大断面公路隧道临近溶洞开挖稳定性模型试验研究

为探明三台阶开挖中半揭露溶洞对大断面公路隧道稳定性的影响,以李洞隧道为研究对象,通过模型试验和理论分析,研究不同位置、不同尺寸溶洞对隧道围岩变形及初期支护结构受力特征的影响。结果表明:1)不同位置、不同尺寸溶洞存在下隧道拱顶沉降及周边收敛时程曲线均呈"S"形变化,大致分为初期缓慢增长-突变-增长减缓-稳定4个阶段。2)掌子面挤出随溶洞内压变化呈现"指数型"增长,具有明显的内压突变点,仰拱位置处溶洞突变内压最低、边墙位置处溶洞突变内压最高,直径越小的溶洞对应的突变内压越高。3)溶洞位置对近侧的支护结构影响较大,对于远侧的支护结构影响偏小。改变溶洞位置,隧道钢拱架左侧的轴力呈现一定的波动,而右侧的轴力趋于稳定。

考虑随机裂隙的寒区隧道冻胀力研究

研究目的:为进一步研究围岩和衬砌结构的冻胀力,以2022年冬奥会重大交通保障项目金家庄特长螺旋隧道为依托,通过现场实测、室内试验和COMSOL数值模拟相结合的方法,探究考虑随机裂隙条件下,孔隙率、渗透率、随机裂隙孔径和模型下边界水头对冻胀力量值和分布规律的影响。研究结论:(1)衬砌结构的最大拉、压应力随孔隙率的增大而增大,随渗透率、随机裂隙孔径和下边界水头的增大而减小;(2)衬砌内、外边缘的第一主应力在拱腰处最大,内边缘第三主应力最大值位于拱脚处,而外边缘第三主应力量值由拱顶到仰拱逐渐降低;(3)围岩最大拉、压应力随着孔隙率和下边界水头的增大而增大,随着渗透率和随机裂隙孔径的增大而减小;(4)拱顶截线A的主应力量值及变化范围随孔隙率的增大而增大,随渗透率、随机裂隙孔径和下边界水头的增大而减小;(5)本研究结果可为寒区隧道冻胀力的量值大小和分布规律研究提供借鉴参考。

阳城隧道土砂分界地层隧道围岩变形特征及控制工法研究

为解决采用三台阶法施工的土砂分界地层隧道围岩变形控制难题,以浩吉铁路阳城隧道为依托,采用室内试验、数值模拟和理论分析等方法对不同隧道埋深及土砂分界位置(土砂比,即土层厚度与砂层厚度之比)下的隧道围岩变形规律进行研究,并提出围岩变形控制工法的选取原则。研究结果表明:1)不同隧道埋深及土砂比情况下的围岩变形曲线可分为变形预发展阶段、变形快速发展阶段、变形缓慢发展阶段和变形稳定阶段4个阶段,且均可采用Boltzmann函数进行良好拟合;2)当土砂比由0∶1增至1∶0时,隧道拱顶沉降、边墙水平收敛和仰拱隆起对土砂分界面的位置变化具有不同的响应规律;3)提出适用于采用三台阶法施工的土砂分界地层隧道围岩变形控制工法选取原则,并通过计算证明,该原则可有效指导围岩变形的控制。

新建隧道双侧近接既有隧道施工风险评价研究

研究目的:浦梅铁路新建隧道双侧近接既有浅埋偏压隧道工程的不良地质问题突出,近接形式独特,施工风险影响因素复杂多样。为合理评价近接既有隧道工程的施工风险,本文对经典可拓法进行改进,提出专门针对新建隧道双侧近接既有隧道工程的施工风险评价模型,并以浦梅铁路双侧近接段作为算例进行验证。研究结论:(1)在经典可拓法的基础上引入层次分析法进行权重计算,并通过距离函数确定评价指标的综合权重,可提高评估结果的合理性;(2)建立了完整的新建隧道双侧近接既有隧道施工风险评价模型,构建了对应的风险评价指标体系,通过关联函数和综合权重实现施工风险等级评定;(3)利用建立的评价模型对浦梅铁路双侧近接工程实例进行风险评价,得出其施工风险等级为3. 4级,属于"高度风险"偏向"极高风险";(4)本研究结果可为新建隧道双侧近接既有隧道风险评价提供借鉴。

曲线寒区隧道保温层铺设长度计算方法研究

为探究隧道曲率对保温层设计以及隧道纵向温度场分布的影响,以河北延崇高速金家庄隧道为研究对象,采用理论推导、CFD模拟的方法探讨隧道曲率对寒区隧道温度场分布特征的影响,并推导出不同曲率下的隧道保温层铺设长度计算方法。研究结果表明:1)隧道的曲率造成了隧道内空气的非对称流动,进而造成隧道左右侧对流换热不对称,以及温度分布的不对称,且曲率越大,非对称现象越明显;2)隧道内外侧的边界层空气速度差异随曲率的增大而增大,由于离心力造成的偏移效应在隧道进洞深度150 m处出现并迅速达到稳定;3)提出的保温层铺设长度计算公式考虑了曲率造成的隧道内温度非对称现象,可用于计算不同曲率隧道的保温层铺设长度。

考虑随机裂隙的高寒隧道温度场和保温层研究

研究目的:为进一步探究温度场的变化规律和保温层敷设厚度问题,以2022年冬奥会重大交通保障项目金家庄特长螺旋隧道为依托,通过现场实测、理论分析和COMSOL数值模拟相结合的方法,建立隧道围岩区的随机裂隙模型,研究孔隙率、渗透率、随机裂隙孔径和水头对温度场的影响,并基于温度场进一步对比解析解和数值模拟的保温层设计厚度。研究结论:(1)径向温度值及其变化速率随围岩孔隙率和渗透率的增大表现为增大趋势,随着随机裂隙孔径和下边界水头的增大,径向温度值表现为增大,变化速率则表现为减小的趋势,孔隙率对温度场影响最大,渗透率对温度场影响最小,径向温度分布规律可用Asymptotic1模型表示;(2)由于随机裂隙和渗流的影响,衬砌和围岩接触面的温度值不完全对称,但总体表现为从拱顶到仰拱逐渐升高;(3)孔隙率和渗透率对冻结深度的影响可用Exp3P2模型表现,随机裂隙孔径和下边界水头对冻结深度的影响可用Exp Dec1模型表现,理论分析和数值模拟结果说明保温层厚度的解析解较数值模拟大;(4)本研究结论可为相关寒区隧道的温度场发展、分布规律和保温层厚度设计提供借鉴或参考。

隧道双侧近接既有偏压浅埋隧道施工影响研究

研究目的:浦梅铁路新建隧道双侧近接既有偏压浅埋隧道工程的不良地质问题突出,近接形式独特,施工过程中缺乏有效的理论和实践方法指导。本文以该工程为依托进行拓展研究,利用数值模拟和理论分析方法,对不同偏压角度和净距条件下的近接施工影响规律进行系统研究。研究结论:(1)偏压角度增加会提高近接施工的扰动性,主要表现为既有隧道的拱腰及以上部位变形增大、边墙以上部位塑性区范围扩大,结构受力增加、对边坡稳定性干扰加重;(2)既有隧道拱顶由于卸荷回弹会发生抬升变形,且随着S_(1)增大呈现先增大后减小的变化规律,在S_(1)=0.5D取得最大值;两侧拱腰由于坡体失稳会发生浅埋向变形,且随着S_(1)增大呈现先减小后增大的变化规律,在S_(1)=0.5D取得最小值;(3)既有隧道衬砌结构在墙脚部位发生显著应力增长,在实际受力监测过程中,对于边墙以上部位应重点关注深埋侧,边墙以下部位应重点关注净距较小侧;(4)当浅埋侧隧道与既有隧道净距较大时,应做好边坡防护;(5)本研究结果对于隧道双侧近接既有偏压浅埋隧道施工影响及其相关研究具有一定参考借鉴作用。

深埋风积沙地层隧道掌子面失稳特征研究

研究目的:风积沙是一种黏聚力低、自稳能力差的土体,给隧道设计和施工带来很大困难。本文研究旨为揭示不同掌子面角度下深埋风积沙地层隧道的掌子面失稳特征,从而反馈设计施工。研究结论:(1)掌子面前方失稳区呈楔形状,再向上扩展形成封闭的灯泡状区域,随着掌子面角度增大,失稳区下部扩大,上部缩小,掌子面稳定性逐渐改良;(2)掌子面角度对于失稳区的纵向、横向尺寸影响不大,失稳区前边界约为掌子面前方1倍洞径处,横向跨度约为2倍洞径;(3)失稳土体中存在压力拱,其顶点位于拱底上方1~2倍洞径间,随着掌子面角度增大,失稳区形成的压力拱顶点在下移,跨度在减小;(4)本文推导了适用于深埋风积沙地层的掌子面支护力计算公式,并提出了相关设计施工建议;(5)本研究成果可应用于深埋风积沙隧道,尤其是台阶法或盾构法开挖的隧道。

传热系数及围岩条件对寒区隧道温度场影响

研究目的:以2022年冬奥会重大交通保障项目金家庄特长螺旋隧道为依托,通过现场实测、理论分析和COMSOL数值模拟相结合的方法,建立隧道围岩区的随机裂隙模型,研究传热系数、围岩初始温度、导热系数和比热容对温度场的影响,并建立围岩初始温度与保温层设计厚度间的数学关系式。研究结论:(1)围岩导热系数和初始温度对径向温度场的影响较传热系数和比热容大,但其温度变化规律均可用Asymptotic1模型表现,导热系数对径向温度场的影响以距离拱顶0.71 m处为界;(2)衬砌与围岩接触面的拱顶温度及平均温度均随着传热系数的增大而减小,随围岩导热系数、初始温度和比热容的增大而增大;(3)冻结深度随围岩导热系数的增大而增大,随初始温度的增大而减小,保温层设计厚度随初始温度的变化可用ExpDec1模型表现;(4)本研究结论可为寒区隧道的设计、施工及后期运营维护提供借鉴参考。

富水大断面公路隧道水压模型试验及衬砌结构力学行为研究

为研究隧道衬砌在围岩压力及外水压力综合作用下的受力特征、结构安全性及破坏过程,采用自制的均匀水压模拟加载装置及隧道地层复合试验台架,实现对围岩压力及外水压力的分别控制加载,完成在深埋条件下不同外水压力作用下衬砌结构受力模型试验。运用ANSYS有限元软件分阶段计算衬砌在水土压力作用下的受力特征,计算各部分安全系数,并与试验结果对比分析。研究表明:采用抽真空的方法模拟外水压力时,外水压力值越大,试验结果越接近真实情况,当外水压力达到150 kPa时,其差值可控制在5%以内;在外水压力及围岩压力的作用下,墙脚及拱底分别受最大正弯矩及最大负弯矩作用,且安全系数较其他位置小;随着外水压力的增大,衬砌所受的轴力及弯矩持续增大,且增大速率基本呈线性,其中墙脚位置增长速率最快;随着荷载的增大衬砌结构墙脚最先发生破坏,墙脚裂缝发展导致衬砌结构应力重分布,最终引起拱底开裂;墙脚的裂缝导致墙脚处承受的正弯矩不断减小,拱底承受的负弯矩不断增大,安全系数不断减小;当墙脚的裂缝宽度发展至1.5~2.0 mm时,试验数据及数值模拟结果计算所得拱底安全系数降低至1.5左右,拱底不再满足承载要求,与试验中衬砌的开裂行为相吻合。所提出的模型试验方案可为类似模型试验提供参考,研究成果可为富水大断面公路隧道的设计及安全评估提供依据。

浅埋偏压双侧近接隧道影响分区及对策研究

新建隧道施工会引起围岩应力重分布,从而对邻近既有隧道产生较大的影响。文章依托浦梅铁路新建武调1号隧道和武调隧道双侧近接向莆铁路既有武调隧道工程,采用理论研究的方法建立了适用于双侧近接既有隧道影响度的表达式,得到了基于结构位移准则和结构可靠度准则的两种近接影响分区。通过数值模拟、回归计算的方法完成了两种双侧近接影响分区,结果表明:相比基于结构可靠度准则的近接影响分区,基于结构位移准则的近接影响分区方法中强影响区范围较小,弱影响区范围较大。对处于不同影响分区的既有隧道、新建隧道、中间土体提出了对应的适用于依托工程的施工对策。在不同影响分区范围内,对既有隧道结构位移、衬砌应力进行监测。监测结果显示:当采取既定的施工对策后,既有隧道结构位移、衬砌应力均得到了很好的控制,既有隧道受左侧新建偏压隧道的影响大于右侧新建隧道。

考虑渗流与裂隙作用的寒区隧道保温层厚度计算方法

裂隙以及渗流作用对寒区隧道温度场的影响不可忽视。以延庆—崇礼高速公路河北段棋盘梁特长隧道为依托,建立考虑渗流的随机裂隙模型,探究不同因素对隧道冻结深度的影响,从而构建保温层厚度计算公式。研究结果表明:(1)隧道进口最冷月负温段的长度为172 m,最低温度负温段的长度为273 m;出口处最冷月负温段的长度为238 m,最低温度负温段的长度为292 m,洞口段300 m范围内应为抗防冻重点。(2)裂隙的存在对温度场的分布有不可忽视的影响,受裂隙“阻隔”作用影响,隧道断面包络线呈现不均匀性,冻深以拱顶处最大。(3)冻深与孔隙率、渗透率、比热容和围岩初始温度呈负相关,与导热系数和传热系数呈正相关。冻结深度对各因素的敏感性排序为:初始地温>比热容>孔隙率>导热系数>传热系数>渗透率。(4)构建的保温层厚度计算公式考虑了裂隙以及渗流作用的影响,得到棋盘梁隧道进口段保温层厚度为4.2 cm,出口段保温层厚度为4.8 cm。