基于离散-连续耦合的岩溶隧道防突岩体安全厚度预测

为有效预防岩溶隧道施工中的突涌水灾害,首先,调研近年来国内岩溶隧道突涌水典型案例,总结隧道突涌水形成机理及其影响因素;其次,建立离散-连续耦合模型并采用多元回归理论的方法,明确防突岩体破坏的判定准则,划分岩溶隧道防突岩体破坏模式并提出裂缝发育规律;然后,基于对防突岩体最小安全厚度造成影响的各因素,针对溶洞位于隧道上方、下方及侧方3种情况分别建立防突岩体最小安全厚度预测计算式;最后,依托德庆隧道工程进行验证。结果表明:防突岩体破坏模式主要有弯折破坏、整体剪切破坏和复合破坏3种,可基于裂隙发展速度将其破坏过程分为初始阶段、快速发育阶段、平缓发育阶段3个阶段;各因素按影响显著程度由大到小依次为溶腔内水压、围岩黏结参数、溶腔跨度、溶腔高跨比和隧道埋深;计算得到德庆隧道3处施工段的防突岩体最小安全厚度分别为2.964,5.263和0.961 m,突涌水评估结果准确。防突岩体最小安全厚度预测计算式可用于预测并评估岩溶隧道突涌水风险。

带定位榫盾构隧道管片接头剪切力学行为研究

外套于盾构隧道管片螺栓的空心圆锥筒定位抗剪构件定位榫能有效控制盾构管片错台量和错台值,与管片、螺栓共同形成“管片-定位榫-弯螺栓”接头.为探明盾构隧道管片受压工况、“管片-定位榫-弯螺栓”接头在剪切荷载作用下的结构力学特征和破坏机理,以内径7.5 m、外径8.3 m、弯螺栓连接的盾构隧道衬砌环的纵向接头为例,首先,建立三维有限元模型,对轴力分别为196、392、588和784 kN4种工况的接头剪切破坏全过程进行数值模拟;然后,对接头剪切破坏过程、定位榫和螺栓力学及变形特征、管片接缝面变形破坏特征进行分析;最后,采用原型剪切破坏试验对数值模拟结果进行印证和补充研究.研究结果表明:盾构隧道“管片-定位榫-弯螺栓”接头剪切破坏全过程分为接触面静摩擦、定位榫弹性变形、定位榫塑性错动和螺栓剪切破坏4个阶段;定位榫弹性变形阶段,定位榫表现为“压扁”形态,定位榫塑性错动阶段,定位榫拱顶外侧首先出现塑性屈服区,随着剪切荷载的增加,塑性区将扩展到定位榫端部和横断面内大部分区域,塑性破损过程中定位榫将超过其承载能力的外部剪切荷载转移给螺栓;螺栓杆体受力从定位榫塑性错动阶段开始,最终加载侧杆体将发生“拉直”破坏、固定侧杆体将发生弯剪破坏;管片接缝面混凝土从定位榫塑性错动阶段后期出现塑性区,初始位于榫槽内水平两侧,随着剪力增加,塑性区将向周边扩展,最终与管片内弧面手孔塑性区连通,形成“手孔-螺栓孔-手孔”塑性破坏域.

基于三维离散-连续耦合的岩溶隧道突水破坏模式研究

岩溶隧道在修建的过程中难以避免接近溶腔甚至高承压水溶腔,而突水破坏极易引发安全事故甚至对隧道产生不可逆的影响,因此对岩溶隧道突水破坏模式的研究有利于解决相关安全问题,并对选线安全具有一定参照意义。通过三维离散-连续耦合数值技术,对微观离散颗粒物理、力学参数进行标定并验证,模拟水压作用下下伏溶腔与隧道仰拱之间的防突岩体垮塌过程。根据试验结果将防突岩体的破坏模式分为3类:剪切破坏模式、弯折破坏模式和复合破坏模式。弯折破坏模式表现为防突岩体中部和两端拉伸裂缝呈贯通状;剪切破坏模式表现为防突岩体两端裂缝呈剪切态;复合破坏模式则同时具有二者的共同特性。3种破坏模式所引起的裂缝发育规律相似,均可分为初始发育、快速发育和平缓发育3个阶段。初始发育阶段时防突岩体所存在的裂缝数量较少;维持水压力防突岩体的裂缝数量突增并进入快速发育阶段;而后防突岩体中的裂缝产生贯通效果进入平缓发育阶段,最终防突岩体整体垮塌。由此得出结论:突水破坏在岩溶隧道中是一个渐变的过程,但对岩溶隧道总体安全性有不可逆的影响。

大直径盾构隧道内高速列车振动下管片接缝变形与防水性能仿真分析

[目的]为防治大直径盾构隧道渗漏水病害,保障高速列车行驶安全与隧道正常运营,必须对高速列车振动下的隧道管片接缝变形与防水性能进行分析研究。[方法]依托湛江湾海底隧道工程,利用有限元软件建立地层-隧道三维模型与密封垫-沟槽二维精细化模型。首先以纵缝为例研究了大直径盾构隧道内高速列车振动下管片位移动力响应与管片接缝变形特征,然后基于最不利管片接头变形工况分析了一种密封垫防水性能。[结果及结论]单列高速列车振动下管片接缝位移响应过程分为变形增加、变形危险与变形消退3个阶段;变形危险阶段管片环上部与左右两端处接缝张开且错台量较大,邻近接缝受两侧管片挤压作用张开且错台变小;轨道道床下接缝几乎无变形,轨道道床会大大减弱列车振动对管片衬砌的影响;密封垫与密封垫间接触应力呈U形分布,密封垫与管片沟槽间接触应力由中间接触部位向两边逐渐减小;相较于密封垫与管片沟槽间接触路径,密封垫与密封垫间接触面更易发生渗漏水。在本工程的最不利工况下,提供的一种三角形开孔密封垫能满足本隧道防水要求。

机械法联络通道管片切削下主隧道力学行为研究

为了解机械法联络通道破洞过程中主隧道管片结构响应变化,依托宁波市轨道交通5号线海晏北路站—民安东路站区间工程,采用动力显式有限元法,建立全刀盘三维精细化模型并引入材料累进破坏失效准则,对不同施工阶段下主隧道管片力学行为进行研究,得到了施工初始阶段、预撑阶段及刀盘切削阶段下全切削环和半切削环管片衬砌变形图、弯矩图和轴力图,绘制了主隧道管片在3种切削阶段下应力云图,并与原型管片加载试验结果对比验证了模拟结果的准确性。主要研究结论如下:内支撑体系可为主隧道分担水土压力,有效减小管片整体内力与竖向变形;联络通道破洞后,切削区管片洞口表现出悬臂效应,最大位移位于全切削环洞口下侧,在破洞后应尽快施作强支护加固,限制管片开口处变形进一步发展;刀盘磨削管片过程中,半切削环弯矩变化相对于全切削环具有滞后性,两者均在靠背侧拱腰部位产生弯矩最大值,轴力总体上则从拱腰至拱顶底较为平滑地减小;在切削阶段,管片洞口外壁与靠背侧中部存在应力集中,半切削环与标准环的交界处发生了应力突变,应适当加大钢隔舱管片与普通混凝土管片之间的连接螺栓强度,避免螺栓破坏引起主隧道管片错台。

基于组合赋权的白云岩隧洞超前支护综合评价

为解决滇中引水工程剧烈砂化白云岩隧洞超前小导管支护效果不佳、超挖超耗严重等问题,通过数值模拟计算了以超前小导管长度、环向间距、循环进尺为因素设计的正交工况。根据数值模拟计算结果,基于主客观组合赋权对围岩变形、结构受力和施工成本等指标进行了综合评价。研究结果表明:增大超前小导管长度和减小循环进尺分别可以有效控制拱顶沉降和隧洞侧壁收敛,结构受力受循环进尺影响程度最大,小导管长度和循环进尺对施工成本的影响稍大。结合综合评价以及现场试验结果,在依托工程的剧烈砂化白云岩地层条件下,超前小导管支护参数宜为长度3 m、环向间距0.2 m、钢架间距0.6 m、循环进尺1.8 m,经监测该参数组合下围岩稳定性良好,掉块现象减少,超挖控制效果增强。

特大断面小净距公路隧道爆破动力响应研究

依托成都龙泉山一号隧道,运用等效荷载法进行数值模拟计算,对不同开挖步序、不同净距下隧道施工对既有隧道结构的动力响应特性进行了研究,结果表明:(1)由于缺少临空面,后行隧道开挖步序1对衬砌结构影响程度最大,而步序2和步序3对结构的影响较小;(2)不同开挖步序下,后行隧道结构的振速峰值较大处主要出现在迎爆侧的边墙、拱腰和拱脚位置,监测点振速最大值为5.665 cm·s^(-1);(3)先行隧道逆掘进方向的综合振速峰值总体持续衰减,而沿掘进方向,振速峰值上下波动,在一定范围内有升高的趋势;(4)不同步序下后行隧道结构的振速峰值出现在左拱腰、左侧仰拱和右拱肩处,监测点振速最大值为5.387 cm·s^(-1);(5)迎爆侧振速受净距影响敏感,而背爆侧振速峰值随净距变化不明显,变化幅度在2.5%以内;(6)同一净距条件下,先行隧道迎爆侧监测点X向的振动速度峰值最大,Y向次之,Z向最小;(7)隧道右边墙附近的结构固有频率可能处于14.25~18.0 Hz之间,结构对该频段的应力波响应敏感。

高速列车振动下软土震陷对水下盾构隧道的影响

依托广州至湛江高速铁路湛江湾海底隧道工程,建立“地层-隧道-道床”数值模型,从不同软土层厚度和软土层相对位置两方面,研究高速列车振动下软土震陷对盾构隧道结构的影响。结果表明:盾构隧道沉降随软土厚度增加而增加,而加速度响应与软土厚度关系不大,速度响应初始时变化不大(软土厚度11.0~20.0 m),而后有所下降(软土厚度20.0~21.5 m),最后又迅速增大(软土厚度21.5 m以上);盾构隧道的动力响应受软土层位置影响较大,隧道未通过软土地层时,沉降量与速度值较小;隧道部分通过软土地层时,沉降量与速度值随着断面通过软土的比例增加而较快增加;隧道全断面通过软土地层时,沉降量与速度值增长迅速。

剪切荷载作用下盾构隧道带新型定位榫管片的力学特性

基于成都某地铁工程应用的一种带新型定位榫的盾构隧道管片结构,运用ABAQUS软件分别建立有无定位榫的管片接头三维精细化模型,研究该定位榫对连接螺栓受力、管片塑性区分布以及管片错台量的影响,探究其在管片结构抗剪中的作用机理。结果表明:定位榫在管片受剪时承担总剪力的52%;定位榫能显著降低螺栓的受力,有定位榫后螺栓的轴力峰值至少下降75.1%、剪力峰值下降76.4%;有定位榫后螺栓塑性应变范围有所增大,但螺栓上下两侧的塑性应变峰值分别减小80.5%和90.6%;固定定位榫的凹槽对管片接缝面有削弱作用,导致管片环向和纵向的相对塑性区宽度分别增加93.7%和44.2%,但管片的最大塑性应变峰值减小7.2%,同时螺栓对管片径向的挤压也有所减小;剪切荷载小于460 kN时,带定位榫的管片错台量略大,剪切荷载超过460 kN后,带定位榫管片的错台量更小且增长速率更低。带新型定位榫的盾构隧道管片能够有效保护连接螺栓,改善接头力学性能。

小净距三洞并行公铁隧道近接施工及爆破振动影响研究

依托甬舟公路孙家湾1号隧道与甬舟铁路牛皮岭下隧道并行段,通过数值计算,对三洞并行隧道中间铁路隧道先行情况下,公路隧道施工顺序、二衬施作时机及工法步距开展研究,并探究了公路隧道爆破对中间铁路隧道二衬的影响,对孙家湾1号隧道的安全净距及在不同工况下的振速进行研究。主要研究结论为:(1)塑性区集中在开挖范围中下部及公路右线与铁路隧道中夹岩处,中间铁路隧道受公路隧道开挖扰动影响左右拱腰产生较大水平变形;(2)小净距三洞并行隧道中间铁路隧道先行,宜采用公路左线-公路右线的开挖顺序,铁路隧道二衬施作完后再施工公路隧道,采用CD法施工,并设置公路左右线步距为50 m;(3)对不同围岩级别、开挖进尺、工法的9种工况爆破施工对中间铁路隧道二衬影响进行探究,得出各工况下振速传播路径、最大部位、振速数值是否满足要求,并对爆破施工提出针对性意见;(4)Ⅳ级围岩、采用CD法施工,孙家湾1号隧道爆破施工极限安全净距为11.5 m,净距小于11.5 m时建议采用机械开挖。

新建公路与铁路隧道小净距交叉段施工方案研究

为探明公路与铁路小净距交叉段近接施工的相互影响及合理施工方案,依托甬舟公铁路隧道大交角小净距交叉段与小交角小净距交叉段,通过数值计算分析小净距隧道施工扰动、施工顺序、二衬施作时机、施工工法等影响,确定小净距交叉段的合理施工方案。研究得出以下结论:针对大交角极小净距交叉隧道,塑性区发生贯通,初支应力出现在交叉隧道连线;为减小塑性区、初支受力与二衬受拉,并避免铁路隧道拱顶隆起及公路隧道拱腰收敛过快增长,选择先铁路后公路的顺序;为减小支护受拉、横通道锚杆受力与铁路隧道初支受压并避免应力偏移选择全断面施工;针对小交角小净距交叉隧道,塑性区集中于隧道上下侧及交叉隧道中夹岩,交叉隧道水平变形连通并在公路隧道拱顶发生较大初支变形。先开挖铁路隧道塑性区分布及围岩隧道受力变形更优,在公路隧道开挖后再施作二衬会增大铁路隧道四周及拱底塑性区并造成围岩隧道受力变形增大,全断面在锚杆受力及隧道变形上最优因而被选用。

砂卵石地层地铁隧道联络通道冻结设计参数影响分析

随着城市地下工程施工技术的快速发展,地铁隧道横通道的人工冻结技术也逐渐被广泛应用。基于冻土温度场计算理论,采用ABAQUS有限元软件,分析了地铁隧道联络通道施工设计中冻结管分别采用单排冻结管、双排冻结管和单双排冻结管相结合3种布置类型下的冻结壁温度场时效演化规律。结果表明:采用单排冻结管或双排冻结管形式进行45d冻结后,冻结帷幕厚度难以满足施工设计安全要求或者造成经济浪费,而当采用单双排冻结管结合的布置形式时,既可满足开挖施工冻结壁厚度要求,也能避免冻土过多侵入开挖界限。

中等砂化白云岩小断面隧洞控制爆破技术:以滇中引水工程玉溪段隧洞为例

白云岩砂化是白云岩分布区一种特殊的岩溶地质现象,中等砂化白云岩岩体呈块状破碎结构,爆破以及超欠挖控制难度很大。为降低施工风险,减少超挖超耗,依托滇中引水工程扯那苴隧洞前段,开展了中等砂化白云岩小断面隧洞控制爆破参数优化研究。采用LS-DYNA软件,建立了砂化白云岩周边孔爆破模型,研究了不同光面爆破参数对岩体爆破裂纹扩展的影响,通过不同工况下的对比研究,提出了适用于中等砂化白云岩的光面爆破设计参数的合理取值范围。结果表明:周边孔间距取30~70 cm、径向不耦合系数小于2.6、最小抵抗线距离取30~60 cm、周边孔密集系数介于0.6~1.3时,爆破效果良好。在此基础上,总结形成了相应的控制爆破技术,施工效果与数值模拟结果吻合较好。

盾构隧道管片上浮力学特性精细化模拟分析

针对盾构隧道施工阶段的管片上浮问题,计算地层抗力系数和管片横向刚度有效率,建立盾构隧道管片上浮三维荷载-结构计算模型,分析上浮荷载作用下管片结构与接头螺栓的力学特性。结果表明:考虑注浆压力时管片均出现上浮,最大上浮量出现于盾尾第6环管片处;管片顶底部和左右两侧的Mises应力均先增大后减小,在上浮荷载作用下管片环呈上下挤压状态;盾尾第6环管片的上浮位移和应力较大,管片左右两侧螺栓的剪应力大于管片顶底部。

盾构下穿施工对高速铁路无砟轨道变形影响的解析算法及验证

为更准确地反映盾构施工扰动下高速铁路无砟轨道的变形,采用给出假定、公式推导、数值验证相结合的方法:(1)将路基-轨道的变形传递假定为3个阶段,即无变形阶段、沉降槽形成阶段、轨道下沉阶段,认为轨道结构最终是否发生脱空取决于路基沉降槽的大小;(2)基于假定,结合梁的挠曲线方程、弹性地基梁理论以及Peck公式推导相应的解析计算方法,并应用在典型地层条件中计算上部CRTSⅡ型纵连板式无砟轨道的最大沉降值;(3)建立相应的地层-路基-轨道三维数值模型,计算轨道最大沉降值,并与同工况下的解析计算结果进行比较。结果表明,相较于数值仿真结果,主体砂卵石、主体泥岩2种地层条件下轨道最大沉降值的解析计算结果误差分别为12%和5%,说明了假定的合理性和解析方法的可行性。

等效荷载法在超大断面公路隧道爆破数值计算中的适用性

为了探究选取最优的计算方法研究超大断面公路隧道爆破施工对先后行隧道的影响,分别采用流固耦合法、初始体积分数法和等效荷载法建立单孔爆破有限元模型模拟单孔耦合装药情况下的爆破过程,从岩体破碎效果、计算效率等方面对比选定等效荷载法为最优的计算方法,并建立隧道数值模型应用等效荷载法计算研究后行隧道爆破对先后行隧道结构的影响。结果表明:①后行隧道爆破施工时先行隧道综合振速显著区域出现在隧道掘进方向上,逆隧道掘进方向隧道衬砌动力响应程度较小;②先行隧道受影响最大位置为迎爆侧右边墙,影响最小位置出现在背爆侧左拱脚;③后行隧道监测断面振速最大值出现在左拱腰位置,施工时要重点监测。

盾构千斤顶不良顶推作用下地铁管片衬砌开裂特性

为指导地铁区间隧道施工盾构掘进控制和管片衬砌防裂设计,建立考虑接头-管片的盾构隧道装配式衬砌结构数值模型,基于混凝土弥散开裂本构模型,研究直线段管片衬砌在千斤顶轴向倾斜以及千斤顶端面侧移两种不良顶推作用下管片衬砌的开裂特性.研究结果表明:在上述2种不良顶推力下,顶推导致的管片衬砌裂缝主要分为封顶块螺栓孔裂缝、手孔纵向裂缝和管片环面纵向裂缝3类;当千斤顶出现轴向倾斜致裂时,拱顶封顶块环向螺栓孔处的裂缝宽度最大,且当轴向倾斜角度达到3°时,3类裂缝宽度均已超过施工的允许值;当千斤顶端面侧移致裂时,衬砌环面及封顶块环向螺栓孔位置处的宽度最大,其中端面整体向下侧移是最为不利的情况;管片衬砌开裂将导致裂缝位置处钢筋应力增大,相同开裂位置处的钢筋应力-裂缝宽度关系基本不受顶推力倾斜角度变化的影响,裂缝的宽度与钢筋的应力呈正相关关系.盾构施工时,应严格控制盾构掘进不良顶推作用,对容易产生裂缝的位置建议加强配筋以控制裂缝的发生.

小净距隧道施工小导管注浆效果的数值模拟分析

利用有限差分法,对软弱围岩小净距隧道进洞施工中两种小导管注浆加固范围的加固效果进行了对比分析,揭示了施工过程中两种加固范围对隧道周边变形和应力的影响。研究结果表明:增加对雁形部上部范围加固的方案较仅加固中间岩柱的方案有利于施工的安全。

盾构隧道管片环向接头刚度的解析分析法

基于盾构隧道管片接头的细部构造,分析在正、负弯矩作用下接头分离前后接头的不同力学机理。通过建立接头力学平衡关系,给出在正、负弯矩作用下接头分离前后接头的抗拉刚度和抗弯刚度的非线性解析公式,以及接头的抗压刚度和抗剪刚度的线性解析公式。利用给出的解析公式获得接头的力学参数,通过建立匀质圆环模型、线性接头模型和非线性接头模型3种有限元模型,对比3种模型的内力和变形特征。结果表明:接头抗弯刚度会在接头分离时出现突变,此后接头抗弯刚度较分离前会表现出一定程度的减弱;螺栓预紧力是影响接头分离时螺栓拉力的主要因素,决定接头分离时的分离转角;考虑接头效应,衬砌的弯矩和剪力都会出现明显的减小,衬砌变形会出现较大程度的增加,但对轴力影响较小;管片环向接头分离后,接头抗弯刚度减弱,管片环弯矩尚有进一步减小,变形尚有进一步扩大的趋势。

软岩小净距隧道施工力学效应研究

以软岩小净距隧道在不同开挖方式下达到稳定后围岩和复合衬砌的力学效应为对象,重点分析不同开挖方式下锚杆、喷射混凝土层和二次衬砌的受力特点,考察不同净距对中夹岩柱塑性区的影响。结果表明:施工小净距隧道应慎重选择后继施工隧道的开挖方式;后继隧道施工的开挖方式直接对先行既有隧道锚杆、喷射混凝土层和二次衬砌应力状态产生很大影响;中夹岩柱塑性区大小与净距紧密相关,同时,隧道埋深和围岩类别也是影响塑性区大小的重要因素。