基于壳体模型的隧道旋喷拱棚预支护下掌子面稳定性分析

为探究旋喷拱棚预支护下隧道掌子面稳定情况,将预支护拱棚简化成半无限长柱壳结构,引入Pasternak双参数地基模型,以此建立拱棚挠度方程,结合实际工程,将理论计算得到的拱棚挠度与数值计算结果进行对比,验证了双参数地基壳体模型的适用性。最后将在此理论模型下求解得到的地基反力作用于隧道掌子面上方,推导了掌子面稳定性公式,并探究在不同因素影响下隧道掌子面稳定性规律。结果表明:基于双参数地基下壳体理论的掌子面稳定分析模型由于考虑了预支护拱棚的整体加固效应以及下方岩土体的剪切变形作用,计算结果更加符合实际工程情况;围岩参数、施工因素、地层条件对隧道掌子面稳定有直接影响,不同参数影响程度不同,影响程度从大到小总体表现为:黏聚力、摩擦角、开挖高度、初始挠度、埋深,随着黏聚力增大、摩擦角增大、初始挠度减小、开挖高度减小、开挖进尺减小,掌子面稳定安全系数增大。当围岩较差时,纯粹短进尺不能保证掌子面稳定,需采取围岩加固或辅助措施;随着隧道埋深增大,掌子面稳定安全系数先线性减小后增加最后趋于稳定;减小开挖高度和控制初始挠度,对掌子面稳定性有利,此时再采用合理的开挖进尺对围岩稳定优势更明显。

基于流固耦合的输水隧洞水平旋喷拱棚挠度影响因素研究

本文以具体工程为依托,利用数值模拟的方式探讨了地层渗透系数、地下水位和隧洞埋深对水平旋喷拱棚挠度的影响,并提出了具体的工程建议。该研究不仅可以为背景工程的施工建设提供技术支持,也可以为相关理论研究提供有益的借鉴。

水平旋喷拱棚结构的承载特性与机理研究

基于现场载荷试验结果与有限元分析方法,深入研究水平旋喷拱棚结构的承载特性与机理。现场试验表明:拱棚结构的荷载-变形曲线可分为三段,即承载力自我调整阶段、稳定承载阶段以及裂缝产生并不断扩展直至破坏阶段;在破坏阶段拱棚结构并未出现突然坍塌,破坏是从旋喷桩体咬合处薄弱面的底部产生裂缝开始,并不断扩展最终贯通引起的。通过分别建立旋喷桩体咬合结构模型与光滑拱结构模型以模拟实际拱棚结构,计算结果表明旋喷桩体咬合结构模型的计算值与实测值吻合较好,光滑拱结构模型的计算结果误差较大。在此基础上,利用有限元方法深入分析了水平旋喷拱棚结构的力学性能,计算结果表明:旋喷桩体的直径与咬合厚度对拱棚结构的承载力影响较大,拱棚结构的形状对承载力的影响相对较小;水平旋喷拱棚结构存在三种破坏模式,裂缝的产生主要受桩体材料抗拉强度的控制。将裂缝的产生与扩展作为水平旋喷拱棚结构破坏前的预警,可为实际工程提供科学依据。

富水砂层水平旋喷拱棚力学特性模型试验研究

为探究富水砂层中水平旋喷拱棚受隧道开挖及地下水影响的力学特性,对3组不同桩心距的水平旋喷拱棚,分别开展不同开挖进尺及地下水位工况下的模型试验,分析地表沉降,拱棚的挠度、弯矩、轴力及拱棚-地层接触压力的变化规律。结果表明:1)桩心距较小时,地表沉降、桩体纵向轴力及弯矩、周围地层及桩体自身受力变形受隧道开挖及水位工况影响程度降低,但桩体纵向受压区域增大;2)随着桩间咬合厚度的增加,地层受影响区域沿隧道开挖方向前移,当桩心距小于350 mm时(即桩间咬合厚度继续增大),在水平旋喷拱棚的支护下,地层沿隧道开挖方向受扰动区域将不再变化;3)地下水的存在对拱棚的纵向挠度有较大的影响,在富水砂层中,增加桩间咬合厚度即减小桩心距可有效减小开挖面附近的拱棚挠度。

富水砂层水平旋喷拱棚的力学特性

为研究水平旋喷拱棚(简称拱棚)在富水砂层中的力学特性,以江门隧道工程为依托,采用模型试验和数值模拟方法,通过变化地下水位、地层渗透系数和覆土厚度,分析在开挖过程中拱棚挠度和轴力。模型试验结果表明:随着开挖深度增加,拱棚挠度增大,越靠近洞口拱棚挠度越大;在有地下水工况下,掌子面附近拱棚挠度比无水工况低,说明拱棚在富水砂层的预支护效果较好;拱棚最大轴力位于掌子面附近,且地下水位越高轴力越大。数值模拟结果表明:覆土厚度小于13 m时,随着覆土厚度增加,拱棚挠度和轴力近似呈线性增长;覆土厚13 m时,随着地下水位升高,拱棚挠度和轴力增大,当地下水位与拱顶净距大于3 m后,随着地下水位升高拱棚轴力增速变大;地下水位对拱棚轴力影响较大,为保证隧道施工安全,建议采取降水措施减小拱棚受力。

水平旋喷拱棚承载特性及破坏机理的有限元分析

基于水平旋喷拱棚的原位荷载试验成果,利用试验数据对有限元分析结果进行验证,表明有限元计算结果是可信的。在此基础上,对水平旋喷拱棚在外部荷载作用下的塑性变形和破坏面的形状进行计算分析,结果表明:拱棚的塑性变形首先出现在水平旋喷所成的水泥土桩体结合处,随外部荷载的增大,塑性变形区域在水泥土桩体结合处逐渐扩展并最终形成一个贯通的塑形区。