运营期浅埋公路隧道拱顶覆土层力学分析模型及沉降规律研究

浅埋盾构隧道下穿既有公路时,车辆荷载作用下隧道拱顶不同深度覆土层会发生沉降,针对这一问题,提出一种盾构过程中拱顶覆土两阶段沉降分析模型,采用ABAQUS数值模拟(FEM)验证本文所建立沉降模型的正确性。研究结果表明:对Peck公式中土体体积损失参量进行修正并基于非线性荷载作用下的Boussinesq解所建立的等效地表两阶段沉降分析模型能有效预测车辆循环荷载和隧道盾构耦合作用下盾尾拱顶覆土沉降发展规律。在盾构过程中,盾尾拱顶覆土沉降扰动增加区段位于接近区至下穿区前2/5处,下穿区出现沉降峰值后进入沉降扰动平缓区段,远离区为沉降扰动减小区段,沉降发展规律符合Protodyakonov压力拱理论,沉降增加主要发生在压力拱破坏期间;盾构完成后,车辆循环荷载影响5 m左右深度的覆土层沉降,深度大于5 m时车辆荷载发生应力扩散,沉降主要影响因素为隧道开挖造成的土体体积损失。

基于时空特征的隧道拱顶沉降预测研究

针对隧道拱顶沉降问题,基于深圳某暗挖隧道工程,提出一种结合卷积神经网络(CNN)、时间卷积神经网络(TCN)和注意力机制(Attention Mechanism)的新型拱顶沉降预测模型(CTA).首先,用CNN模型提取数据的空间特征,以挖掘不同特征对沉降的影响;然后,利用TCN模型捕捉沉降数据的时序特性,提升模型计算效率;最后,利用注意力机制捕捉重要时间节点信息,得出预测结果.CTA模型得到的MAE、RMSE值最小、R2值最大的结果表明CTA模型的预测效果最优,可以准确预测隧道拱顶沉降.

基于数据驱动的盾构施工拱顶沉降研究

在城市地铁盾构法施工过程中,盾构机姿态较难控制,文章依托深圳地铁某工程,将数据驱动运用到土木工程领域,挖掘数据中蕴含的工程价值,整理了衬砌管片变形监测数据,再将工程数据做可视化处理,分析变形量的最大值,得到了整个区段净空收敛和拱顶沉降的规律和特点,分析区段净空收敛和拱顶沉降最大值、最小值和平均值以及曲线走势,得到净空收敛和拱顶沉降在同一断面位置上的数据近似相等,在曲线趋势上呈现一致性的变化规律。横向对比地质条件接近的左、右线的衬砌变形数据,可知同类项的地层下,净空收敛和拱顶沉降变形的三值接近,并无明显差异。文章根据盾构穿越的不同地层,分析净空收敛和拱顶沉降的规律,得到整个区间净空收敛和拱顶沉降变形的规律和特点,同时发现隧道在穿过不同地层时,净空收敛和拱顶沉降变形量会与地层有关,并提出了在盾构施工穿越风化花岗岩、风化含砾粗砂岩和中粗砂时,适合当前施工和量测技术水平的衬砌变形中净空收敛和拱顶沉降的建议控制值。

基于地基雷达监测隧道拱顶沉降的研究及应用

目前我国正逐渐由交通大国向交通强国转变,为保证隧道开挖过程中的施工安全,隧道拱顶沉降监测是隧道施工必要的项目,文章提出一种基于地基雷达监测隧道拱顶沉降的方法,该方法针对传统的隧道位移监测仪器布设繁琐、精度低、效率低等问题做出了改善,实现由点检测到面监测,扩大了监测范围,且提高对各类观测场景进行微小形变位移信息的采集能力以及快速准确获取观测目标高精度的位移形变信息,所监测的参数包括隧道顶板的沉降位移、沉降速度、沉降范围等。并在工程现场进行试验,试验结果与隧道真实情况相符合,地基雷达监测技术在隧道拱顶沉降监测方面有很大的前景。

深埋隧道开挖围岩失稳突变模型研究

在分析隧道开挖引起围岩失稳基础上,认为深埋隧道围岩的失稳是一种突发破坏现象,具有明显的非线性和不连续性质,主要表现在力学变形性质的不确定性、本构关系的非线性和破坏过程中的突变性。运用突变理论探讨了深埋隧道失稳的机制;根据总势能原理,建立了隧道失稳的尖点突变模型,导出了失稳的力学判据条件;并基于深埋隧道典型断面拱顶下沉量现场量测的数据,计算出拱顶下沉函数的各变量值,由各监测断面位移突变阀值来判别深埋隧道围岩的稳定性,分析结果与实际施工围岩情况一致。研究成果可为预防深埋隧道围岩失稳、采取合理的施工工艺和支护措施提供参考依据。

隧道下穿采空区的监测及结果分析

以山西灵石隧道下穿采空区段为研究对象,通过有限元数值模拟分析得出隧道洞室的拱顶下沉和周边收敛值,并对隧道穿越采空区段部分采空区的应力,隧道洞室的拱顶沉降和周边收敛等进行监测。将实测结果和模拟值进行对比分析,结果表明,本文采用的最小安全厚度为7m的安全厚度计算模型是安全可靠且可行的,提出的浆砌片石墩柱、钢拱架支撑、超前小导管注浆、超前锚杆等措施相结合的采空区治理方案是可靠有效的,可为以后类似工程提供借鉴。

复杂结构形式隧道的围岩位移监测分析

厦门市梧村隧道为双向六车道隧道,隧道结构形式设计复杂,分别由双连拱、小净距、初期支护连拱和分离式隧道组成。现场监测工作以隧道拱顶沉降和围岩收敛为主,结合施工措施和开挖工序进行全面分析。研究成果表明:三导洞法施工主洞沉降所占比例不到侧导洞沉降的一半,双连拱隧道结构型式适用于对沉降控制要求较高的隧道工程;CRD1部开挖产生的拱顶沉降可以超过累计沉降值的50%;核心土开挖后布设测点造成的总损失量约占累计沉降值的37.5%;采用全断面帷幕注浆措施加固围岩对控制隧道拱顶沉降取得较好的效果;管棚区域出现较大下沉与管棚工作室的断面稍大以及管棚两端受其自重影响较大有关;临时支护的拆除对拱顶沉降和围岩收敛的影响较小;开挖和注浆是引起围岩出现较大收敛变形的主要施工因素,其中注浆对围岩的收敛位移影响更大;初期支护连拱隧道右洞开挖对左洞二次衬砌的收敛稳定有一定的影响。

三维激光扫描技术在米仓山特长隧道施工中的可行性应用研究

巴陕高速米仓山特长隧道为我国目前在建最长公路隧道,全长约13.8 km。利用三维激光扫描技术高速率、高精度获取对象表面三维坐标的优势,对米仓山隧道LJ2标段右线施工过程中的超欠挖、二衬厚度、掘进面爆破效果进行了检测,并对开挖断面围岩周边收敛和拱顶下沉进行了变形监测。结果表明,检测段隧道超挖区域比例占到81%,其中超挖0~20 cm的占62%,欠挖0~10 cm的为14%;二衬厚度选取不同里程、相同位置121个位置进行分析,最大厚度0.662 m,最小0.456 m,平均厚度0.564 m;掘进面爆破深度约为3.048 m,爆破方量为254.065 m3;K54+030断面围岩周边收敛6 d最大收敛变形量为9.5 mm,拱顶下沉监测点6 d最大变形量为5 mm。

公路隧道复合式衬砌结构数值计算及分析

针对榆树沟隧道工程实际情况,选取了3种不同的复合式衬砌结构类型进行数值计算,对初期支护和二次衬砌的内力、安全系数及洞周位移、拱顶下沉、围岩塑性区的分布等进行了分析,评价了衬砌结构的安全性。结果表明:对于Ⅱ、Ⅲ类围岩,上台阶及下台阶中央区的开挖为施工的关键工序;对Ⅳ类围岩,上台阶开挖为施工的关键工序;在Ⅱ类围岩浅埋条件下,拱顶下沉主要是由上台阶的开挖及下台阶中央区的开挖所引起;在Ⅲ类以上围岩条件下,拱顶下沉绝大部分是由上台阶的开挖所引起;洞周位移较小,最大值为18 mm,发生在Ⅱ类围岩浅埋拱脚处;围岩塑性区发展深度最大者,连通到地表,属于Ⅱ类围岩浅埋;Ⅲ类围岩墙脚处塑性区较大;Ⅳ类围岩塑性区较小。

隧道施工监控与预警系统应用研究

隧道工程施工监控与预警是保障安全、优化设计、指导施工的重要手段,监控技术和预警方法标志着隧道的施工水平和质量,结合北京密云县密兴路火郎峪隧道施工监控实践,建立了岩质公路隧道施工监控资料分析与预警系统,得到了隧道爆破施工参数、振动波传播规律、应力应变规律和隧道施工期间的围岩收敛与拱顶沉降规律,提出了隧道施工的合理组织方案和施工措施。

NATM公路隧道围岩时间效应的统计分析

基于50多条两车道NATM高速公路隧道的现场监测数据,通过对围岩收敛变形和拱顶下沉数据的统计分析,探讨隧道II,III,IV,V级围岩随时间的变形特性,得到不同级别围岩隧道从开挖到变形稳定的时间,分析稳定时间与围岩级别的关系,为隧道施工阶段围岩的稳定性评价以及二次衬砌的合理施做时机提供依据。

隧道开挖过程中地层变形的统计分析

以70余座浅埋暗挖法修建的隧道的实测数据为基础,对影响地层变形的各种因素进行统计分析,提出浅埋暗挖隧道的最大沉降量计算公式。同时还得到几点地层变形规律,如:最大地表沉降和拱顶下沉值的概率分布近似成正态分布;随着围岩稳定性由好变坏,地表沉降和拱顶下沉值也呈逐渐增大的趋势;隧道跨度为5～10m时,II,III,V类围岩条件下的最大地表沉降值与上覆土层厚度关系呈凸形状,II,III类围岩的最大拱顶沉降值在埋深25m范围内随隧道埋深增大而增大;拱顶沉降与地表沉降比值多为0.5～1.5;在埋深小于20m范围内,沉降槽宽度多为(8～12)R(R为等效半径)。最后对50余座产生塌方隧道的坍落高度和塌方量进行统计,并对影响隧道塌方的主要因素进行分析。该研究成果为隧道进一步的设计、施工提供科学的参考依据,具有重要的实用价值。

新人工填筑土地层超大断面隧道施工导致的地表沉降及其控制措施

以贵阳立体交通枢纽工程龙洞堡机场隧道工程为背景,综合运用现场测试、模型试验及数值计算方法,对超厚新人工填筑土地层超大断面隧道施工导致的地表沉降及其控制对策进行研究。基于实测的隧道拱顶沉降,根据既有的计算方法计算拱顶全部沉降;通过室内模型试验和三维数值模拟得到因地层损失引起的地表沉降占拱顶全部沉降的比率;根据拱顶全部沉降和比率计算得到隧道施工导致的地表沉降;再根据实测的地表总沉降,确定隧道施工和土体自身固结分别导致的地表沉降占地表总沉降的比例。结果表明:隧道施工导致的地表沉降是拱顶沉降的35%~36%,占地表总沉降的20%~34%,土体固结导致的地表沉降占地表总沉降的66%~80%,可见土体固结是导致地表沉降的主要因素。由此提出控制地表沉降的主要对策:通过地表钢管桩注浆加固,对土层进行改良;对拱部进行中管棚超前支护;采用大拱脚弧形导坑预留核心土台阶法开挖隧道;设置H175型钢钢架加强初期支护,二次衬砌尽可能地紧跟初期支护施作。

宝兰客专第三系泥岩隧道围岩变形规律研究

以宝鸡到兰州客运专线安定隧道为工程背景,通过现场监控量测,研究了隧道拱顶下沉、水平收敛、围岩压力、钢拱架应力的变化规律,并与有限元软件Midas/GTS模拟结果进行了对比分析。监测数据表明:隧道已完成了大部分变形并趋于稳定;围岩压力增长较快,左侧压力整体大于右侧,但最终都趋于稳定;钢拱架应力波动较大,左边墙处应力大于其他部位,钢拱架应力的整体分布规律与围岩压力近似。监测数据与数值模拟结果对比表明,下部泥岩饱水软化后仰拱出现明显底鼓现象,可能与下部泥岩饱水后受力不均匀有关。

浅埋暗挖隧道施工中纵向地表下沉的规律

在浅埋暗挖隧道施工中,地表沉降和拱顶下沉的信息可明显反馈围岩和初期支护的稳定状态,要实现信息化施工和控制施工中产生不利环境影响,必须了解和掌握地表沉降和拱顶下沉的变化趋势.基于南京地铁2号线钟灵街-马群段浅埋暗挖隧道矿山法施工中地表沉降和拱顶下沉的实测资料,分析总结了相应条件下隧道施工中地表和拱顶下沉的大小和分布规律,得出浅埋暗挖隧道沿纵向开挖时对工作面前后的主要影响范围,分别为1.5D和3D(D为隧道跨度),变化趋势为缓慢下沉-快速下沉-收敛-稳定;并根据滞后的拱顶下沉与地表下沉趋势的一致性,提出可以通过施工中纵向地表沉降的规律预测拱顶下沉的发展趋势.

有理函数在隧道监测数据回归分析中的应用

目前隧道施工均以新奥法为基础,其重要的一个特征就是在隧道施工过程中进行隧道围岩变形的量测,根据量测数据确定二次砌衬的施工时间,但是由于观测值有较大的离散性,因此必须经数学处理后才能使用,本文以某工程为例,采用有理函数模型对观测数据进行回归分析,可用有关回归曲线预测该断面的沉降值,并与规范推荐的回归函数进行了对比分析,结果表明,有理函数模型与实测数据较为吻合,误差较小,从而保证了工程质量和施工的安全性。

基于现场监测的原坝子隧道稳定性分析

隧道围岩稳定性分析对隧道安全施工和运营至关重要,采用现场监测方法是判定隧道围岩稳定性最直观的一种方法。以原坝子隧道为工程背景,通过对III、IV、V不同等级围岩初期支护后拱顶下沉和周边收敛进行系统的现场监控量测,研究复杂地质条件下大断面隧道围岩的稳定性,结果表明,隧道拱顶及周边位移一般稳定期为10~15 d,累计沉降量和周边累计收敛量随围岩等级的增大而显著增大,并处于允许范围以内,说明隧道开挖方式和支护方案是科学合理的。研究成果可为类似条件下隧道工程的设计、施工、监测提供参考和借鉴。

NATM公路隧道围岩时间效应统计分析与变形稳定性评价指标

基于几十座两车道NATM高速公路隧道的现场监测数据,通过对大量的围岩收敛变形和拱顶下沉数据的统计分析,探讨隧道Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩随时间的变形特性,分析不同级别围岩从开挖到变形稳定时的时间以及与围岩级别的关系;得到变形稳定时的收敛和拱顶下沉值,以此作为隧道不同级别围岩变形的稳定性评价指标;为隧道施工阶段围岩的稳定性评价以及二次衬砌的合理施作时机提供了依据。

基于围岩劣化诱导的洞室群稳定数值模拟

洞室施工过程的诱导扰动包括应力释放和转移、围岩劣化等,导致洞室群出现加速失稳。利用RFPA软件分别建立了水平排列三圆孔和倾斜排列三圆孔数值模型,前者通过邻近圆孔的材质替换模拟围岩劣化诱导研究圆孔破坏过程,后者研究最大剪应力方向圆孔破坏特征。水平排列条件下,分别利用临近空孔填充石蜡和石膏等不同扰动诱导程度研究表征稳定性的特征参数,包括拱顶沉降、声发射和应力分布。结果表明,斜孔布置在45°方向较易破坏且破坏程度从上圆孔开始,拱顶沉降也最大。通过填充石膏和石蜡模拟围岩劣化诱导程度,石膏强度高于石蜡,即围岩劣化诱导石蜡高于石膏,诱导程度高,拱顶沉降较大,声发射能量低,围岩劣化越严重,洞室群易破坏,失稳越快。

一元非线性回归分析在隧道监控中的应用

根据新奥法原理中岩体开挖的时间效应,对毛栗坡右线隧道的监控量测结果进行一元非线性回归分析,找出岩体变形量与时间的关系,以制定科学的施工方案,保证工程质量和施工的安全性。