侧部岩溶隧道围岩变形特征数值模拟分析

结合达(州)成(都)高速铁路宝石岩隧道施工过程,利用有限差分软件FLAC3D对隧道侧部含有溶洞的围岩变形特征进行了数值模拟研究,分析了隧道侧部不同大小、不同距离的溶洞分布对隧道围岩变形的影响。结果表明:隧道开挖后,围岩分别向溶洞和隧道内变形。溶洞与隧道之间的围岩向两个相反的方向变形,是最危险区域;靠近溶洞附近的腰拱、边墙和拱顶处围岩的位移值要比远离溶洞侧的相应部位处的围岩位移值大;随着溶洞与隧道间的距离的不断增大,隧道主要特征位置的位移值均有不同程度的减小,最终趋于无溶洞状态时的位移。溶洞主要特征位置的位移值也减小,其值均趋近于零;随着溶洞尺寸的不断增大,隧道和溶洞主要特征位置的位移值均有不同程度的增大。     

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。      

隧道底部隐伏空腔充水对二次衬砌内力影响研究

以某岩溶隧道为工程背景,按弹性阶段相似原则进行模型试验,研究隧道底部隐伏空腔充水情况下的二次衬砌内力特征,以及水压、溶腔和隧道间距的变化对二衬内力的影响规律。试验结果表明:当隧道仰拱底部隐伏空腔充水时,拱肩、边墙和墙脚处轴力为负,拱顶和仰拱底处轴力为正,其中墙脚处负值轴力最大,仰拱底处正值轴力最大;拱肩和仰拱底处弯矩为正,边墙和墙脚处弯矩为负,其中仰拱底处正弯矩最大,墙脚处负弯矩最大。随着溶腔内水压逐渐增大以及充水溶腔与隧道间距离的逐渐减小,特征位置处的轴力和弯矩均有不同程度的增大,对于轴力,拱顶、拱肩和仰拱底处的增量较小,边墙和墙脚处的增量较大;对于弯矩,拱顶、拱肩和边墙处弯矩增量均较小,墙脚和仰拱底处的弯矩增量明显。沿着隧道的轴向,断面越靠近充水溶腔其轴力和弯矩受影响程度就越大。     

串珠状溶洞地层中桩基荷载传递特征的数值计算

桩基下穿串珠状溶洞时的承载性状极其复杂,分析桩基荷载传递与溶洞稳定性的耦合响应特征具有重要意义。建立地质模型上述问题进行数值计算,主要得到以下结论:受桩侧荷载传递作用,顶板厚度与溶洞跨度之比小于某一数值时岩层将产生冲切破坏,比例相对较大时剪应力将集中分布并发生冲剪破坏;溶洞的存在使桩侧阻力分布存在多个极值点,其数量与上覆岩层厚度、溶洞数量及底板岩层厚度等相关;溶洞顶板临空面处侧阻力存在迅速衰减段,其范围受卸荷岩层厚度及岩层竖向位移影响较大,当外荷载增大到一定数值以后该区域侧阻力变化较小;中夹岩层处侧阻力极大值位于岩层中部,且随层厚的增大而减小,厚度较小时侧阻力呈等腰三角形对称分布,厚度较大时呈阶梯型分布,厚度越大阶梯跨度越大,分布越均匀;中夹岩层侧阻力分布受桩长变化影响较小,但下部底板侧阻力分布受桩长及外荷载影响较大;中夹岩层的荷载-位移曲线（Q-S'）呈抛物线型变化,存在明显的屈服拐点,层厚越大竖向位移越小,相同外荷载作用下桩越长其位移越大;桩径越大,Q-S'曲线拐点对应外荷载越大,对应中夹岩层位移越大,但桩径超过某一值后影响程度逐渐变小。     

波浪作用下含气海床内盾构隧道水力及位移响应分析EI北大核心

海底沉积物中气体通常以不连续的气相存在于海床土体中,既有理论研究较少考虑含气海床环境,波浪动压力引起的渗透力导致隧道衬砌附加变形也较少见之于文献。首先,通过Biot固结方程获得了气-水混合流控制方程,结合适用于浅水区的Stokes二阶非线性波浪理论获得了隧道衬砌周围的孔隙水压响应;其次,采用叠加法分别考虑了由波浪引起的海床土体内振荡孔压和累积孔压,并以衬砌周围可能出现的最大孔隙水压及渗透力作为最不利荷载工况,结合指数衰减模型描述衬砌劣化效应,获得了考虑波浪渗透力作用下隧道衬砌服役期间位移变化规律;最后,通过试验监测数据及数值模拟验证了本研究理论解析的准确性,通过对波浪周期、水深,海床剪切模量、海床含气量,隧道半径、埋深、衬砌劣化系数进行分析。结果表明:海床含气量增大能降低波浪压力向海床内部传播,并减弱超静孔压的累积效应;随着海床含气量逐渐增大,隧道衬砌周围孔压极值不断减小且出现相位滞后,隧道外渗透力、衬砌径向位移均随着海床含气量增加而明显降低;波浪周期增大、海水深度降低均能明显使海床表面的波浪压力增大,诱发隧道衬砌周围产生较大的渗透力,从而发生较大径向位移,小半径、浅埋深能够有效降低累积孔压造成的渗透力影响;当衬砌劣化系数相同时,含气量越低的海床内波浪引起的超静孔隙水压影响越显著,衬砌产生较大径向位移,不利于隧道的正常服役。     

平行盾构隧道施工对既有隧道影响的数值分析

采用三维有限元方法对平行盾构隧道施工进行模拟,分析新隧道动态掘进时既有隧道位移、变形和内力的变化规律。模型中考虑了盾构机与管片衬砌相互作用,管片衬砌结构的横观各向同性性质。计算结果表明,既有隧道在盾构机附近主要产生纵向上的不均匀沉降和侧移,在盾构机后方主要产生横断面内的旋转。新隧道的修建还将使既有隧道受到“侧向加载“效应,使其横断面内的弯矩减小,轴力增大,且左、右侧受力不再对称。既有隧道纵向受力出现先受压、后受拉的特征,且在远离新隧道侧将出现最不利应力状态。分析表明盾构机顶进力、注浆压力和地层损失对既有隧道的影响较大,施工中应严格控制,而顶进反力的影响相对较小。该工作为类似工程的施工提供参考。     

外水压下隧道衬砌的力学响应及结构对策研究

随着控制排放的隧道防排水技术的广泛应用,外水压力作用下隧道衬砌的一些设计技术问题也愈发突出。基于对外水压力下隧道衬砌的力学响应分析,以龙潭隧道和白云隧道为依托,通过数值仿真,研究了公路隧道抗水压衬砌的结构优化对策。研究结果表明：由于外水压力的作用,衬砌的边墙、仰拱隅角和仰拱处存在明显的应（内）力集中和突变现象,安全度大大降低;通过引入下半断面矢跨比的新概念,从技术和经济的双重角度,指出增大该指标是抗水压衬砌结构优化的首要对策;可依次或组合采用通过增大仰拱隅角处半径、减小仰拱处半径、增大仰拱拱圈厚度、增大衬砌全断面厚度等措施来作为抗水压衬砌的结构优化对策。     

“两墙合一”双环形支撑体系基坑变形特性分析

南宁市某基坑采用“两墙合一”双环形支撑体系，为研究基坑开挖工况下地下连续墙及坑外浅基础建筑物的变形特性，基于现场监测资料，对基坑开挖引起的临近建筑物沉降、地连墙顶水平位移、竖向位移以及地连墙墙体侧向位移进行了系统分析。分析结果表明：周边建筑物沉降受其高度、基础形式、埋深、距基坑距离以及与基坑相对位置等因素的影响程度较大；地连墙竖向变形受基坑开挖暴露时间以及临近建筑物的影响较大，其最大竖向位移VWY变化区间为(-0.088%～0.083%) H_e(H_e为开挖深度)；近建筑物段地连墙侧移呈现为“内凸悬臂复合式”变形形态；“坑角效应”导致位于坑角处的地连墙呈现出“阶梯内凸式”变形形态；地连墙的最大侧移变化区间为(0.02%～0.21%)H_e，平均值为0.085%H_e。     

深基坑地连墙支护体系协调变形规律试验研究

深基坑地连墙支护体系中局部应力集中问题,以及施工过程中的实际变形与设计值之间往往存在较大差异造成施工风险。通过设计模型试验,采用可伸缩的内支撑体系来解决上述问题。研究了内支撑体系、地连墙和墙后土体之间的协调变形特性;得出了内支撑的轴力、墙后水平土压力、基坑周围地表位移、地连墙的最大变形量等随支撑体系调节方式的变化规律;提出了地连墙支护体系协调变形智能调节方法。研究发现,相同的位移控制条件下,上部支撑伸缩引起的轴力变化量最大,底部支撑伸缩次之,4道支撑同时伸缩时影响最小;但是,支撑伸缩的位置越深,对地表竖向位移的影响范围越大,4道支撑同时伸缩对地表位移的影响范围和幅度大于单独伸缩某一道内支撑;支撑伸长可明显减小地连墙水平位移,但是会导致支撑轴力急剧增大。结果表明,实际工程中并非基坑水平位移控制越严格,支护体系就越安全,而是应合理控制内支撑伸缩长度,加强支撑轴力和位移监测。     

考虑地下水位升降影响的盾构施工诱发地层变形和衬砌响应分析

盾构隧道施工时遭遇地下水位急剧变化会明显增大施工风险,既有成果较少考虑地下水位升降给盾构隧道施工带来的影响,也较少针对隧道衬砌本身变形和应力进行分析。在考虑盾构隧道施工时地下水位变化的情况下引入隧道洞周的非均匀收敛变形模式,采用复变函数法理论,提出地下水位升降影响下盾构隧道开挖引起的周围地层、衬砌变形和应力的计算方法。将理论解析结果与数值模拟结果进行对比,验证了所提出方法的可靠性,并针对衬砌厚度、隧道半径、地下水位深度等参数进行了敏感性分析。研究结果表明,衬砌的径向位移形态基本呈现"苹果把"朝上的"苹果"形;随着地下水位的下降径向位移由"鸭蛋"形逐渐向"苹果"形过渡,且"苹果"形越来越明显;衬砌的环向位移基本形态呈倾斜的"苹果"形,随着地下水位的下降倾斜的"苹果"形范围逐渐变大;径向应力的分布在衬砌厚度、隧道半径的影响下呈现出相同的增减变化规律,且随着上述两个参数逐渐增大,径向应力分布由水平放置的"鸭蛋"逐渐变化成水平放置的"?"字形,随着地下水位的下降径向应力形态逐渐向中心收缩;衬砌环向应力随着衬砌厚度的增大,应力略微减小,随着隧道半径的增大衬砌环向应力明显减小,随着地下水位的下降环向应力分布形态由竖立放置的"鸭蛋"形逐渐变化为竖立放置的"8"字形;衬砌切向应力在衬砌厚度、隧道半径的影响下呈现相同的增减变化规律,且切向应力分布呈现"苹果把"朝下的"苹果"形。研究成果可为地下水位变化明显的盾构施工控制提供参考。     

隧道顶部岩溶对围岩稳定性影响的数值分析

以朝东岩隧道为背景,运用二维弹塑性分析研究了隧道顶部不同大小、不同距离的溶洞对隧道围岩稳定性的影响。研究结果表明:隧道顶部溶洞随距离的增大及围岩稳定性增强,距离与隧道开挖引起的释放位移之间存在明显的相关关系,影响的分界线大约为溶洞直径的2～3倍;在拱顶附近的周边释放位移与溶洞的大小成反比,而在隧道侧壁及底部的释放位移与溶洞的尺寸成正比;并详细地分析了应力场及塑性区的变化规律。     

顶部既有隐伏溶洞对圆形隧道稳定性影响的数值分析

隧道穿越岩溶区施工中,既有隐伏溶洞因其具有的隐蔽洞使得在工程上不能事先采取安全措施,易遭受猝不及防的破坏,给隧道施工和运行造成了很大的安全隐患,危害性较大。针对隧道穿越岩溶区大部分常见中、小尺度既有隐伏溶洞引起的岩溶隧道稳定性问题,采用数值试验方法,系统分析了隧道顶部不同尺度和距隧道不同距离的既有隐伏溶洞对圆形隧道围岩应力、位移和支护结构内力的影响,分析了隧道顶部既有隐伏溶洞引起的隧道围岩塑性区的变化特征。在数值试验基础上,对顶部隐伏溶洞引起的隧道位移变化规律内在机制进行分析。研究表明,一定范围内的大尺度既有顶部隐伏溶洞将引起隧道位移的增加和隧道围岩拉应力的增加。研究结果可为岩溶区隧道建设提供必要的技术支持,对岩溶区隧道设计与施工的科学化、定量化具有直接的推动意义。     

地下水多元示踪试验在岩溶隧道水害预测中的应用——以张吉怀高铁兰花隧道为例

以张家界—吉首—怀化高速铁路兰花隧道为例,在岩溶水文地质调查基础上结合地下水多元示踪技术,查明了兰花隧道隧址区各岩溶地下水系统以及地下暗河管道的空间展布。结果表明:（1）兰花隧道及其附近区域全部为寒武系碳酸盐岩裸露区,以峰丛洼地为主,地表和地下岩溶极为发育;（2）兰花隧道隧址及其附近区域共发育有呆业洞和兰花洞两个独立的地下暗河系统,其中Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅲ号三个岩溶水系统属于兰花洞地下暗河系统的子系统;Ⅳ号岩溶水系统属于呆业洞地下暗河系统;（3）Ⅳ号岩溶地下水系统在平面和剖面上都没有与兰花隧道相交,不会对隧道突涌水构成威胁;（4）兰花洞地下暗河系统以中部兰花洞暗河天窗为界分为上游和下游两段,上游段Ⅰ号和Ⅱ号岩溶水系统在平面和剖面上都没有与兰花隧道相交,不会对兰花隧道突涌水构成威胁;下游段Ⅲ号岩溶水系统在平面上与兰花隧道相交（交点里程为DK60+100）,可能存在隧道突涌水风险;（5）依据高分辨率降雨-水文动态监测数据,采用降雨入渗系数法预测在极端暴雨情况下兰花隧道揭露Ⅲ号岩溶管道的最大涌水量为7.08×104 m3?d-1。      

深埋公路隧道溶洞处置效果分析与隧道结构响应规律研究

卡罗Ⅱ号隧道为贵州省平塘至罗甸高速公路控制工程,施工时揭示溶洞发育于右幅隧道的拱底部位,左右线隧道中部岩柱薄易于坍塌,特提出洞渣回填以及桥梁跨越两种处置手段并在技术及经济方面进行比选,综合确定洞渣回填为该溶洞处理方式。为验证回填方案的合理性,以有限元软件Midas GTS建立溶洞回填前后隧道开挖施工模型,分析出溶洞处理前后围岩位移、锚杆轴力以及围岩塑性区变化规律,同时监测典型断面的累计拱顶沉降、收敛变形情况,结果表明:溶洞回填后,围岩位移、锚杆轴力峰值有较大降低,中部岩柱以及下部溶腔塑性区发展由于回填得以控制,溶洞回填可有效抑制围岩变形,施工期间也并未出现突泥、涌水灾害事故,其回填方案有较高的可行性。      

南昆铁路岩溶洞穴预报技术

南昆铁路隧道地质条件复杂，岩溶等地质灾害严重，岩溶洞穴的预报是铁路建设中主要技术难题之一。为此，结合南昆铁路建设，开展了溶洞地貌预测方法和地下洞穴综合物探技术的试验研究，取得突出成果，为铁路的设计和施工提供了科学依据。     

地质雷达电磁干扰分析及在隧洞岩溶探测中的应用

将地质雷达用于千岛湖配水工程某隧洞岩溶探测,分析了倾斜状电磁干扰异常与溶洞雷达异常差异,通过雷达剖面及疑似异常区单道时间-频率谱的分析,推断了隧底岩溶的性质及空间分布特征,含水溶洞在雷达剖面反映为同相轴错断,强振幅及能量高衰减的特性,高频干扰波振幅幅值较异常区小且能量不满足随时间推移逐渐衰减的规律,雷达成果为隧洞安全施工提供了准确的参考。      

岩溶隧道涌突水破坏模式分类及防突厚度研究

在岩溶山区进行隧址选择时,隧道与溶洞之间的防突岩体厚度是重要因素之一.在岩溶隧道修建过程中,若岩墙厚度保留过小,则岩溶水涌出造成安全事故、经济损失和工期延误.目前涌突水破坏分类较为笼统且大多忽略了隧道围岩的岩体结构对防突厚度的影响.本文首先从岩溶隧道围岩的结构类型、溶洞与隧道之间的相对大小和相对位置的角度进行涌突水破坏...     

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。     

探地雷达在南京地铁隧道工程检测中的应用

溶洞是地铁隧道工程的重要检测内容之一,探地雷达波在溶洞中传播的信号特征与围岩存在明显的差别,雷达反射波组的振幅、波长和频率会随着介质的电性变化而改变,正确识别溶洞的雷达波组特征是判别溶洞存在及其性质的关键所在。以南京地铁三号线滨江路站—五塘村站之间地铁隧道下方岩体内隐含溶洞探测为例,着重讨论了溶洞在探地雷达检测剖面上的波形显示特征,结合钻孔验证,说明探地雷达技术在城市地铁隧道工程溶洞探测中是有效的和实用的。