既有隧道不同扩挖宽度下锚杆参数的优化

以黄山洞隧道工程为依托,通过对现场数据的监测和利用有限元分析软件Midas GTS NX进行数值模拟,分析了不同扩挖宽度下隧道拱顶沉降值、周边收敛值和围岩有效应力变化的规律,并改变锚杆的长度和锚杆间距,分析在不同锚杆长度下围岩有效应力、衬砌应力以及锚杆应力的变化规律,确定了不同扩挖宽度下最优的锚杆长度和锚杆间距.研究结果表明:随着扩挖宽度的增加,围岩有效应力由大至小依次为拱脚处压应力、拱腰处压应力、拱顶处压应力和仰拱处拉应力;拱顶处压应力随扩挖宽度的增大而减小,拱腰处压应力随扩挖宽度的增大而增大,但增大趋势不明显;受单侧扩挖方式的影响,扩挖侧的应力大于非扩挖侧;拱脚处受到应力集中的影响,其压应力随着扩挖宽度的增大而增大;扩挖宽度为1.5~2.5 m时的最优锚杆长度和间距分别为2.5 m和1.7 m,扩挖宽度为3.5~4.5 m时二者分别为3.0 m和1.2 m.

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。

软土地层隧道围岩分区初期支护技术研究

软土地层通常具有较低的承载力和较高的压缩性,隧道开挖过程中极易发生变形和坍塌。为了控制围岩的变形和破坏,确保施工安全,提出软土地层隧道围岩分区初期支护技术。通过合理规划围岩压力监测点,采集压力数据;利用简化的锚杆、钢架及岩体结构面,构建初期支护本构模型;计算锚杆与钢架的最佳间距和长度,并以此为依据设计复合支护结构,实现围岩分区初期支护。结果表明:所提方法隧道沉降位移较小、塑性区分布面积较小。体现了支护技术的有效性,具有较好的应用价值。

考虑初始损伤与填充荷载影响的岩溶隧道围岩稳定性分析

岩溶的存在不仅使地下工程围岩完整性下降,其内部填充物还会长期侵蚀周围岩体,使周围岩体带有不同程度的初始损伤。以重庆市陶家隧道为工程依托,分析了造成涌砂涌泥事故的主要原因,并借助有限差分软件FLAC3D 6.0开展了考虑初始损伤与填充荷载影响的岩溶隧道围岩稳定性分析。结果表明:隧道开挖导致的岩体卸荷与溶洞内部填充物的重力作用是导致涌砂涌泥事故的主要原因,岩体初始损伤对隧道拱顶围岩竖向位移及稳定性的影响不容忽视,建议初始损伤系数取值为0.4~0.5;填充荷载对下方隧道围岩稳定性的影响较大,当荷载取值大于75 t/m^(2)时拱顶围岩竖向位移明显增加,且稳定性急剧下降;溶洞截面面积越大时拱顶围岩竖向位移越大,溶洞与隧道拱顶之间岩层越薄时拱顶围岩竖向位移越大;填充荷载取值越大、初始损伤系数取值越大时,中间主应力(σ^(2))对隧道围岩稳定性的影响越大。

深大竖井开挖稳定性数值模拟分析

依托芷铜高速椿木山隧道通风竖井工程,针对竖井施工对围岩造成的扰动影响以及初期支护受力情况进行数值模拟分析,探明了竖井开挖中围岩最危险区以及初期支护参数的合理性,并根据分析结果提出相应的加固或处理措施。结果表明:竖井施工对围岩造成的扰动较小,围岩不会出现明显的塑性区,揭示了在开挖并施作初期支护后,围岩具有一定的稳定性;随着开挖深度的加大,岩体最大应力也在增大,在竖井底部达到最大值3.36 MPa,地表沉降曲线呈现出明显的V形特征,中间沉降量大,越远离中部开挖区,沉降量越小;不同性质的围岩过渡区会出现应力突变,在实际操作中应加强围岩过渡区的支护与监测频率。

TBM掘进煤矿巷道力学及变形分析

以保安采区8号煤南回风巷为研究对象,基于CVISC蠕变模型,对其TBM掘进过程进行分析,研究不同支护方式下巷道的位移及力学性能变化规律,并将其数值模拟结果与实际监测数据进行对比,以验证数值模拟结果的准确性。结果表明:采用锚索和锚杆对煤矿巷道进行支护能减小其隧道围岩的受力,其中,采用锚索+钢筋网的支护方式效果最优;各工况下的竖向应力均大于其水平应力,煤矿巷道的受力主要以竖向为主,最大应力均出现在围岩的顶部和底部,不同支护方式下围岩发生的位移具有一定的差异性,采用锚索+钢筋网的支护方式产生的位移量最小,煤巷道稳定性较高,未采取支护措施的围岩位移量最大,此时煤矿巷道的稳定性较差,易发生变形。

大倾角断层不良地质下TBM隧道稳定性分析

依托滇中引水大理Ⅰ段香炉山隧洞工程,利用自主研制的微型TBM掘进综合试验系统,开展了TBM穿越断层不良地质工况室内模型试验及数值模拟,研究高地应力下断层对TBM隧道稳定性的影响,分析总结隧道围岩应力应变变化规律及隧道破坏现象,揭示断层不良地质卡机致灾机理。研究结果表明:利用微型TBM掘进综合试验平台成功实现了高地应力条件下TBM开挖大倾角断层工况相似模拟试验,隧道成型质量好。TBM掘进过程中隧道上部围岩首先产生裂缝,当TBM掘进至两种材料交接处时拱顶产生少许掉落,在TBM刀盘整体进入断层带后,拱顶产生大范围塌方,最终形成筒仓式塌落腔,隧道结构被破坏;受断层界面上方围岩滑动影响,原岩内(交界面下方)围岩压力整体呈现先增大后减小的趋势。TBM掘进时对掌子面前方围岩压力影响范围主要在0.43D~0.50D(D为洞径),围岩压力最大增大1.19倍。隧道拱顶上方内部围岩位移随TBM掘进具有4个明显的变化阶段。上部围岩越靠近隧道轮廓线变形越大,TBM穿越断层交界面时围岩变形速率最大,对围岩内部位移影响范围主要在掌子面前方1.21D和上方1.50D以内,断层影响范围约在1.73H(H为断层交界面水平投影长度)以内。这主要是由于断层交界面上方松散围岩滑移松动,同时它极易导致TBM卡机,因此施工宜先对断层交界面处进行超前处理,降低TBM施工风险。

围岩冻融劣化对季节性寒区隧道稳定性的影响研究

围岩冻融损伤会造成衬砌受到的变形压力增大,对衬砌的稳定性造成不利影响,是季节性寒区隧道工程研究的一个关键问题。通过对砂岩的冻融循环试验和压缩试验得到不同冻融次数下的砂岩应力—应变曲线,然后通过应力—应变曲线得到围岩的变形参数和强度参数,最后将岩石力学参数变化规律嵌入ABAQUS软件中对冻融循环条件下的隧道长期稳定性进行数值分析,分别得到循环冻融0、6、12、18、24次下的围岩和衬砌的应力场及位移场。结果表明:①随着冻融循环次数增加,围岩所受的最大主应力和最小主应力均呈线性减小;②衬砌所受的最大主应力、最小主应力及衬砌位移均呈指数增大;③与未经冻融的情况相比,冻融循环24次后围岩的最大主应力、最小主应力分别减小了43.69%、20.66%;④衬砌的最大主应力、最小主应力及拱顶最大沉降分别增大了13.64%、15.75%、49.36%。在进行寒区隧道支护设计时,应考虑冻融作用下围岩自稳能力衰减而导致支护结构受力增大的问题。

滑坡-隧道正交体系变形特性试验研究

【目的】对于滑坡-隧道正交体系,滑坡的变形失稳是引发隧道病害的重要原因。为了研究滑坡-隧道正交体系在滑坡失稳过程中的宏观变形特性,【方法】以阳坡里隧道为研究对象,使用自主研发的牵引式滑坡分级滑动模拟试验装置设计开展了12组室内模型试验,研究了在滑坡-隧道正交体系中滑坡失稳情况下隧道埋深、隧道在滑体内的布置位置以及滑动段位置对“洞周位移指数”的影响。【结果】结果显示:滑坡发生失稳时的坡面宏观变形存在一定规律,通常表现为坡面的后缘裂缝以及次级裂缝,且坡面位移沿次级裂缝存在明显分级情况;在其他变量相同的情况下,隧道在滑坡体内部埋深越大、隧道布置位置越靠近滑坡体前缘、滑动段越靠近滑坡中段时,滑坡滑动对隧道周围0.5~1.0倍隧道直径范围内土体的位移影响越大;滑动段位置对洞周位移指数影响最大,当滑动段分别位于滑坡前段、中段和后段时,洞周位移指数分别为小于0.8、大于1.8和介于1.0~1.5之间。【结论】研究成果可为滑坡隧道的变形演化机理、滑坡诱发隧道病害的预测预报以及防治技术等研究提供参考。

寒区隧道围岩温度场分布特征及影响因素分析

中国高纬度、高海拔地区的隧道数量越来越多,在隧道实际运营过程中发生了不同程度的冻害,给隧道结构及公共交通带来隐患,因此冻害防治刻不容缓。通过建立寒区隧道三维传热模型,对寒区隧道温度场分布规律进行研究,讨论了初始地温、围岩密度、导热系数及比热容对温度场的影响,并对其影响程度进行了比较。结果表明:洞外低温空气是引起隧道内温度场发生显著变化的主要因素,导致隧道围岩出现径向变温圈,在自然风作用下(2 m·s^(-1),-10℃),初始地温为10℃的隧道围岩变温深度达到了8 m;初始地温对运营期的隧道温度场有着直接影响,初始地温每升高5℃,运营期围岩温度增大2.5℃;隧道围岩温度与围岩比热容、密度呈正相关,但与导热系数的关系和隧道径向距离有关,径向距离小于1.3 m时,呈正相关,反之呈负相关;采用灰色关联分析法得到的隧道温度场的影响敏感性从大到小排序依次为初始地温(1)、围岩密度(0.74)、围岩导热系数(0.71)、围岩比热容(0.68),可见初始地温对温度场的影响最大。

拱腰溶洞大小对隧道围岩和初期支护的影响研究

隧道建设中通常会遇到岩溶、地下水等地质环境,岩溶水环境会对隧道的施工和运营安全造成严重威胁。隧道开挖方法、岩溶处置方式不当和施工质量不达标将导致隧道局部偏压、坍塌等安全事故的发生。以云南省威信县下坝隧道为研究背景,采用有限元分析软件Midas GTS NX对隧道右拱腰处存在的不同洞径溶洞进行数值模拟,探讨隧道围岩中渗流场、应力场和位移场的相互作用与相互影响。基于围岩应力、位移、支护结构内力分析发现,应加强对隧道墙脚和拱腰处的开挖控制,以提高隧道初期支护不利断面上的安全性,确保隧道衬砌结构的安全。

软弱围岩隧道初支侵限原因分析及处置方案

以香草隧道出口段初期支护的变形侵限、结构开裂等工程问题为依托,对初支拱顶和边墙观测点进行监控量测,关注其最大累积变形量。根据初支变形情况及超前地质预报分析初支变形侵限原因并提出相应处置方案,通过数值模拟和现场试验对方案效果进行验证和评估。结果表明:由于该区段岩体整体较为破碎,呈层状构造稳定性较差,从而导致拱脚水平方向约束不足,周边收敛变形较大,侵入二衬空间。将衬砌类型Vb型变更为Vc加强型,增强初支参数可有效控制隧道周边收敛变形量。

基于位移时空效应分析的隧道围岩大变形主动协同控制支护技术研究

针对川藏高原隧道围岩大变形问题,分析当前支护技术的局限性,通过引入位移时空效应分析方法,对隧道围岩大变形主动协同控制支护进行研究。结果表明,围岩变形在时空效应上呈现特定的分布特征,支护措施应充分考虑围岩变形的阶段性和差异性,分阶段施作相应支护手段,提高支护结构的协同工作能力,打造主动协同支护体系。采用本技术的隧道安全系数处于1.7安全界限内,围岩纵向收敛曲线在可控范围内,对于改善围岩周边收敛变形具有积极作用。

莲花瑶乡隧道断层破碎带初期支护变形成因及治理措施

桂钟高速公路莲花瑶乡隧道围岩为风化砂岩,节理裂隙极发育,岩质软,岩体破碎,地质条件极差。施工过程中多次出现溜渣、掌子面塌方、初期支护变形、地表开裂等问题,工程进度及施工安全受均到严重影响及挑战。以该隧道为依托,研究探讨了断层破碎带坍塌机理、监控量测、初期支护加固、初期支护变形临时加固及开挖工法等处治措施。

基于双沿空留巷的采空区相邻巷道围岩结构特征研究

巷道稳定性是矿山安全生产的关键因素之一。本文针对双沿空留巷的巷道布置方式,通过对4502采空区及4503工作面邻近巷道应力场、位移场的监测与分析,探究工作面回采过程对采空区相邻巷道围岩应力分布及位移沉降规律的影响。结果表明:工作面回采对巷道应力场重组具有显著作用,尤其是在工作面近区域。监测数据揭示了工作面回采对巷道围岩应力场的显著影响,尤其是位于工作面附近的巷道,其位移沉降量波动性强。4503轨道巷由于两侧垂直应力分布较为均匀,其位移沉降量相对较小,而4503胶带巷与原4502轨道巷因围岩性质差异,在未开采区一侧的位移沉降量明显大于采空区一侧。本研究旨在理解和预测工作面回采对巷道稳定性的影响,为矿山工程提供实践意义。

断层破碎带形态对隧道围岩变形影响研究

断层破碎带具有围岩破碎、强度低等特点,极易引起隧道围岩发生大变形,进而诱发工程灾害。因此,依托重庆市郊铁路璧铜线云雾山隧道工程,采用PLAXIS3D数值分析软件,建立了隧道穿越不同形态断层破碎带计算模型。计算结果表明:断层破碎带倾角和厚度对隧道围岩变形影响显著,断层走向线与隧道轴线夹角对隧道围岩变形影响较小。随着断层破碎带倾角的增大,受断层破碎带影响的范围明显缩小,隧道围岩竖向和水平位移值均逐渐减小,且当断层破碎带倾角为90°时,受断层破碎带影响的范围最小;随着断层破碎带厚度的增大,受断层破碎带影响的范围随之增大,围岩的竖向和水平位移值均逐渐增大,且当断层破碎带厚度为22 m时达到最大值。隧道正交穿越断层破碎带薄弱处时,围岩变形控制效果会更好。该研究成果可为山岭隧道穿越断层破碎带设计与施工提供一定的参考。

公路隧道钢拱架顶升工艺应用研究

近年来,新奥法施工已成为公路、铁路工程项目施工的重要工艺。为更好解决隧道工程施工时掌子面临空面较而带来的复杂工程问题,安全高效高质地架设初支钢拱架,如何构思设计加工适用于公路隧道施工的钢拱架顶升装置来施工值得去探索实践。文中通过勐省隧道工程实践总结一种钢拱架顶升工艺方法,该工艺减少掌子面立架作业人员数量,在节省施工时间的同时保证了钢拱架安装质量,为隧道工程的施工带来全方位品质提升,做到了安全、高效隧道初支,为类似隧道工程施工提供一定借鉴。

围岩空间变异性对隧道稳定性影响及注浆加固优化

根据岩土体弹性模量呈现空间随机分布的特征,结合随机理论与Monte-Carlo方法,建立围岩单元环向统计分析法,把力学性质相近的单元归为一类,建立了能考虑四心圆公路隧道围岩空间变异性的隧道变形稳定性随机有限元法,揭示了围岩和注浆效果空间变异性特征对隧道变形稳定性的影响规律。结合皮家岭隧道研究显示:考虑0~3 m围岩深度范围内围岩弹性模量(平均值为0.5 GPa,标准差为15.0 GPa)的空间随机性时,可靠度0.90对应的洞壁最大位移的最大值为11.33 cm,比平均值10.63 cm大6.59%,相同空间变异性围岩位于3~6 m深度范围时,可靠度0.90对应的洞壁最大位移的最大值为10.85 cm,距离洞壁越近的围岩空间变异性对围岩位移安全的风险越大;考虑围岩空间变异性条件下注浆加固后围岩拱顶可靠度0.90最大位移值减小了约3.5%,极值的区间范围减少约25%。研究方法和结论为围岩空间变异性四心圆隧道的优化设计和施工安全控制提供了理论依据,更为探究围岩空间变异性的隧道可靠度设计提供思路。

基于全位移理论的引水隧洞围岩变形全过程研究

鉴于当前隧洞监控量测方法无法测得由隧洞提前开挖扰动所产生的位移和未及时安装监测设备所损失的位移,因此隧洞围岩变形不能准确预测,基于全位移理论,提出了隧洞开挖过程中损失位移、超前位移和围岩内部变形全位移的计算方法.对现场监测数据进行回归分析并采用FLAC3D有限差分软件模拟隧洞开挖.研究结果表明:隧洞开挖全过程中,围岩内部位移变化曲线呈S形特征,即分为初始增长、快速增长和稳定收敛3个阶段;掌子面空间约束效应的影响范围大致在前后4倍隧洞直径内;数值模拟中超前位移与全位移比值即围岩超前位移比,计算结果为0.3~0.4,与工程现场围岩实际变形规律相符.因此,所求得的围岩内部变形全位移更符合现场实际情况,可为后续隧洞开挖过程中围岩内部变形全位移的计算,以及预留变形量的设置提供理论依据.

浅埋海底隧道围岩应力复势函数显式解

利用弹性复变函数理论将浅埋海底隧道简化为半无限平面问题,考虑围岩自重和海水压力的影响,对隧道开挖后的围岩应力分布进行研究.采用分式映射函数将围岩域映射为像平面圆环域,在圆环域内将复势单值解析函数展开为Laurent级数.利用无穷远点应力有界性对Laurent级数幂次项进行确定,根据地表边界和孔口不均匀应力边界条件得到Laurent级数系数迭代表达式,将已确定的Laurent级数条件代入迭代表达式中得出复势函数显式解,从而实现复势函数系数从低次幂迭代至高次幂.根据应力分量的复变函数表达式即可得到隧道周围各点应力分量.研究了两个单值解析函数取不同幂次时对结果的影响,分析了浅埋隧道埋深对环向压应力的影响.研究结果表明:幂级数解具有较高的可靠性,在隧道上半部分幂级数解与有限元数值解吻合效果良好,在隧道下半部分幂级数解最终计算结果比有限元结果相对保守;为了保证计算结果的准确性复势函数需取足够多项;随着隧道埋深增大,隧道底部及两侧孔腰处环向压应力不断增大;腰部与底部环向应力的差值也随之增大.