高地应力软岩隧道超前平行导洞开挖对主洞影响:以玉龙雪山隧道工程为例

为研究高地应力软岩隧道超前平行导洞开挖对主洞影响,依托玉龙雪山隧道工程,基于现场长期监测数据,结合有限差分程序FLAC3D建立数值分析模型,研究超前平导对主洞围岩应力、围岩位移和塑性区分布的影响,探明主洞与平导间最优间距。研究结果表明:主洞开挖过程中,当掌子面超过监测面3.63倍主洞宽度的距离后,监测面拱顶沉降、上收敛、中收敛和下收敛值占最终变形值的80%以上,围岩变形稳定后上收敛值和中收敛值均大于拱顶沉降;平导超前开挖可有效改善主洞围岩应力环境,主洞与平导间距较大时,围岩应力改善效果不佳,随着二者间距逐渐减小,围岩应力改善效果逐渐增强,但主洞与平导间距过小时,二者开挖产生的塑性区会贯通,综合考虑,确定主洞与导洞最优间距为3.5倍导洞宽度;主洞拱顶沉降值和仰拱隆起值随着主洞与平导间距的减小而增大,左右拱腰水平位移值随着主洞与平导间距的减小先减小后增大。

地震作用下高填减载明洞土压力研究

针对西北黄土高原地区高填方减载明洞工程,明洞顶部铺设EPS板可以有效减小明洞周围土压力,保证结构安全。然而,由于填土的动力高敏感性,地震作用将会对已经稳定的回填土体产生扰动,导致明洞结构周围土压力发生较大变动,对明洞结构造成不利影响。因此,采用数值模拟方式,对地震作用下的高填减载明洞周围土压力变化特性及土拱效应进行研究。研究结果表明:地震作用下,由于减载作用产生的土拱效应始终存在,使得土拱高度降低和效应减弱;明洞顶部竖向动土压力时程曲线在距明洞中央0~5 m范围内变化趋势一致,在距中央5~7 m范围内变化趋势相反,当明洞顶竖向动土压力达到峰值时,平均竖向动土压力为平均竖向静土压力的1.14倍;明洞两侧水平动土压力时程曲线变化趋势呈“此消彼长”状态,当水平动土压力达到峰值时,平均水平动土压力为平均水平静土压力的2.89倍。

地震作用下高填减载明洞土拱形态及衬砌结构动力响应研究

土拱作为高填减载明洞中荷载传递的媒介,可以改善结构受力,确保结构安全。然而,西北黄土地区地震活动频繁,建设在该地区的高填减载明洞势必会受到地震荷载的影响,改变静载作用下形成的土拱形态,并引起结构的动力响应。因此,文中采用数值模拟,确定了回填土中的土拱形态,并对地震作用下的土拱形态演化和衬砌结构动力响应进行研究。研究结果表明:竖向动土压力时程曲线在距明洞中央6 m范围内变化趋势相似,在距明洞中央6~8 m范围内变化趋势相反,明洞左右两侧水平动土压力时程曲线呈“此消彼长”变化;原本对称的土拱向左倾斜,土拱顶部高度降低,而底部高度升高,明洞顶土拱厚度减小了18.36%,左右两侧边坡处土拱厚度H_(3)和H_(4)分别减小了10.56%和11.43%;衬砌结构左右两侧边墙底部弯矩放大系数分别高达15.30和19.55,衬砌结构仰拱左侧位置处轴力放大系数高达22.54,明洞进行抗震设计时,应该对衬砌结构仰拱位置处的抗拉能力和左右两侧边墙底部的抗弯能力给予关注。

基于PFC^(2D)的高填黄土减载明洞土体固结蠕变分析

为探究黄土固结蠕变对减载明洞(cut-and-cover tunnel, CCT)周围土压力及土体位移的影响,首先通过离散元软件PFC^(2D)建立虚土减载的高填黄土明洞(high-filled cut-and-cover tunnel, HFCCT)模型,研究了明洞洞顶土压力,不同填方深度处的竖向土压力和竖向位移,填土表面沉降及土颗粒接触力链随黄土(填土和虚土)固结蠕变的演化规律,并就相关影响因素[虚土(relatively low-compacted soil, RLC)厚度、宽度、矢跨比]变化对考虑土体固结蠕变条件下明洞受力的影响进行了参数化分析,确定了虚土减载时的最佳参数取值。结果表明:虚土减载时,由于其压实度较低,压缩性较大,能够在土体内部激发土拱效应,具有减载效果;随着土体的固结蠕变,土颗粒间的接触趋于紧密,压缩性降低,土拱效应逐渐消失,减载效果被削弱;伴随土体的固结蠕变,减载明洞各层的竖向土压力及竖向位移呈现先增大、后回调、最终稳定的特征;明洞顶的接触力链由稀疏变为密集,分布趋于均匀,说明固结蠕变促进了土体内部的应力重分布,土颗粒间接触更加紧密,各土层的应力分布趋于均匀;当土体的固结蠕变基本稳定时,填土表面的竖向沉降量将达到累积沉降量的90%以上。明洞在考虑土体固结蠕变影响时,虚土的最佳减载厚度为6.0 m,最佳减载宽度为12.8 m,最佳矢跨比为0.7。

高地应力挤压性围岩隧道交叉段变形及结构力学特性研究

为探究隧道交叉段的非对称变形特征与结构破坏形式,提出挤压性大变形下交叉口的合理型式与适宜支护体系,以丽香铁路玉龙雪山隧道为工程背景,基于现场监测,对交叉段的结构变形与偏压特征进行研究,在此基础上通过数值模拟,分析交叉口影响范围以及合理交叉口型式对隧道支护效果的影响。研究结果表明:交叉段的支护结构在挤压性围岩作用下,呈现出显著的非对称变形与偏压特征,支护破坏多发生于拱肩、拱腰;平导以45°斜交段汇入主洞再扩挖,锐角侧与钝角侧主洞支护存在应力集中,锐角侧支护应力值更大、变形值更小,结构偏压严重;在锐角侧的主洞结构偏压方向与距离交叉口的距离有关,在距离为0.98D~1.26D时结构偏压方向出现反转;对比45°斜交叉口,“h型”交叉口在分配主洞轴向应力、洞周应力和变形上更加合理。