Influence of underground water seepage flow on surrounding rock deformation of multi-arch tunnel

Based on a typical multi-arch tunnel in a freeway, the fast Lagrangian analysis of continua in 3 dimensions(FLAC3D) was used to calculate the surrounding rock deformation of the tunnel under which the effect of underground water seepage flow was taken into account or not. The distribution of displacement field around the multi-arch tunnel, which is influenced by the seepage field, was gained. The result indicates that the settlement values of the vault derived from coupling analysis are bigger when considering the seepage flow effect than that not considering. Through the contrast of arch subsidence quantities calculated by two kinds of computation situations, and the comparison between the calculated and measured value of tunnel vault settlement, it is found that the calculated value(5.7-6.0 mm) derived from considering the seepage effect is more close to the measured value(5.8-6.8 mm). Therefore, it is quite necessary to consider the seepage flow effect of the underground water in aquiferous stratum for multi-arch tunnel design.

渗流—应力耦合下隧道爆破开挖对邻近水坝影响因素分析

为研究隧道爆破施工作用下邻近水库大坝的安全性,以浙江义东高速公路防军隧道出口段麻车坑水库为研究对象,通过理论分析阐述了大坝的振动破坏过程,利用有限元软件MIDAS GTS NX数值模拟的手段,探讨了不同爆破炸药量、爆心距、坝前水位变化对水库大坝稳定性的影响,揭示了水库大坝应力与振速的变化规律,并进一步引入Morris筛选法对各因素的影响程度进行评价分析。研究结果表明,影响水库大坝稳定性控制变量因素的主次关系为炸药量>爆心距>坝前水位;水库大坝的应力峰值与振速峰值随着隧道炸药量的增大、坝前水位的增高、爆心距的减小而增大;隧道爆破施工时,可以采取提前排放库水、控制炸药量及爆心距等方式使水库大坝受到的损伤降到最低,研究结论可为邻近隧道爆破施工水库安全防护提供参考与借鉴。

渗流-应力耦合作用下穿断层破碎带TBM输水隧洞结构安全研究

为分析敞开式隧道掘进机(TBM)穿越断层破碎带深埋长输水隧洞围岩的稳定性及其支护结构的安全性,依托东庄水利枢纽北线输水隧洞工程,采用ABAQUS软件建立隧洞开挖过程渗流-应力耦合三维动态施工仿真模型,研究了隧洞开挖支护过程中断层破碎带处围岩的稳定性和支护结构的受力特性及其变化规律。结果表明:隧洞围岩由于卸载作用其孔隙度最大值较初始状态增大了0.88%,渗透系数最大值较初始状态增大了2.59%;隧洞围岩孔隙水压力随开挖支护过程先下降—再平缓—最后回升至稳定;围岩塑性区出现在沿径向1 m范围内,等效塑性应变极值出现在围岩腰线处;锚杆应力在衬砌进行支护时达到峰值,其最大值为182.90 MPa;衬砌内、外缘均处于受压状态,衬砌环向应力值随开挖支护过程先出现最大值,随后略微减小至稳定,其值在6.66~11.92 MPa范围内;衬砌的变形整体上表现为向内收缩,收缩量从顶拱和底拱处向腰线处逐渐减小,其值在0.67~1.35 mm范围内;随着排水量的增加,围岩最大径缩量逐渐增大,衬砌外水压力折减系数逐渐减小。研究结果可为穿断层破碎带TBM隧洞工程结构设计及其安全施工和运营提供参考依据。

高地应力断层破碎带富水段隧道帷幕注浆效果及注浆圈参数研究

周边超前预注浆加固是改变裂隙岩体物理力学性能和渗透性能的有效方法,以鸡心岭隧道工程为例,通过数值模拟分析了周边预注浆加固前后、不同注浆圈厚度和注浆圈渗透系数对围岩渗流场、位移场、塑性区及支护受力的影响规律。结果表明:1)周边超前预注浆加固能有效降低初期支护静水压力,减小围岩塑性破坏范围和洞周位移,并使得隧道涌水集中发生在拱脚位置;2)注浆圈厚度超过8 m后,继续增大注浆圈厚度对围岩位移的影响较小;3)降低注浆圈渗透系数可有效降低隧道涌水量,但会增大围岩变形。

渗流作用下浅埋盾构下穿河涌研究

文章选取位于某城市的地铁盾构隧道近距离穿越河流施工作为案例,运用数值模拟技术构建其三维动态盾构隧道施工有限元计算模型,开展浅埋隧道跨越河流时的重力场效应、应力-渗透耦合场及瞬时降雨的影响等方面的比较分析。结果表明,对应力-渗流耦合场模型而言,其变形规律随着盾构穿越河涌长度而越来越贴近实际变形,说明浅埋隧道下穿河涌应考虑渗流应力场对盾构掘进的影响。

高外水隧洞变形稳定性的基质压缩效应

深埋水工隧洞通常会面临高地下水位问题,为准确分析高外水隧洞围岩变形稳定性,需合理模拟外水内渗的力学作用。现阶段,学者们虽已认识到在饱和岩体渗流-应力耦合分析中考虑岩石基质压缩的必要性,但针对岩石基质压缩对高外水隧洞变形稳定性影响的相关研究尚未见报道。基于饱和多孔介质有效应力原理和孔压修正系数,并考虑围岩渗透特性动态演化,建立了高外水隧洞渗流-应力耦合分析模型,并在ABAQUS中进行了数值实现。依托某深埋引水隧洞,在分析其渗流场和变形稳定性的基础上,开展了不同岩石基质可压缩性条件下的高外水隧洞渗流-应力耦合分析,揭示了高外水隧洞围岩变形稳定性随岩石基质可压缩性的变化规律。结果表明:岩石基质压缩直接影响着高外水隧洞的外水内渗过程,对高外水隧洞围岩变形稳定性不利,岩石基质可压缩性越大,则围岩变形和塑性区范围越大,在分析中忽略岩石基质压缩将得出偏于危险的结果。

风化砂岩公路隧道渗流-应力耦合数值模拟

以江西省宜春市宜遂高速公路风化砂岩高且隧道工程为例,利用有限元分析软件Midas/GTS三维模拟了高且隧道的施工和开挖过程,将所得结果与现场监测数据进行比较,研究了渗流-应力耦合对隧道稳定性的影响,比较了耦合与非耦合条件下隧道稳定性的变化。结果表明,在渗流-应力作用下,隧道稳定性受到明显影响,渗流主要发生在隧道仰拱和边墙处,各施工阶段断面孔隙水压力在拱底处最大,在拱顶处最小;对比非耦合条件,在耦合条件下隧道拱顶、拱底和水平收敛值均有所增加,孔隙水压力对不同岩性的隧道拱顶沉降有很大影响。

青岛地铁浅埋隧道动力增载位移响应比围岩稳定性分析

为防止地表沉降引起隧道事故的发生,以青岛地铁4号线福州路车站为研究对象,运用现场施工的监测数据与MIDAS/GTS NX模拟软件,对青岛地铁浅埋隧道施工沉降规律及围岩稳定性进行了系统研究。在分析地质勘察资料、众多沉降数据和超前地质预报的基础上,分别建立了不同水位环境下的渗流-应力耦合模型,分析了其在地表和拱顶的沉降规律,确定了最大沉降位置即最不利位置。最后,运用动力增载位移响应比对隧道开挖引起的围岩稳定性进行了评价,为今后该类地下工程设计与施工提供了借鉴。

输水隧洞穿越典型断面围岩结构安全分析

复杂地质条件是影响TBM输水隧洞结构安全的重要因素,以某引水工程中输水隧洞为研究对象,理论推导了渗流—应力全耦合作用的数学模型,针对TBM输水隧洞穿越断层和最大埋深段,建立三维有限元模型,计算分析围岩初始地应力场、渗流场,以及不同工况下围岩位移、塑性区和应力的分布规律,研究结果表明:初始地应力和孔隙水压力随着埋深的增加而增大,最大埋深处和断层处初始地应力分别达到1.342MPa、0.680MPa,孔隙水压力分别达到0.260MPa、0.200MPa;开挖过程中,断层和最大埋深段隧洞拱顶沉降量基本接近,相对差值仅为0.11%,而拱底抬升量差值较大,达到31.28%;断层处围岩塑性区主要出现在隧洞两侧,最大深度为2.920 m,最大埋深处围岩塑性区主要出现在隧洞拱顶,最大深度为8.627 mm;围岩最大压应力在断层和最大埋深段分别为7.987MPa、6.510MPa;内水压力作用,围岩位移和最大压应力相对于开挖阶段均有一定程度的降低。

青岛地铁浅埋隧道沉降规律及优化措施分析

为防止地表沉降引发隧道事故,以青岛地铁4号线福州路车站为研究对象,运用现场监测数据与Midas GTS NX模拟软件,对青岛地铁浅埋隧道施工沉降规律和控制优化措施进行了系统研究。在分析地质勘查资料、沉降数据和超前地质预报的基础上,得到了影响隧道稳定性的因素及该区段的沉降规律;通过建立不同水位环境下的渗流-应力耦合模型,分析了其在地表的沉降规律,确定了最大沉降位置即最不利位置并进行了合理优化,为类似地下工程设计与施工提供参考。

基于MIDAS软件探究顶管始发渗漏破环影响机理

文章依托无锡地铁4号线青石路站1号出入口通道段矩形顶管施工工程,对浅埋矩形顶管隧道始发过程中关键风险进行研究,基于MIDAS软件,建立顶管始发渗流应力耦合模型,针对顶管始发破除端头洞门时产生洞门涌水现象进行模拟,分析地下水向隧道涌入时渗流应力分布规律,研究了顶管始发期间渗漏水灾害对始发井、围护结构及周边环境的影响,可为类似工程提供设计参考。

大直径越江盾构隧道各向异性渗流应力耦合分析

上海长江隧道的直径和一次连续掘进距离迄今均为世界之最。隧道平均覆土9.0 m,最浅覆土仅6.8 m。为控制高水头下浅覆土中特大径盾构推进时管片的上浮,采用单液同步注浆工艺。用能够考虑土体渗透系数随应力状态变化的弹塑性各向异性渗流应力耦合模型,对上海越江隧道东线江中段的施工过程进行数值分析。结合实测数据,揭示盾构推进时管片上浮量和管片外侧孔隙水压力的变化规律,研究变形稳定后管片外侧及拱顶正上方各点孔隙水压力的分布状况,分析不同水深时地下水渗流对地表沉降和管片受力的影响。研究结果表明,目前采用的单液同步注浆材料及工艺能很好控制管片的上浮,管片变形稳定时壁后各点孔隙水压力与静水压力比值随深度增加而增大,水的作用使管片受力趋于均匀,但应注意高水位引起的高孔隙水压力对管片受力带来的消极影响。

考虑流-固耦合的隧道开挖数值模拟

根据隧道工程施工实际情况和地下水渗流的基本规律,以及弹塑性力学理论,建立了在应力场和渗流场耦合作用下隧道开挖数学模型,借助Comsol模拟了隧道开挖过程中围岩应力场及渗流场的变化规律。研究结果表明:在原岩开挖时,隧道围岩变形及地面沉降大,不利于周围建筑的安全,隧道内积水,施工无法进行;进行灌浆处理后,围岩变形小,地面沉降得到控制,有利于施工及周围建筑的安全。

饱和多孔介质流–固耦合的数值模型及工程应用

基于计算流体力学和岩土力学,考虑渗流场和应力场的相互作用,推导介质的平衡方程和饱和孔隙流体的连续性方程,建立流–固耦合模型。结合Galerkin法,对平衡方程进行有限元离散,同时,采用向后差分格式和二阶精度Warming-Beam差分格式,对连续性方程进行有限差分离散,从而对模型进行数值求解。最后,以一富水双向隧道为例,进行施工数值仿真,得到不同施工阶段隧道围岩的孔隙水压力、位移场、应力场的分布及其支护锚杆的受力特性,并将计算结果与相关现场监测得到的一般性规律进行对比,为类似隧道工程的设计和施工提供参考。

泥岩大变形隧道盾构施工法的围岩稳定性分析

以比利时泥岩高放废物处置库工程为背景,在全面分析盾构施工过程中影响围岩稳定性各主要因素的基础上,根据有效应力分析方法,建立泥岩弹塑性渗流-应力耦合分析理论模型,提出一种能够模拟盾构机掘进隧道施工的三维非线性有限元模拟方法,分析盾构推进过程中隧道围岩孔隙压力、应力场、位移场以及混凝土管片衬砌应力的分布规律。研究结果可为泥岩盾构隧道工程的施工及监控量测提供参考。

水下盾构隧道渗流场应力场耦合效应研究

在高水压条件下施工水下盾构隧道,渗流场对于结构及围岩应力场有很大影响。结合重庆主排水过江盾构隧道的修建,针对不同水压情况下的盾构隧道,采用有限元法对围岩及结构的渗流场和应力场进行耦合分析,获得施工期管片应力、位移及孔隙水压力分布。重点研究了管片的水压力分布规律,并与现场试验进行相互验证。结果表明:耦合效应下隧道管片需要承担更大的拉力,在设计中应按更不利工况进行配筋。所得结论为类似工程的设计施工提供有了益参考及依据。

越江隧道施工过程的渗流-应力耦合分析

隧道开挖和由开挖引起的地下水渗流引起围岩应力重新分布,对隧道围岩的稳定性有重要的影响。本文把隧道开挖过程与渗流场边界的变化紧密联系起来,根据渗流场边界建立了合理的三维有限元分析模型,对规划完成的某越江隧道开挖过程的水-力耦合效应进行了研究,建立了稳定流条件下渗流-应力耦合的基本方程,分析了孔隙水压力随隧道开挖过程的变化规律和水力耦合对围岩位移、应力及支护结构应力的影响程度。数值计算结果表明,渗透系数大的岩层渗流速度和位移受渗流的影响较大,渗流使隧道围岩的位移和应力及支护结构的应力都有较大的增加,水下隧道的设计和施工应该考虑渗流效应。

渗流与应力耦合环境下裂隙围岩隧道涌水量的预测研究

涌水是隧道及地下工程施工中的重大地质灾害之一。对于裂隙围岩介质而言，由于其结构特性与所赋存环境的复杂性，使得这一问题的解决具有一定的难度。基于系统理论研究及工程实践的分析应用，本文在裂隙围岩介质渗透性能等效处理的基础上，提出了渗流与应力耦合环境下裂隙围岩隧道涌水量预测计算的确定性数学模型方法（包括理论解析法、经验解析法和水文地质数值模拟法）。

渗流-应力耦合作用下深埋黏土岩隧道盾构施工特性及其动态行为研究

基于连续介质大变形理论和损伤力学理论,将塑性损伤演化与渗流相互耦合的方法引入到Mohr-Coulomb准则,建立黏土岩弹塑性大变形渗流–应力耦合模型,以ABAQUS软件为平台对其进行二次开发。以比利时黏土岩核废料库工程为背景,在全面分析盾构施工影响围岩稳定性因素的基础上,建立反映施工质量的等代层模型,对不同施工质量时盾构掘进过程中围岩及开挖面的变形、孔隙压力及塑性区的演化规律进行数值模拟。计算结果表明,围岩变形在开挖面附近达到最大值,施工质量对围岩稳定性有明显的影响,施工质量越差,开挖扰动区的范围就越大,并且孔隙压力降低的幅度就越大。研究结果可为软岩隧道设计及施工提供参考。

考虑渗流-应力耦合效应的深埋引水隧洞衬砌损伤演化分析

高地应力和高(外、内)水压力是影响深埋引水隧洞围岩稳定性及衬砌结构安全性的主要因素。基于等效饱和多孔介质理论,将裂隙岩体和衬砌混凝土视为具有透水特性的弹塑性损伤材料,并考虑各自的变形特性与渗透系数的动态演化规律,进行锦屏二级水电站深埋引水隧洞围岩与衬砌结构施工期和运行期渗流-应力全耦合分析。分析结果表明:施工期隧洞周边排水对开挖损伤区影响较大,内水外渗现象对地下水位和围岩结构的安全性影响不大,但内水外渗情况下隧洞的开挖损伤区对衬砌结构较为不利,将导致该部位混凝土出现拉损伤区和压损伤区,应对开挖损伤区采取一定的处理措施。