隧道拱顶渗漏稳态渗流场的解析研究

针对隧道运营中发生拱顶渗漏且无泥沙涌入的稳态渗流情况,结合保角变换法和分离变量法推导出隧道拱顶渗漏稳态渗流场的显式解析解.应用PLAXIS有限元软件建立数值模型,从渗流场分布、衬砌水压力两方面验证所得解的正确性,通过与现有解析解、数值解、试验结果的渗流量对比来验证所得解的准确性.进行参数分析,探究隧道埋深、渗漏宽度对衬砌水压力和渗流量的影响规律.结果表明,衬砌水压力在以渗漏位置为中心±60°范围内明显降低;随着隧道埋深的增大,衬砌最大水压力减小,渗流量先减小后增大,且渗流量最小值对应的隧道埋深随着地表水头的增大而增大;随着渗漏宽度的增大,衬砌最大水压力减小,渗流量增大,当渗漏宽度大于0.05 m时,渗漏宽度变化对水压力和渗流量的影响较小;在渗漏宽度较小时进行渗漏控制的效果明显.

运营期浅埋公路隧道拱顶覆土层力学分析模型及沉降规律研究

浅埋盾构隧道下穿既有公路时,车辆荷载作用下隧道拱顶不同深度覆土层会发生沉降,针对这一问题,提出一种盾构过程中拱顶覆土两阶段沉降分析模型,采用ABAQUS数值模拟(FEM)验证本文所建立沉降模型的正确性。研究结果表明:对Peck公式中土体体积损失参量进行修正并基于非线性荷载作用下的Boussinesq解所建立的等效地表两阶段沉降分析模型能有效预测车辆循环荷载和隧道盾构耦合作用下盾尾拱顶覆土沉降发展规律。在盾构过程中,盾尾拱顶覆土沉降扰动增加区段位于接近区至下穿区前2/5处,下穿区出现沉降峰值后进入沉降扰动平缓区段,远离区为沉降扰动减小区段,沉降发展规律符合Protodyakonov压力拱理论,沉降增加主要发生在压力拱破坏期间;盾构完成后,车辆循环荷载影响5 m左右深度的覆土层沉降,深度大于5 m时车辆荷载发生应力扩散,沉降主要影响因素为隧道开挖造成的土体体积损失。

隧道下穿既有桥墩矿山法施工变形控制研究

地铁隧道下穿既有桥梁基础时,围岩变形会导致上部桥墩柱的沉降和侧移,预通过比较衬砌支护、小导管注浆、超前管棚支护对围岩及上部结构的变形控制效果。以某市地铁隧道下穿立交桥墩柱为研究对象,采用数值模拟计算的方法,对比分析了普通衬砌支护、超前小导管注浆、单一施作管棚支护以及超前小导管注浆+管棚支护的4种工况下,下穿桥墩桩基开挖引起的隧道拱顶沉降和桩基沉降。结果表明,小导管注浆+管棚超前支护工况隧道的围岩变形以及上部基础的沉降均满足规范要求,且相对仅衬砌支护工况隧道的拱顶变形量减少了30.1%、上部桩体沉降减少了24.78%;说明小导管+管棚支护能够有效控制上部围岩变形,确保了上部结构的安全运营,所选开挖支护方案满足安全性、适用性和耐久性的要求。

浅埋偏压隧道冒顶塌方的二次破坏风险仿真分析

文中提出浅埋偏压隧道冒顶塌方的二次破坏风险仿真分析方法.该方法以某浅埋偏压型隧道为研究对象,依据隧道围岩和支护物理参数使用有限元模拟软件构建隧道冒顶塌方二次破坏风险仿真模型.对隧道冒顶塌方二次破坏风险仿真模型进行网格划分,整合隧道不同空间位置质量参数.利用仿真模型计算二次破坏风险相关性系数,依据该系数判断二次破坏风险.结果表明:该方法计算出的隧道冒顶塌方二次破坏风险相关系数数值与实际值完全吻合,验证了模型的可靠性.浅埋偏压隧道挖掘时的渗透体积荷载取值越大,其内部变形越显著,塑性区分布范围越广,此时隧道围岩变形严重坚固程度差,冒顶塌方二次破坏风险较高.

超大断面山岭隧道开挖工法设计研究

针对超大断面山岭隧道开挖方案设计进行研究,并经过现场实际施工后监控量测及数值模拟进行验证。结果表明:(1)三台阶拉中槽法与三台阶七步开挖法在超前支护辅助施工前提下,完全可以适用于超大断面隧道结构开挖;(2)超大断面隧道结构应将拱顶沉降作为超大断面山岭隧道开挖时围岩稳定性判定的主要因素;(3)三台阶七步开挖法相比于三台阶拉中槽法,其拱顶沉降较大,最终累计能达到12.62mm。但是后者相比于前者工序较为繁杂,隧道建设需依据实际情况择优而用。

富含生活垃圾土层浅埋暗挖隧道变形实测分析

富含生活垃圾土层软弱,浅埋暗挖隧道易产生较大变形和坍塌。依托实际工程,对隧道施工过程地表、拱顶、侧墙变形开展实测,分析监测数据的规律与影响因素,针对性采取工程措施,确保浅埋暗挖隧道顺利实施。研究结果表明:(1)采用水泥浆注浆改良垃圾土,可增加垃圾土抗剪强度,隧道开挖时地表沉降较小;(2)靠近竖井洞口处地表纵向沉降值最大,沿纵向距离增加而趋于稳定。地表横向沉降值与Peck公式预测值基本一致,但变曲点不明显;(3)降雨会加速拱顶沉降,沉降速率为稳定监测期的13倍,采用咬合式高压旋喷桩可有效封闭垃圾土层地下水;(4)拱顶变形会直接导致地表沉降,核心土挖除后,应立即封闭初衬;(5)隧道初衬完成后12~14 d变形速率较快。

基于FA-ELM模型的隧道拱顶沉降预测研究

准确预测隧道拱顶沉降对隧道的安全施工至关重要。为了提高隧道拱顶沉降的预测精度,引入了萤火虫优化算法对极限学习机的权值和阈值进行优化,提出了一种基于萤火虫算法优化的极限学习机预测模型。将该模型运用于重庆轨道交通十号线南坪站至南滨路站隧道拱顶沉降中,并将模型预测值和实际监测值对比。结果表明,经过萤火虫算法的优化,预测模型的误差范围由0.85%~14.278%降低到0.308%~6.618%,平均误差由7.225%降低到3.788%。可见萤火虫算法优化的极限学习机模型具有更高的预测精度,该预测模型能够更好地运用到隧道拱顶沉降的预测中,以提高隧道施工的安全性。

城市砂土隧道开挖工法优化研究

隧道开挖工法的正确选择对隧道施工的稳定性至关重要,以西安市开元路—建元路下穿通道项目为依托工程,运用MIDAS GTS NX软件进行数值模拟,通过对中隔壁法、CRD法和环形预留核心土三种开挖工法下产生的隧道地表沉降、拱顶下沉和支护结构内力进行计算分析,优化依托工程的开挖工法。施工现场在使用优化后的开挖工法进行施工时,对现场开挖引起的地表沉降和拱顶下沉进行实时监测,通过现场监测的结果对优化后的开挖工法效果进行评价。

城市浅埋软岩隧道施工沉降分析及对策

浅埋软岩隧道施工沉降变形控制是浅埋地下工程面临的关键难题,其中最基础的内容是对开挖引起的沉降变形规律的掌握。通过对新建龙岩至厦门铁路石桥头隧道地表沉降变形观测分析,将地表沉降变形划分为三个主要阶段:初始沉降阶段、加速沉降阶段和减速沉降阶段;结合隧道拱顶沉降监测结果,得出浅埋软岩隧道地表沉降与拱顶沉降正相关的结论。隧道开挖对掌子面前后纵向地表沉降的主要影响范围分别为1.5D和3D(D为开挖跨度);横向地表沉降影响范围包括隧道中线两侧各4D的范围,地表建(构)筑物受到较大影响包括隧道中线两侧各2D的范围。针对地表和拱顶沉降过大,采取全断面超前预注浆方案进行处理,监测结果显示全断面超前预注浆能有效控制拱顶下沉和地表沉降量,收敛值减小则不显著,说明该方案达到了控制沉降变形的目的。

松软地层水平管棚工艺参数的研究

通过对管棚的几何关系和承受的地压分析 ,应用编程计算 ,可得到不同工程条件和地质条件下管棚的长度、管径、间距、仰角和掘进步距等施工参数的计算值 .按此方法指导的水平管棚设计施工在北京地铁复八线和热力管道工程中取得了良好的效果 .

及时支护隧洞变形规律研究及稳定性评价

针对软岩及土质隧洞围岩强度低、稳定性差及现有隧洞围岩稳定性评价方法对及时支护隧洞的不适用性,通过数学模型试验系统研究了弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角、埋深、洞径和侧压力系数等与需及时支护隧洞拱顶围岩变形和喷层受力的相互关系,并据此探讨了以支护结构安全性为标准的隧洞围岩稳定性评价新理念。该理论在新疆库尉输水工程的成功应用表明其具有较好的可靠性。数值试验结果显示各因素对拱顶围岩变形和喷层应力影响显著,且对大主应力的影响尤为明显,随变形的发展喷层拱顶处应力主轴对调,大、小主应力名称互换。喷层大主应力随弹性参数的增大而增大,随强度参数的增大而减小。该研究成果能为软岩隧洞工程的设计和施工提供理论指导。

基于ANSYS-BP的隧道拱顶沉降预测研究

为控制隧道拱顶下沉过程及其最终下沉量,保障隧道工程建设安全,需要准确预测隧道拱顶沉降量。基于有限元和人工神经网络,结合工程实践,提出ANSYS有限元和BP神经网络相结合(ANSYS-BP)的隧道拱顶沉降预测方法。其预测步骤为:根据隧道地质条件、围岩性质、施工工艺、支护衬砌方式,采用ANSYS建立隧道模型,计算多步工艺施工下隧道拱顶指定单元处沉降值序列,以此构建BP神经网络预测模型,将沉降序列信息作为输入样本对BP神经网络的进行训练、测试。并以某在建公路隧道为研究对象,进行预测分析。结果表明,ANSYS-BP方法能够有效改善隧道拱顶沉降的预测性能,其预测值与实际监测值基本一致,预测精度高于单独使用ANSYS计算或BP网络预测的结果。

隧道下穿采空区的监测及结果分析

以山西灵石隧道下穿采空区段为研究对象,通过有限元数值模拟分析得出隧道洞室的拱顶下沉和周边收敛值,并对隧道穿越采空区段部分采空区的应力,隧道洞室的拱顶沉降和周边收敛等进行监测。将实测结果和模拟值进行对比分析,结果表明,本文采用的最小安全厚度为7m的安全厚度计算模型是安全可靠且可行的,提出的浆砌片石墩柱、钢拱架支撑、超前小导管注浆、超前锚杆等措施相结合的采空区治理方案是可靠有效的,可为以后类似工程提供借鉴。

有理函数在隧道监测数据回归分析中的应用

目前隧道施工均以新奥法为基础,其重要的一个特征就是在隧道施工过程中进行隧道围岩变形的量测,根据量测数据确定二次砌衬的施工时间,但是由于观测值有较大的离散性,因此必须经数学处理后才能使用,本文以某工程为例,采用有理函数模型对观测数据进行回归分析,可用有关回归曲线预测该断面的沉降值,并与规范推荐的回归函数进行了对比分析,结果表明,有理函数模型与实测数据较为吻合,误差较小,从而保证了工程质量和施工的安全性。

浅埋软岩隧道拱顶下沉预测及二衬合理支护时机

考虑浅埋软岩隧道随掌子面推进距离及围岩弹塑性、流变特性引起的拱顶下沉,再加上掌子面开挖前的拱顶下沉量,推算出拱顶下沉函数的经验计算公式。利用非线性最小二乘拟合对现场数据进行计算,得到拱顶下沉预测总量,依据规范得出浅埋软岩隧道二衬的合理支护时间。

穿江隧道拱顶沉降的三维有限元分析

以浏阳河穿江隧道西线单洞CD法开挖为例,利用Ansys有限元软件对隧道开挖过程进行了三维动态模拟分析,得到在CD法开挖下隧洞拱顶沉降值,并与实际监测数据进行对比,总结了在该工程条件下隧道拱顶沉降的特点和变化规律,为以后类似的工程提供借鉴、依据和指导.研究表明:拱顶沉降随空间位置变化不明显;隧道上层覆土固结程度越高,拱顶沉降越小;加固区范围适合,抗渗性良好,渗流对拱顶沉降有一定的积极作用.

高铁隧道衬砌拱顶空洞对列车荷载响应研究

以某高速铁路某一隧道存在拱顶空洞为工程背景,基于高速列车振动荷载实测数据和列车振动理论,利用ABAQUS有限元软件,建立隧道衬砌拱顶不含空洞与含有不同深度空洞的隧道结构有限元模型,施加相应的约束及边界条件,对隧道结构在列车振动荷载作用下的动力响应行为进行数值仿真分析。研究结果表明,随空洞深度的增加,拱顶含空洞的衬砌结构将会使原有衬砌受力状态发生改变,空洞深度越大,围岩塑性区改变越明显,衬砌整体受力越不利;不含空洞的隧道衬砌关键点与轨道距离越近振动响应越明显,拱顶响应最弱;衬砌拱顶空洞深度对列车振动响应明显,随深度的加大,其响应越剧烈,使衬砌围岩塑性区发生进一步扩展并最终影响到隧道结构的整体稳定性,对列车运营安全造成威胁。研究结果对于进一步探索含缺陷隧道衬砌结构的劣化动力学行为奠定了基础。

明洞顶回填水泥改良黄土力学特性研究

山区高速公路建设中,明洞顶回填应用广泛。通过大量的室内土工试验和理论分析,对水泥改良黄土的物理性质、应力—应变关系、强度特性、压缩特性及影响水泥改良黄土的力学特性的主要因素进行了研究。实验结果表明:水泥改良黄土的应力—应变关系曲线存在明显的应力峰值点,水泥改良土表现出明显的脆性破坏;最大干密度随水泥掺合比的增加变化不明显;压实度、掺合比以及龄期对水泥改良黄土的粘聚力均有影响;压缩模量与掺合比成正比,压缩系数随水泥掺合比的增加而降低。

公路隧道复合式衬砌结构数值计算及分析

针对榆树沟隧道工程实际情况,选取了3种不同的复合式衬砌结构类型进行数值计算,对初期支护和二次衬砌的内力、安全系数及洞周位移、拱顶下沉、围岩塑性区的分布等进行了分析,评价了衬砌结构的安全性。结果表明:对于Ⅱ、Ⅲ类围岩,上台阶及下台阶中央区的开挖为施工的关键工序;对Ⅳ类围岩,上台阶开挖为施工的关键工序;在Ⅱ类围岩浅埋条件下,拱顶下沉主要是由上台阶的开挖及下台阶中央区的开挖所引起;在Ⅲ类以上围岩条件下,拱顶下沉绝大部分是由上台阶的开挖所引起;洞周位移较小,最大值为18 mm,发生在Ⅱ类围岩浅埋拱脚处;围岩塑性区发展深度最大者,连通到地表,属于Ⅱ类围岩浅埋;Ⅲ类围岩墙脚处塑性区较大;Ⅳ类围岩塑性区较小。

小导管注浆粘土隧道破坏机制的试验与理论研究

运用Acutronic 661型离心机研究超前小导管注浆加固圆形隧道的塑性变形机制,试验隧道在平面应变条件下的超固结粘土中开挖,小导管采用具有一定硬度的合成树脂模拟,管间相互重叠形成拱形加固区,设置在圆形隧道拱顶。模型地表沉降采用位移传感器进行测量,地下位移则通过一种连续的图形采样分析系统获取。目的在于研究隧道建设过程中小导管注浆"拱顶加固"工艺对地表沉降和隧道稳定性的影响。在此基础上,从塑性极限分析上限法的基本原理出发,构建小导管注浆粘土隧道的垮落机制,采用解析法导出稳定率上限方程,通过该方程进一步讨论隧道埋深、土体强度、小导管注浆体对单圆形隧道稳定率上限解的影响。最后,由离心模型试验结果证实其上限解的正确性。