不等跨连拱铁路隧道围岩压力分布及受力特征模型试验研究

以兰渝铁路新作坊隧道洞口明挖段不等跨连拱结构为背景,采用室内模型试验的方法,对不等跨连拱铁路隧道围岩压力分布及受力特征进行研究。试验结果表明：隧道水平侧压力均小于竖向围岩压力,拱顶处侧压力小于墙脚处侧压力,小洞侧侧压力系数平均为0.55,大洞侧侧压力系数平均为0.65;中隔墙顶部围岩压力均大于拱顶处围岩压力,且大洞拱顶围岩压力约为小洞的1.2倍;隧道结构总体为小偏心压弯构件,大洞所承受的轴力总体比小洞承受的轴力大20%～30%;隧道先后在大小洞靠近中隔墙的拱腰及仰拱处破坏,最终发生整体失稳;靠近中隔墙的大小洞拱腰及仰拱是设计施工时应重点关注的部位;最终获得不等跨连拱铁路隧道的围岩压力分布模式,研究结果可以直接指导新作坊隧道结构的设计与施工,有利于完善不等跨连拱隧道设计施工理念。     

不等跨连拱隧道施工全过程的有限元模拟

用同济曙光岩土及地下工程设计与施工分析软件(GeoFBA2D),对某高速公路不等跨连拱隧道的施工全过程进行有限元模拟。得出隧道围岩应力、围岩位移、初衬与二衬的接触压力、中墙内力随施工过程的变化规律。研究表明,大洞的拱顶最大拉应力是小洞的4倍,不等跨效应十分明显;小洞拱顶沉降明显分为三个阶段;小洞的初衬与二衬的接触压力要比大洞大;中墙内力随施工过程变化显著,但最终值很小。结论对隧道设计和施工具有科学指导意义。     

浅埋连拱隧道中隔墙地基受力变形及注浆加固研究

为研究浅埋连拱隧道中隔墙地基受力变形特征及基底注浆加固方法,依托云南省某拟建高速公路连拱隧道,采用MIDAS/GTS软件进行数值模拟计算和分析。研究结果表明:(1)在围岩较好、埋深较小时中隔墙基底压力分布随施工过程由“马鞍形”分布逐渐变为“钟形”分布,最大基底压力出现在先行洞衬砌浇筑后右侧墙趾处,中隔墙地基总体上处于隆起变形状态;(2)在围岩较差或埋深较大时中隔墙基底压力分布呈“马鞍形”分布,最大基底压力出现在后行洞二衬浇筑后中间偏右处,中隔墙地基总体上处于沉降变形状态;(3)通过数值分析得到不同埋深、地质条件下的连拱隧道中隔墙地基需要满足的承载力,并结合现行规范及前人研究成果,提出了中隔墙岩石地基加固前后地基承载力计算方法。研究成果可为连拱隧道的设计和施工提供参考。     

偏压连拱隧道施工的动态模拟及最优化分析

建立了偏压连拱隧道的3D有限元模型,对不同施工工况进行了数值模拟,并与现场监测资料进行比较,通过分析拱顶沉降、中隔墙的位移和应力、围岩的塑性区分布、初衬和二衬应力的变化规律,对偏压连拱隧道施工进行最优化设计,以此得出了最优施工步距、开挖顺序、断面开挖形式、左右两洞开挖面的最佳施工间距,对类似连拱偏压隧道的施工有重要的理论和实际指导意义。     

交错既有隧道次生力学效应三维模型试验

为分析交错新建隧道施工对既有隧道的影响,采用公路隧道结构与围岩综合试验系统对交错隧道进行三维物理模型试验。测试的内容包括新建隧道开挖引起既有隧道围岩内部压应力、围岩内部位移及支护结构内力的变化规律。试验结果表明,既有隧道拱顶径向压应力和拱腰切向压应力具有增加趋势,拱顶切向压应力和拱腰径向压应力具有减小趋势;拱顶围岩内部位移表现为压缩变形,拱腰围岩内部位移为拉伸变形;既有隧道支护结构的轴力和弯矩全为增加,右拱腰的弯矩受到的影响最大;新建隧道施工对既有隧道L8截面的影响较小,对L1和L4截面的影响非常明显,当间距小于L8截面情况时应采取加固措施。     

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。     

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     

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。     

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。     

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。     

不同地质条件下浅埋偏压小净距隧道围岩稳定性研究

不同围岩条件下浅埋偏压小净距隧道的围岩稳定性相差很大,特别是半软半硬岩层隧道,由于软硬交界面的存在,其施工力学特性更加复杂。使用FLAC3D模拟不同净距下均质硬岩、均质软岩和竖向半软半硬岩隧道施工15种工况,对比分析中岩墙、拱顶上部围岩、仰拱处围岩和边坡的围岩稳定性。结果表明:隧道开挖引起均质围岩中岩墙上部水平位移最大,而半软半硬岩中部水平位移最大,中岩墙上部围岩稳定性最差;0.6B净距可以作为半软半硬岩偏压小净距隧道的临界值;半软半硬围岩隧道开挖引起拱顶沉降量和硬岩隧道比较接近,远小于软弱围岩隧道拱顶沉降;隧道开挖引起软岩侧洞室上覆盖层围岩稳定性变差;隧道开挖引起拱顶上部围岩破裂面整体呈"W"形,仰拱部围岩破裂面呈"M"形。     

地裂缝场地地铁隧道地震动力响应的振动台试验研究

以西安轨道交通3号线地铁隧道近距离通过地裂缝场地为工程背景,采用几何比1:30的大型振动台模型试验,研究不同地震波作用下通过地裂缝带上盘场地地铁隧道的地震动力响应。试验结果表明:地裂缝场地上盘加速度响应表现出明显的放大效应;浅埋地铁隧道对地震波在土层中的传播具有一定阻碍作用,而隧道两侧拱腰位置围岩土层加速度放大效应最强;隧道特征部位PGA放大系数拱腰最大,拱底次之,拱顶最小,其中靠近地裂缝侧拱腰的PGA放大系数大于远离一侧;地裂缝附近动土压力增量明显增加,而靠近隧道附近,动土压力增量明显降低;地震作用下隧道通过地裂缝场地上下盘出现差异沉降,地表出现多条与地裂缝近似平行和正交的裂缝;隧道环向受剪切作用在靠近地裂缝一侧的拱肩部位环向应变最大,而隧道轴向受挤压作用在左右拱腰处应变出现最大值。研究结果可为地裂缝场地地铁隧道结构抗震设计与防灾减灾提供重要科学参考与借鉴。      

软弱围岩条件公路连拱隧道施工方法数值分析

针对软弱围岩条件（Ⅳ级围岩）大跨度连拱隧道施工安全和围岩稳定问题,结合工程实际,采用非线性有限元法,对连拱隧道施工过程进行了数值计算分析,对比了中导洞一核心土和三导洞先墙后拱施工工艺下隧道的位移特征、点安全系数、二次衬砌应力、锚杆和钢拱架轴向应力。实际工程研究表明,中导洞一核心土施工工艺开挖软弱围岩条件大跨度公路连拱隧道是可行的,对类似软弱围岩条件的隧洞施工有一定参考价值。     

整体式中隔墙连拱隧道模型试验及现场监测

针对连拱隧道复杂的施工力学特性,结合实际工程,通过模型试验和现场监测分别研究了整体式中隔墙连拱隧道在中导正洞台阶法施工过程中的位移和中隔墙应力变化情况,并详细分析了各开挖步骤对其的影响。结果表明,对于整体式中隔墙连拱隧道,上台阶开挖对顶部位移和中隔墙应力的影响大于下台阶开挖产生的影响;隧道顶点位移-历时曲线总体形状呈S形,最大位移发生在后掘隧道的顶部。由于主洞的开挖将使中隔墙另一侧应力增加较大,而本侧应力增加较小甚至降低,因此,先掘隧道的开挖使中隔墙产生由先掘隧道侧向后掘隧道侧偏转的弯矩,而后掘隧道的开挖将使该弯矩值减小     

连拱隧道围岩变形和破坏形态的DDA分析

连拱隧道围岩一般为由节理结构面相互切割的非连续岩体,利用非连续性分析方法研究这类围岩的变形和破坏形态可以更好地反映工程实际情况。采用非连续变形分析方法 DDA,对金鸡山连拱隧道围岩的变形和破坏过程进行了模拟,将整个变形破坏过程划分为了3个阶段：中墙上方岩体变形、地表下沉、滑移面产生阶段、隧道左右洞两侧滑移带（或滑移面）的形成阶段以及中墙顶部块体失稳、隧道上方岩体快速塌落阶段。研究了金鸡山隧道浅埋围岩和深埋围岩的变形破坏特征,其中边墙部位、靠近中墙的内侧拱顶或拱肩部位、外侧拱肩部位会首先受到变形破坏。     

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。     

双孔盾构隧道近接施工离心模型试验研究

通过室内离心模型试验模拟双孔盾构隧道近接施工,研究了衬砌结构横向内力的量值、分布规律以及随盾构推进距离和两隧道相对位置的变化规律。结果表明,衬砌结构拱顶和拱底内侧受拉,左右拱腰外侧受拉,拱底出现最大弯矩;整个结构均受压,拱顶和拱底处轴力较小,左右拱腰轴力较大;既有隧道施工完成后,结构内力基本呈对称分布,且随着新建隧道的施工,两隧道结构内力将随其相对位置的变化而变化;新建隧道施工对既有隧道结构内力影响明显,设计施工时应采取相应的加强措施。     

沪蓉高速柴家湾隧道围岩稳定性分析及支护效果研究

隧道围岩的应力分布及变形特征对保证其长期稳定性具有关键的作用。本文以柴家湾隧道为例进行实态建模,通过采用有限元软件ANSYS对其施工全过程进行了三维弹塑性数值模拟计算。研究结果表明,隧道拱顶和拱脚处应力集中现象明显,局部可能出现拉应力;变形主要集中在拱顶、拱腰部位,衬砌单元所受内力在规定强度范围以内,支护措施合理有效。     

隧道大变形机制及处治关键技术模型试验研究

大变形是隧道建设中无法完全避免的灾害之一,发生后若处治不当极有可能出现多次换拱甚至塌方等二次灾害。通过相似模型试验,采用自行设计的隧道模型开挖装置和围岩内部位移监测装置,研究了隧道开挖和埋深增大过程中围岩渐进性破坏过程及位移和应力变化规律,揭露出预防隧道大变形的重点支护部位,并进一步研究了大变形出现后处治过程中衬砌的破坏规律,明确了大变形处治时的支护措施。试验结果表明：（1）隧道产生大变形过程中,拱顶与拱底的变形量大于拱腰与拱脚的变形量,且随着埋深增大,差值逐渐增大;（2）大变形产生后隧道拱顶径向和切向应力值均减小,而拱脚切向应力值大幅上升;（3）更换变形拱架时,更换位置附近衬砌拱顶处可能出现张拉破坏,拱腰处可能出现剪切破坏,因此,大变形处治时需保留两侧衬砌的临时钢支撑,必要时需增设底部横支撑或临时仰拱。该研究结果有助于得到大变形发生时和发生后处治时的防控重点,为大变形的预防及安全处治提供指导和参考。     

浅埋偏压连拱隧道施工的力学响应分析

以江西某高速公路一浅埋偏压连拱隧道为背景,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。系统研究了塑性区分布和发展、拱顶下沉、正应力与剪应力的集中和转移、中隔墙竖向应力随施工过程的变化规律。研究表明:1.非对称开挖是引起中墙偏压的最关键因素,初衬和二衬的施作对改善中墙偏压作用不大,对称开挖才是最有效途径;2.在浅埋条件下,拱顶下沉有随埋深增大而增大的趋势,位移释放在开挖完成、支护之前就已经大部分完成。3.左右洞上台阶开挖后拱顶出现拉应力区,是易坍方部位,应超前或及时支护;4.由于偏压作用,山脊一侧边墙和中墙墙踵处塑性区更发育,该侧更易失稳;5.施工完毕,隧道两侧边墙附近集中的压应力转移到二衬和仰拱上,使二者成为应力集中部位,从而改善了隧道围岩的受力状况。