特大断面隧道分步施工动态压力拱分析研究

特大断面隧道的建设越来越多,传统规范荷载计算方法未考虑特大断面隧道施工的实际情况,计算结果偏大。在确定隧道压力拱判别方法的基础上,采用大型二维模型试验探究开挖过程中特大断面隧道压力拱的动态发展。从开挖洞周应力随开挖步变化的情况可以看出,大断面隧道压力拱是随着开挖步分区域、分阶段形成的,并采用数值分析对试验中的规律进行验证总结。为得到支护对压力拱发展的限制作用,采用二维精细化数值模型,模拟施工工况,探究支护对限制压力拱扩展的作用,得到大断面隧道复杂施工过程下压力拱的动态变化、压力拱高度折减系数,用于指导设计计算。

软弱破碎隧道围岩动态压力拱效应模型试验

为探讨围岩拱效应是否随隧道破坏而动态发展,以软弱破碎围岩为试验对象,在自行设计制作的试验平台上,以重晶石粉、河砂和洗洁精混合料模拟围岩材料,采用全断面隧道开挖法,测量并记录了隧道从开挖完成到塌方结束期间围岩应力的变化情况。试验结果表明:随着隧道开挖,拱腰处的水平应力与竖向应力成反比;距隧道最近围岩由于发生脆性破坏,径向应力和水平应力均减小;距隧道较近围岩由于发生塑性破坏,径向应力增大、水平应力减小;距隧道较远围岩径向应力减小、水平应力增大;隧道开挖后如不及时支护,塑性区将向围岩内部发展;根据隧道拱顶上方水平应力和拱腰处竖向应力峰值位置的变化,可判断拱效应随着隧道失稳而动态发展。

隧道压力拱动态演变机制及规律分析

隧道开挖后形成的压力拱是随着围岩的渐进性破坏而动态发展的。以毛洞情况下隧道的最终状态为依据将动态压力拱分为稳定无塌落拱、稳定有塌落拱和不稳定无塌落拱三类,将围岩压力拱的动态发展分为原始应力状态、雏形压力拱状态、初始压力拱状态、塌落压力拱状态4个典型的时间段,从而对动态压力拱理论进行了完善。对初始压力拱和塌落压力拱的拱体厚度进行了理论推导,从理论上揭示了围岩压力拱动态发展的影响因素。通过实例计算得到了隧道埋深、侧向土压力系数与初始压力拱拱体厚度的关系以及塌落压力拱随塌落高度发展的动态演化规律。结果表明:初始压力拱拱体厚度与侧压力系数呈线性负相关,与隧道埋深呈正相关;侧压力系数对初始压力拱拱体厚度的影响随隧道埋深的增加而增大;随着塌落高度的增加,围岩压力拱范围先增大后逐渐趋于稳定,而拱体厚度则先增大后减小;若塌方在拱体厚度达到最大时仍无法稳定,则最终会发展为塌穿型塌方。

隧道围岩破坏过程数值模拟方法研究

从理论上分析了隧道围岩渐进性破坏机理,以江西某隧道Ⅴ类围岩为背景,基于离散元理论,模拟了隧道围岩的破坏过程,并与现场结果进行了比较分析,PFC模拟结果与现场基本一致,结合数值计算的结果,提出了围岩动态压力拱的概念,研究成果对隧道塌方事故的预防及治理的研究提供了参考。