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.

The Types of Tunnels Maintenance in Umbrella Arch Method

During tunneling in loose grounds, the ground deformation caused by drillings around the tunnel, leads to land subsidence and the adjacent tunnel which would affect tunnel structure and surrounding structures. In such situations it is necessary to improve the properties of the ground prior to drilling operations. In order to acquire tunnel face stability during excavation operations in areas with loose soil fault or areas with lack of adhesion, there are various methods such as split cross drilling, frame holder or auxiliary pre-holding methods such as umbrella arch method;pre-holding methods must provide safety when drilling and must be affordable, economically. In this study, we assessed the previous studies on methods and behaviors of umbrella arch strategy in reinforcing the concrete tunnels, reached the purpose with experimental and numerical methods and offered the latest design achievements, implementation progresses and analysis in relation with this method.

浅埋无中导洞连拱隧道先行洞衬砌承担围岩荷载确定方法

不同于常规隧道衬砌结构,无中导洞连拱隧道先行洞衬砌施作稳定后还要受到邻近后行洞开挖的二次扰动,后行洞开挖对先行洞衬砌受力的影响不可忽视。依托杨家寨公路隧道工程,基于考虑了后行洞开挖影响的隧道围岩压力计算方法,结合现场监测位移数据采用荷载-结构法进行位移反分析,提出了一种确定浅埋无中导洞连拱隧道先行洞衬砌承担围岩荷载的方法,最后和衬砌背后围岩荷载现场监测值进行对比验证。研究结果表明:后行洞开挖对先行洞衬砌承担围岩荷载的影响较为显著,监测点增长幅度均值高达142%;先行洞衬砌受力呈现“拱腰较小,拱顶及拱肩较大”的分布规律,且靠近后行洞一侧拱肩位置受力最大;通过现场监测位移反分析得到的先行洞衬砌受力结果和现场监测结果较为一致,论证了该方法的合理性和实用性,研究成果可为无中导洞连拱隧道结构设计提供参考。

侧部注浆对已建盾构隧道受荷变形影响试验研究

采用侧部注浆法整治盾构隧道横椭圆变形超限过程中,盾构隧道周围附加土压力及隧道变形特性暂不明晰。通过几何相似比为1∶10的缩尺寸模型试验开展了侧部注浆对已建盾构隧道的影响试验研究,试验结果分析表明:在注浆挤压作用下,将导致隧道周围的土压力在注浆点处局部增大,两边有一定程度的减小,产生了明显的水平被动土拱现象;在注浆附加荷载影响下,模型盾构隧道在注浆点附近发生了竖椭圆变形,而在离注浆点较远处则发生了横椭圆变形,且隧道发生了反弯现象;注浆过程中发生了“渗透→挤密→劈裂”扩散模式与“挤密→劈裂→渗透”扩散模式,并阐明了两种浆液扩散模式的扩散机制;隧道外壁附加荷载主要由浆液通过渗透扩散与劈裂扩散的浆液压力所形成,同时浆液挤压土体变形对隧道周围的浆液也将形成一定的挤压荷载。

基于位移等代法的深部直墙半圆拱形隧洞松动圈厚度预测

【目的】位移等代法是在工程实践中被广泛应用的一种等效圆法。为进一步探索该方法在深部非均匀应力场下预测松动圈厚度的工程效果,并建立具有工程适用性的等效圆半径计算公式,【方法】选取深部隧洞常采用的直墙半圆拱形断面为研究对象,根据位移等代法基本原理,利用FLAC~(3D)数值模拟和理论计算相结合的方式,建立了侧压系数λ为1.1~1.5,跨高比b_0/h为1.3~1.5条件下的等效圆半径函数关系式,并应用到江西曲江某煤矿水仓围岩的松动圈厚度预测。【结果】结果显示:根据等效圆公式计算出的水仓围岩松动圈的纵轴厚度为1.41 m,横轴为1.20 m,呈椭圆形;现场实测的松动圈也呈椭圆形,厚度平均值在1.15~1.45 m,其中最大均值在纵轴1.45 m,最小均值在横轴为1.15 m。理论预测值与实测值相吻合。【结论】结果表明:位移等代法适用于深部软岩松动圈厚度预测;所建等效圆半径公式具有良好的工程适用性,可为评价和预测类似隧洞工程松动圈厚度提供一种简化的、可借鉴的方法和思路。

基于复变函数理论的无中导连拱隧道应力与位移解析解

无中导连拱隧道由于后行洞衬砌搭接于先行洞衬砌拱腰之上,围岩与衬砌受力情况复杂,开展相应的围岩与衬砌应力和位移分析具有重要的工程意义。基于复变函数理论和Schwarz交替法,提出了深埋条件下考虑衬砌的无中导连拱隧道围岩与衬砌应力和变形的计算方法。针对无中导连拱隧道两洞具有共用边界的特点,在利用柯西积分法进行求解时,将单洞衬砌与围岩接触的边界积分条件转化为仅存在单洞时的完整边界积分与共用边界积分之差,对于Schwarz交替法中求解“附加面力”的过程亦进行类似处理。给出共用边界应力与位移的计算方法。通过算例,将上述解析结果和数值仿真结果进行对比,证明了方法的可行性和准确性。

钻爆法隧道下穿既有双连拱隧道施工技术研究

钻爆法隧道穿越新建既有双连拱隧道结构,下穿隧道为大跨度隧道,高度大、埋深较深,且在穿越既有隧道时,不能影响其安全运营和造成结构破坏,施工难度大、风险高。采用有限元软件Midas GTS NX对钻爆法隧道下穿既有隧道的变形和受力情况进行数值模拟计算,并研究了下穿施工前对上方隧道间地层采用大管棚和锚杆联合加固产生的效果。研究表明:未加固时,施工侧隧道结构的沉降要大于另一侧,呈现出“一峰二谷”变形形状,既有隧道上下部极易发生结构破坏。采用大管棚及锚杆联合加固,有效地转移了应力集中现象,降低了结构破坏风险,并且既有隧道沉降量仅为前者变化量的1/1.83,在控制标准以内。

双联拱隧道爆炸时程分析和动力响应:以甘肃省奤盖隧道为例

考虑现实生活中隧道面临易燃易爆气体的爆炸和偶发车辆碰撞的爆炸,以甘肃省卓尼县柳林镇附近的奤盖隧道为工程背景,运用有限元软件Midas/GTS NX进行隧道爆炸模拟数值分析,分析了在静力荷载和炸药当量条件下,双联拱隧道的受力影响,对隧道围岩及衬砌进行了位移、速度、加速度和应力时程分析和响应研究。结果表明:当发生爆炸作用时,隧道横向和径向受到应力冲击波以及反射冲击波的影响最为显著,当超过一定值的时候,隧道就会发生局部剪切破坏或剥落破坏;由于反射波的存在,围岩和衬砌的速度和加速度均会呈现出多个峰值,且距爆源位置越近,衬砌的结构损伤也越严重;隧道应力集中区域表现出明显的抗拉抗压,迎爆面应力响应最为显著。

中承连续飞燕式钢桁拱桥抗风性能研究

钢桁架拱桥具有构件轻、易于加工、承载力强和运输架设方便的优点,已在公路、铁路设计中得到广泛应用。为了研究大跨度连续中承式钢桁架拱桥抗风性能,指导该类桥梁建造,以长沙市暮坪湘江特大桥为背景,通过桥址风环境分析、结构动力特性仿真分析及风洞试验,获取桥梁结构的抗风性能并检验大桥的抗风稳定性。针对中跨拱肋、中跨主梁及边跨桁架,采用弹簧悬挂二元刚体节段模型,通过风洞试验研究,获取了-12°~+14°不同风攻角下静力风荷载三分力系数,为桥梁风荷载取值提供了依据。同时根据试验结果曲线,中跨主梁、边跨桁梁断面在成桥状态各种风攻角下升力系数斜率均为正,判定主梁及边跨桁架结构均不会发生驰振。结合节段模型弹性悬挂试验,获取主梁结构在成桥阶段及施工阶段最大双悬臂状态,风攻角-3°、0°、3°情况下的竖向位移及扭转角,并依据相似关系将试验风速及所得响应换算至实桥值,以检验主梁的颤振稳定性及涡激共振特性。结果表明,当换算实桥风速高达100 m/s,远高于其颤振检验风速时,主梁均未发生颤振现象,表明该桥在成桥状态下与施工过程中均具有足够的颤振稳定性。在成桥状态或者最大单/双悬臂状态下,桥面设计基准风速34.8 m/s的范围内,各种风攻角情况下均未观察到明显的涡激振动现象。

膨胀性泥岩铁路隧道变形机理与仰拱底鼓控制技术研究

为揭示膨胀性泥岩铁路隧道仰拱底鼓变形机理并提出对应控制措施,以西(宁)至成(都)铁路膨胀性泥岩隧道为背景,采用室内试验、数值模拟、案例调研等方法开展研究。结果发现:膨胀性泥岩在浸水后物理力学参数明显降低,随着浸水时间增加,降低速率逐渐减小,其膨胀系数为4.8%;FLAC3D中的应变软化模型通过湿度应力场与温度应力场的转化能较好模拟膨胀性泥岩浸水后的参数衰减效应,当初始含水率分别为5%、15%、25%时,膨胀力试验结果分别为37.84,123.90,189.06kPa;随着水位上升,隧周孔隙水压力逐渐增大,当地下水位分别为Z=-5 m、Z=0 m、Z=5 m、Z=10 m、Z=15 m、Z=30 m时,隧周最大孔隙水压力分别为0,100,125,200,250,350 kPa,仰拱底部随软化系数的增加由沉降逐渐变为隆起,隧底围岩软化及上部挤压造成的剪切破坏是仰拱底鼓的最大诱因;随着仰拱矢跨比增加,二次衬砌弯矩减小,拱底和墙脚位置二次衬砌弯矩减小值较大,因此仰拱底部受力得到优化;适当提高仰拱矢跨比,采用全环钢架+钢筋混凝土衬砌、加强基底排水、采用基底换填或管桩加固等措施是膨胀性泥岩铁路隧道设计关键。

基于压力拱发展规律的隧道初次支护时机研究

本文依托济莱高铁宅科隧道工程,利用现场监测和FLAC 3D数值模拟的方法,基于隧道应力传递路径的改变探究压力拱形成机制和分布范围,得出隧道纵截面压力拱形态特征图,引入位移完成率衡量围岩的开挖扰动程度,建立位移完成率和应力释放率的对应关系,得到最优初次支护时机。研究结果表明:在隧道开挖过程中,上部围岩中应力逐渐偏转,围岩荷载逐渐向四周传递,最终达到新的应力平衡状态,即在隧道四周产生形成封闭环状应力现象的压力拱;隧道仰拱靠近拱脚部位围岩产生应力集中,在1.8 D(D为隧道截面宽度)范围内的围岩均参与成拱效应,承担隧道拱部上方的围岩荷载;对塑性区体积率进行计算与分析,认定70%~80%应力释放率较为缓慢,应作为最佳初期支护时间点;在开挖时隧道初期支护滞后于掌子面的距离宜控制在4.3~7.6 m。

基于强度折减法的河漫滩软土浅埋偏压连拱隧道洞口边坡稳定性研究

以南京市乌龙山大跨浅埋偏压连拱隧道为背景,基于有限元强度折减法分析了隧道施工过程中洞口边坡的安全系数和塑性区分布特征,探明了不同坡角和隧道埋深下边坡稳定性情况与破坏模式发展规律,并提出相应施工建议。结果表明:边坡角度越大、隧道埋深越小时,隧道开挖过程中上覆边坡的安全系数越低。及时施作隧道衬砌能大幅度提高坡体稳定性,但当隧洞顶部埋深超过洞高的1.5倍后,衬砌加固效果相对有限;当边坡角度为60°时,坡体潜在滑动面将沿隧道浅埋侧拱顶附近产生,当隧道洞顶埋深达1.5倍洞高时,边坡破坏面不再经过隧道,而是分布于拱顶上方;针对隧道洞口段安全性较差问题,建议根据不同隧道埋深和边坡角度采用不同范围的坡表注浆加固方案。当隧道埋深>1.5倍洞高时,无须坡表注浆;当隧道埋深<1.5倍洞高且边坡角度<60°时,应在隧道浅埋侧施工前对坡脚至中隔墙区域进行注浆,且加固深度不应小于隧道拱腰埋深;当边坡角度达60°时,深埋和浅埋侧隧道施工前均需进行坡表注浆。

考虑刀土摩擦的砂土盾构隧道开挖面支护压力计算方法

确定盾构隧道开挖面极限支护压力是隧道工程中的核心问题之一。现有研究一般忽略盾构刀盘与主动极限状态时开挖面前方失稳土体间的摩擦效应,导致计算结果偏保守。为了解决此问题,首先,基于梯形楔形体模型,考虑盾构开挖掌子面与前方被切削土体之间的竖向摩擦力、楔形体与上方土柱之间因相对错动引起的横向摩擦力以及隧道埋深对极限支护压力的影响,推导了砂土地层盾构开挖面的极限支护压力计算公式;其次,通过与其他理论方法及试验结果进行对比,验证了本文方法的合理性;最后,讨论了刀土摩擦力在不同工况下对盾构开挖面极限支护压力的影响规律。研究结果表明:在其他参数不变时,开挖面极限支护压力随着刀土外摩擦角增大而逐渐减小,与刀土外摩擦角近似呈线性关系;刀盘土体间摩擦力对维持盾构开挖面稳定具有有利影响,对开挖面极限支护压力的影响不可忽略;适当增大刀盘与前方土体间的外摩擦角可有效增加开挖面的极限稳定性;刀土摩擦力对浅埋情况的盾构隧道开挖面极限支护压力的影响要明显比深埋情况的影响大,在选择盾构掘进刀具时应重点考虑埋深的影响。

有砟与无砟轨道系统隧底上拱变形传递规律

在分析不同成因上拱变形隧道力学环境基础上,构建隧底荷载作用下有砟与无砟轨道的隧底上拱变形传递模型,获得这种变形向轨面的传递规律,并建立隧底荷载与变形传递比的函数关系。结果表明:上拱变形在初支底面—填充层表面传递时,幅值减小,波长增大;在道床表面—轨面传递时,幅值和波长均减小;上拱变形在道床内传递时,有砟道床的波长和幅值均减小,无砟道床则波长增大,幅值基本不变;隧底荷载的大小及纵向分布长度变化会使幅值传递曲线整体平移,且荷载大小主要改变波长变化速度,而荷载纵向长度则主要改变初始波长;在大小低于250 kPa、长度超过27.8 m的隧底荷载作用下,选用有砟轨道更易控制轨面幅值和轨面波长;当荷载大小超过250 kPa或长度小于27.8 m时,选用无砟轨道更易控制轨面幅值和波长。

连拱隧道无导洞后扩挖法设计参数及其影响性分析

为了研究双连拱隧道采用无导洞后扩挖法施工时的设计参数取值及其对隧道稳定性的影响,采用数值模拟方法分析连拱隧道主洞错距、台阶长度、中隔墙厚度以及二衬施作时机4个参数对隧道受力与变形的影响规律,并与现场监测结果进行对比验证。研究结果表明:主洞错距达到75 m时,既能保证先行洞隧道的变形稳定,又能缩短工期;隧道先行洞台阶长度可以按单洞隧道取值,后行洞台阶长度建议控制在5~10 m为宜;考虑施工扰动的影响,隧道中隔墙厚度在1.4~1.6 m范围内取值较为合理;先行洞二衬在后行洞掌子面前保持35 m以上距离施工有利于隧道稳定性的控制。研究结果可为隧道工程施工提供参考。

大断面隧道初期支护中纵向连接与拱架联合承载效应

针对大断面隧道初期支护拱架在承载时易发生平面外失稳的问题,本文通过开展单拱架全比尺试验和考虑纵向连接的拱框架结构的数值试验以及现场对比试验,对纵向连接与拱架组成的拱框架结构进行优化研究,使其横向上有足够承载能力、纵向上有较高稳定性。研究结果表明,单个拱架的破坏模式是局部面外失稳导致整体承载力丧失,考虑纵向连接的拱框架结构的平面内承载力和平面外稳定性都得到增强。通过调整纵向连接间距和拱架间距也可以调整初期支护拱框架结构和喷射混凝土的内力分担比,以充分发挥初期支护的承载能力,但纵向连接间距应小于1500 mm,拱架间距也应小于1200 mm。因而,在不改变初期支护现有结构形式的前提下,通过合理地布设纵向连接与拱架形成的具有空间承载效应的拱框架结构,不仅可以保证初期支护的承载能力,而且还提高施工效率和经济效益。研究成果可指导大断面隧道初期支护结构设计。

基于纤维混凝土材料试验的套拱加固隧道地震响应模拟

以一座山岭隧道为背景,选取钢纤维、玄武岩纤维、碳纤维为掺料进行纤维混凝土材料试验并确定纤维最佳体积掺量;结合试验数据与塑性损伤数值模拟结果,分析地震作用下有无纤维混凝土套拱加固隧道结构响应情况。结果表明:无套拱加固时衬砌拱脚、拱肩、拱腰处易发生拉裂损伤,拱顶与仰拱中心、左右拱肩的相对位移均较大。三种纤维混凝土套拱加固后,衬砌-套拱叠合结构拱腰、拱肩处损伤均有所改善,拉裂损伤向两端发展的趋势得到抑制;拱顶与仰拱中心,左右拱肩的相对位移较无套拱加固时有所降低,隧道结构稳定性提高。综合考虑衬砌损伤与测点位移,体积掺量为1.5%的钢纤维混凝土套拱加固效果最佳。

浅埋大断面双连拱隧道地层变形控制技术

由于特殊的断面形态,浅埋大断面双连拱隧道的施工通常伴随较大的风险。厦门某双连拱隧道断面面积为498.8 m2,面对复杂的地质条件和敏感的周边环境,地层变形控制是关键。该工程采用全孔一次性帷幕注浆,双侧壁导洞法、3层支护结构、支护时机优化等变形控制关键技术,通过FLAC3D数值模拟和理论分析,研究施工过程中横向、纵向地表沉降,分析地层变形云图,结果表明变形均在安全范围内。

隧道拱墙排水板通水能力试验研究

我国铁路隧道防排水设计遵循“防、排、截、堵结合,因地制宜,综合治理”的原则,通常富水区段拱墙部位会设置排水板,以加强排水,由于排水板为点状凸壳异形结构,其排水能力目前只停留在理论计算层面。为了研究隧道拱墙排水板的实际通水能力,文章以新建某铁路隧道为依托,选取隧道某一区段(10 m)开展排水板通水能力试验研究,得出排水板的排水响应速度约为5 min,其最大排水能力可达3.37 m^(3)/h。文章研究结果为优化产品结构、改善隧道防排水现状及制定标准提供了技术参考。

马道岭隧道套拱加固设计及计算分析

以绥珠线马道岭隧道提质升级为背景,通过现场检测获取其主要缺陷信息,采用“裂缝修补+衬砌背后空洞注浆回填+钢拱架套拱”方案对衬砌开裂段进行加固处理。通过Midas有限元计算软件对裂缝产生的机理及套拱施做后的安全性进行计算,结果表明,二衬叠合式套拱方案安全有效。