托某新建铁路隧道工程,提出了一种基于监测位移反分析评价围岩和支护应力,进而计算初期支护和衬砌背后压力的方法。根据监测位移和衬砌施作时间,确定初期支护的已发生变形和剩余变形。通过有限元反分析求出与已发生变形和剩余变形相对应的围岩和支护应力,得到初期支护和衬砌背后压力。对比初期支护背后压力及衬砌背后压力的现场监测和反分析的计算结果,两者比较一致,说明了该方法的可行性。该新建隧道初期支护闭合95 d后施作衬砌,计算得到衬砌背后压力约0.04～0.06 MPa,衬砌分担围岩压力比例约13%～16%。研究成果对复合式衬砌结构的设计具有一定的参考意义。     

高速铁路膏溶角砾岩深埋隧道支护荷载确定方法

合理的支护荷载确定方法是膏溶角砾岩深埋隧道设计和施工过程中的关键科学问题。以石太客运专线太行山隧道累计穿越4 410 m膏溶角砾岩地层为依托,通过现场支护荷载量测试验,统计得到初支围岩压力和二衬接触压力。采用泰沙基理论、比尔鲍曼理论、谢家烋理论、铁路隧道设计规范和普氏理论共5种方法分别计算围岩压力,并与现场实测值相比较。结果表明：围岩压力以竖向为主,泰沙基理论值与现场实测统计值最为接近;围岩压力在竖向、水平分布模式不同于传统计算方法,推荐竖向压力采用双峰型或均匀分布,水平压力采用折线型分布;初支和二次衬砌共同承担荷载,二衬分担比例为50.1%。研究成果可为高速铁路膏溶角砾岩以及类似地质条件深埋隧道修建提供参考。     

基于监控量测的公路隧道二次衬砌受力分担比例

依托垫江至邻水高速公路铜锣山及明月山隧道,对公路隧道二次衬砌受力分担比例进行研究。通过围岩压力实测值与普氏理论、太沙基理论和公路隧道设计规范深埋围岩压力公式计算值进行对比,结果表明: Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级围岩压力计算值比较符合实测情况。通过对围岩压力、初期支护与二次衬砌的接触压力现场量测数据进行分析,得出Ⅲ级( 深埋) 、Ⅳ级( 深埋) 、Ⅴ级( 深埋) 和Ⅴ 级( 浅埋) 围岩二次衬砌受力分担比例分别为29. 20%、35. 28%、41. 38% 及32. 17%。研究成果对于公路隧道结构设计有着理论指导作用。     

基于现场测试的大跨扁平连拱隧道最佳支护时机研究

大跨扁平连拱隧道由于其开挖跨度大和断面扁平等特点,施工过程中围岩与结构的受力、变形同四车道连拱隧道或分离式隧道存在较大的差异,相应地影响到二次衬砌的最佳支护时机。以某六车道连拱隧道为依托工程,探讨了以隧道位移释放比为基本指标的支护时机确定方法,并通过对围岩位移与不同支护时机条件下二次衬砌内力的现场测试与综合分析,依据“支护抗力最小”的原则,提出了大跨扁平连拱隧道二次衬砌最佳施作时机。     

浅埋黄土隧道三层支护结构力学特性现场测试

为研究浅埋黄土隧道锚喷初支+初衬+二衬构成的3层支护体系力学特性,以某黄土隧道为依托,采用钢弦式传感器对围岩压力、初衬与二衬接触压力、二衬钢筋轴力、二衬混凝土应变、钢拱架应力等进行了系统测试与分析。结果表明：(1) 作用在左拱腰处的围岩压力较大,且稳定值为240 kPa;(2) 浅埋段按不同围岩压力计算公式得到压力值均大于围岩压力实测值,其中采用太沙基公式得到的压力值与实测值相对接近;(3) 该黄土隧道二衬全部受压,其分布形态呈明显的猫耳形,初支、初衬、二衬承受的荷载比例分别为51.34%、37.29%、11.38%;(4) 钢拱架整体以受压为主,在拱顶和拱腰处受力较大,接近屈服状态;(5) 初支发挥了一定的围岩自承能力,其与初衬共同承担了大部分围岩荷载,二衬主要为结构安全储备。     

大断面黄土隧道衬砌结构受力变形特征研究

本文结合工程实例对大断面黄土隧道中初期支护与二次衬砌的受力变形特征进行了分析研究。大断面黄土隧道在初期支护中变形具有突变性、变形量大、变形持续时间长等特征,应当及时进行二次衬砌,以防围岩变形破坏。大断面黄土隧道围岩压力在初期支护施工初期快速增大,施工结束七天左右逐渐稳定。大断面黄土隧道二次衬砌施工结束12 h左右各部位接触压力均出现突然增大的现象,这可能与台车模板可提供的反向作用力有关;接触压力由拱顶向拱脚逐渐增大,拱顶接触压力极小,可能该处混凝土未浇筑密实。     

公路隧道V级围岩初支型钢支架受力分布及动态变化研究

随着隧道施工地层条件的复杂化,型钢支架与锚喷网联合支护体系已被广泛应用于围岩较差的隧道初期支护。型钢支架是初支的主要受力结构,其受力分布及其动态变化是支护体系稳定的关键控制因素之一,隧道顶部、拱腰及仰拱连接处型钢支架受力变化能有效地反应围岩压力的变化情况。针对Ⅴ级围岩隧道开挖后复杂的应力状况,采用围岩变形控制理论作为隧道施工的安全控制标准。通过对河北省道京承线滦平过境路棒槌沟隧道初支型钢支架受力的监测与分析,基于大量监测数据对监测断面型钢支架受力分布动态变化状况展开研究。结果表明:(1)隧道偏压现象严重,应根据受力分布规律,及时优化支护参数; (2)隧道掌子面与监测断面距离为0~4m时,型钢支架压力增加显著,是隧道施工中加强支架控制的关键时段; (3)型钢支架连接处及拱脚位置受力较大,设计时应合理调整各段型钢支架的长度及连接位置,确保连接处的刚度。研究结果对指导施工及反馈隧道设计具有重要理论与实际意义,也为类似研究提供参考。     

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。     

无中导洞施工双连拱隧道的数值模拟分析

针对双连拱隧道采用三导洞或中导洞超前施工方法施工工序多、临时支护量大的不足,以黄延高速公路羊泉沟隧道为例,提出在Ⅲ类围岩中采用无中导洞超前施工方法.基于弹塑性有限元方法对其施工过程进行分析,获得了施工各阶段围岩的应力、应变状态,以及初期支护和二次衬砌的受力状态.结果表明：在Ⅲ类围岩中连拱隧道采用无中导洞施工方法,围岩和支护结构处于安全状态.分析结果为羊泉沟隧道的顺利贯通提供了有效指导.     

不同埋置深度的山岭隧道地震响应分析

根据大量震害资料的调查分析发现,地下结构埋置深度对其地震破坏程度影响很大。通过有限元方法计算8种不同埋置深度条件下的山岭隧道地震响应,并对计算模型的地震输入方法进行了验证,证明地震波输入处理方式的合理性。讨论埋深对结构动力响应的影响,提取衬砌关键节点的竖直向和水平向加速度、位移峰值,分析随着埋深的增大,加速度和位移峰值的变化情况,并以拱顶为例,计算每个埋深变化段的加速度和位移峰值变化率,得到了一定的规律性,如埋置深度从5 m增大到50 m,衬砌结构动力响应峰值大小下降较快。此外,还分析了埋深增大对衬砌结构内力峰值的影响。最后,提出在高烈度地震区修建隧道时其埋置深度尽可能不小于50 m,这为相关工程的修建提供了参考依据。     

地质条件不确定性下TBM管片结构失事概率计算

不良地质条件是影响TBM施工隧洞管片结构安全的重要因素。综合考虑围岩地质条件和衬砌结构的不确定性,提出了一种定量分析TBM管片结构失事概率的新方法。在基于Markov过程估计隧洞沿程地质岩性变化概率的基础上,建立了隧洞任意位置处管片选型不匹配的概率模型;考虑围岩和管片参数的不确定性,采用随机有限元方法计算某一类型管片在不同围岩下的失事概率;由此,采用全概率公式,可计算隧洞沿程任意位置处管片结构的失事概率。结合实际工程,针对施工期工况,确定了该隧洞管片沿程的失事概率、最大失事概率及其所对应的位置等,为管片选型、优化设计及TBM施工期的风险防范提供了依据。     

联合超前支护技术在水下浅埋软岩公路隧道中的应用

湘江大道浏阳河隧道是一座用矿山法施工的水下浅埋软岩公路隧道,应用"全断面注浆+管棚+小导管"的联合超前支护技术。首先通过数值模拟,对比分析不采取任何超前支护措施、仅采取全断面超前预注浆、采取联合超前支护措施三种情况下的初衬拱顶沉降和最大轴力;然后根据应用实践,总结联合超前支护的主要技术参数;最后通过现场观察和现场测试浏阳河水位、初衬背后的水压力、初衬的拱顶沉降和水平收敛、连接小导管的型钢拱架的应力、二衬砼的应力等,分析联合超前支护的作用机理及效果。结果表明:三种超前支护措施通过互相补充加强,可为水下爆破开挖创造良好的条件、可与围岩共同作用形成承载拱、可改善初衬的受力变形状况、可避免过早施作二衬。     

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.      

京承高速公路新道沟连拱隧道的优化设计

本文以京承高速公路新道沟连拱隧道为实例,应用有限元数值方法对连拱隧道二次衬砌的围岩抗力、应力、变形及其稳定性等问题进行了模拟与分析。首先,基于连拱衬砌的结构型式,作者建立了该隧道的数值模型,并提出用弹性杆单元按作用力等效的原则模拟围岩抗力;根据数值模拟结果对隧道支护结构的承载能力进行了讨论,并基于规范对二次衬砌进行了结构强度校核。该研究结果为新道沟隧道支护结构设计的优化提供了科学依据。     

基于CT图像处理技术的岩土材料有限元模型

提出了一种利用数字图像技术对岩土材料CT图像进行处理的有限元模型方法。该方法建立的有限元模型能充分考虑岩土材料的非均匀性,特别是可以考虑空隙分布对岩土材料力学性质的影响。应用该方法对沥青胶结颗粒材料的劈裂试验进行了数值模拟,结果表明：不同方向拉应力分布不均匀,最大拉应力出现在空隙与颗粒的交界处。     

温度场控制在多年冻土隧道施工中的作用

多年冻土隧道工程首先遇到的问题是如何解决开挖与衬砌的矛盾,因为开挖作业与衬砌施工所需的温度场不同,隧道开挖需要较低的温度场以利于无支护毛洞的稳定,而衬砌施工需要较高的温度场以利于混凝土强度的增长。通过数值模拟分析,提出多年冻土隧道施工温度场的控制参数,并将多年冻土隧道的开挖施工划分为4个阶段：安全施工阶段、相对安全阶段、安全预警阶段和安全隐患阶段。根据这4个阶段的特征,提出各个阶段应采取的相应工程措施,尽可能降低施工风险。通过全方位监测隧道洞内温度场的变化,指导开挖和衬砌的施工。     

混凝土喷层支护节理岩体等效力学模型及其应用

考虑喷层在节理面局部的限剪和限裂作用,提出喷层支护节理岩体流变模型,在此基础上推导出喷层支护节理岩体的本构关系,建立了一种喷层支护节理岩体等效力学模型。采用该模型进行结构有限元计算,喷层、节理均不需要离散网格,进行等效模拟;当实际节理裂隙的数量与方向或喷层的厚度变化时,也不需要变化计算网格,从而可降低前处理工作量,为大型复杂结构的计算分析提供较大便利。最后,通过算例和实际工程验证了该模型的有效性--不仅具有离散模型便于模拟喷层真实作用机制的优点,而且具有等效模拟简单易行的优点,具有较好的工程应用前景。     

山岭隧道高水压下衬砌结构平面数值分析

采用平面有限元数值模型分析高水压作用下衬砌结构受力特征和围岩稳定性,研究了水压力大小、注浆加固圈厚度、水压力折减系数对衬砌结构受力和围岩塑性区的影响。研究结果表明：衬砌内力与塑性区随着外水压力折减系数的增大明显增大,随着总水压力的增加而增大,随着加固圈厚度的增大而减小;外水压力折减系数是影响衬砌内力和围岩塑性区的重要因素。