利用ansys有限元軟件,對(duì)大跨度小凈距隧道淺埋段施工過程中的小導(dǎo)管注漿措施的加固效果進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,揭示了施工過程中加固措施對(duì)隧道周邊變形和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。研究結(jié)果表明:地表的沉降值和地層特征點(diǎn)的位移都有不同程度的減小,初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩最大值減小約20%~25%,加固措施對(duì)于圍巖的穩(wěn)定,特別是對(duì)中巖柱的穩(wěn)定有及其重要的影響,加固效果主要體現(xiàn)在隧道下臺(tái)階的開挖過程中。分析方法和計(jì)算結(jié)果對(duì)小凈距隧道設(shè)計(jì)、施工具有一定的參考價(jià)值。

在尚家灣隧道施工期間,曾預(yù)報(bào)并揭露大型溶洞,溶洞的存在給隧道施工帶來極大的安全隱患。以尚家灣隧道為背景,開展數(shù)值試驗(yàn)。通過對(duì)比隧道前方有、無溶洞條件下開挖工況,從位移、應(yīng)力、塑性區(qū)3個(gè)方面分析了隧道前方大型溶洞對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。研究表明:對(duì)于本工程而言,溶洞對(duì)隧道底部和左側(cè)拱腰的影響要大于對(duì)隧道頂部及右側(cè)拱腰的影響;隧道前方存在大型溶洞條件下塑性區(qū)體積隨開挖位置呈指數(shù)增長(zhǎng)。隧道前方無溶洞條件下,塑性區(qū)體積隨開挖位置呈線性增長(zhǎng),即溶洞的存在大大加速了隧道開挖塑性破壞區(qū)的增長(zhǎng)。該研究對(duì)巖溶地區(qū)隧道安全施工具有一定的指導(dǎo)意義。

公路隧道圍巖穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀與展望

從軟弱圍巖的地質(zhì)特征出發(fā),分析其工程特性和變形特征,就軟弱圍巖的監(jiān)測(cè)內(nèi)容及其對(duì)應(yīng)的儀器、方法進(jìn)行闡述。工程實(shí)例中通過周邊位移和拱頂下沉的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析,結(jié)果表明,周邊位移和拱頂下沉的收斂率都達(dá)到了94%以上,均可以進(jìn)行二次襯砌。通過對(duì)軟弱圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,對(duì)后期隧道施工提供指導(dǎo)。

通過建立有限元、離散元兩種數(shù)值力學(xué)模型,開展開挖跨度對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律研究。結(jié)果表明:在不考慮洞室形狀影響的前提下,當(dāng)圍巖按連續(xù)介質(zhì)假設(shè),且開挖后仍處于彈性應(yīng)力狀態(tài)時(shí),單純?cè)黾铀淼篱_挖跨度對(duì)圍巖應(yīng)力狀態(tài)影響不大;但若開挖后進(jìn)入彈塑性應(yīng)力狀態(tài),則單純加大開挖跨度會(huì)導(dǎo)致塑性區(qū)半徑大幅度增加,影響圍巖穩(wěn)定。當(dāng)圍巖按非連續(xù)介質(zhì)假定時(shí),巖體失穩(wěn)主要呈現(xiàn)節(jié)理面間剪切滑移。開挖跨度增大相當(dāng)于隧道跨度與巖塊的相對(duì)尺度增大,隧道關(guān)鍵塊體失穩(wěn)概率加大,對(duì)于相同產(chǎn)狀節(jié)理巖體,關(guān)鍵塊體出現(xiàn)部位相同;另一方面,跨度增大引起在隧道開挖的應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)內(nèi)遭遇節(jié)理的組數(shù)增加,組數(shù)越多,巖體越破碎,失穩(wěn)概率越大,且失穩(wěn)模式各有不同,增加了支護(hù)難度。

針對(duì)2種不同施工順序?qū)Φ叵露词覈鷰r穩(wěn)定性的影響,其一是先開挖地下隧道,后修建地面建筑,分析了隧道洞頂?shù)某两滴灰?、洞室圍巖的變形、塑性區(qū)、拉壓破壞區(qū)等;其二是先修建地面建筑地面建筑先完成,后開挖地下隧道,分析了地下隧道的受力、變形、破壞區(qū)以塑性區(qū)等。通過分析得出了前一種施工順序更為有利的結(jié)論。

以納溪高速公路敘嶺關(guān)隧道為背景,以方形溶洞為例,運(yùn)用三維有限元方法分析隧道側(cè)部溶洞對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明:隨著隧道的不斷推進(jìn),右拱腳附近豎向位移和最大主應(yīng)力有較明顯的增加;拱頂、拱底圍巖變形有朝溶洞方向位移的趨勢(shì);側(cè)部溶洞對(duì)圍巖的影響范圍大約是2倍隧道洞徑,對(duì)1倍隧道洞徑內(nèi)的圍巖及側(cè)部溶洞應(yīng)及時(shí)處理。隧道圍巖位移、應(yīng)力的變化規(guī)律可為巖溶處理、支護(hù)時(shí)機(jī)提供依據(jù)。

針對(duì)我國(guó)公路隧道修建日益增多及巖溶分布廣泛的現(xiàn)狀,利用“公路隧道結(jié)構(gòu)與圍巖綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(ctsssrh)”和有限元分析程序?qū)r溶區(qū)公路隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了一系列的大型相似模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,探討了溶洞大小對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響,總結(jié)了公路隧道圍巖穩(wěn)定性與巖溶關(guān)系的一些規(guī)律

采用midas/nx有限元模擬軟件,模擬了淺埋偏壓小凈距隧道的開挖施工過程,研究了不同施工方法下淺埋偏壓小凈距隧道的洞周圍巖位移、仰拱位移、地表沉降及巖質(zhì)邊坡位移的變化規(guī)律。結(jié)果表明

為研究小凈距隧道洞口段圍巖穩(wěn)定性情況,依據(jù)角兒尖隧道數(shù)值計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的圍巖變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),從地表沉降、周邊收斂、支護(hù)狀態(tài)觀察等方面對(duì)隧道洞口段圍巖變形情況進(jìn)行分析。結(jié)果表明:角兒尖隧道支護(hù)措施效果良好,圍巖穩(wěn)定;洞口遇軟弱破碎圍巖段,在后開挖硐室靠近已開挖隧洞的地表部位及已開挖隧道靠近后開挖硐室的邊墻位置,注意支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)。研究?jī)?nèi)容檢驗(yàn)了支護(hù)措施的效果,指出了圍巖薄弱部位,對(duì)類似工程研究有一定借鑒作用。

采用midas/nx有限元模擬軟件,模擬了淺埋偏壓小凈距隧道的開挖施工過程,研究了不同施工方法下淺埋偏壓小凈距隧道的洞周圍巖位移、仰拱位移、地表沉降及巖質(zhì)邊坡位移的變化規(guī)律.結(jié)果表明:開挖方法對(duì)圍巖位移、地表沉降、邊坡位移的影響較大;在巖質(zhì)邊坡的存在下,左洞與右洞的位移有較大的差別;中隔壁法對(duì)位移的控制最好.在巖質(zhì)邊坡下開挖隧道,邊坡各個(gè)方向的位移都較大,因此,在隧道開挖過程中應(yīng)充分做好邊坡的防護(hù)工作.

跟蹤某隧道施工,進(jìn)行地質(zhì)素描和節(jié)理統(tǒng)計(jì),通過赤平投影分析節(jié)理發(fā)育分布規(guī)律,建立巖體結(jié)構(gòu)模型;根據(jù)隧道圍巖結(jié)構(gòu)模型,運(yùn)用離散元分析方法計(jì)算圍巖穩(wěn)定性,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)塌方分析圍巖破壞模式。通過離散元分析及時(shí)支護(hù)和無支護(hù)情況下圍巖穩(wěn)定性,探討鋼格柵錨桿組合進(jìn)行初次支護(hù)的力學(xué)機(jī)理;根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鋼格柵承受壓力和隧道收斂監(jiān)測(cè),分析某隧道施工中圍巖和支護(hù)體系的穩(wěn)定性,總結(jié)出隧道施工中安全事故的主要原因,并給出合理的支護(hù)建議。

隧道圍巖穩(wěn)定性分析是該工程領(lǐng)域亟需解決的問題。本文主要針對(duì)圓形斷面隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析,建立了合適的地質(zhì)模型,分析了隧道開挖過程中,隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用力的變化規(guī)律,為今后的相關(guān)研究提供了一個(gè)思路。

結(jié)合熊渡隧道的工程實(shí)踐,通過拱頂沉降、錨桿應(yīng)力的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)和數(shù)值計(jì)算工作,研究了復(fù)雜地質(zhì)條件下巖溶隧道全斷面爆破開挖時(shí)圍巖的穩(wěn)定性,研究結(jié)果表明,熊渡隧道ⅴ級(jí)圍巖段的破碎帶采用現(xiàn)有的施工工藝和支護(hù)參數(shù)是可行的,圍巖變形可控,支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果顯著,圍巖基本穩(wěn)定。

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展,人們對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性研究的方法呈現(xiàn)出各種各樣。文章通過資料的查閱,總結(jié)了隧道圍巖穩(wěn)定性研究的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀,在前人研究的基礎(chǔ)上分析了其以后的發(fā)展趨勢(shì)。

通過曼歇2號(hào)隧道中導(dǎo)洞開挖中的地質(zhì)素描和資料收集,依據(jù)掌子面和兩壁出露的地質(zhì)體的巖性、節(jié)理、巖體結(jié)構(gòu)類型、地質(zhì)構(gòu)造特征等綜合特征,沿其走向、傾向和傾角的延伸推斷工作面短距離前方的地質(zhì)情況,應(yīng)用赤平投影分析法對(duì)正洞的圍巖穩(wěn)定性和邊坡的變形破壞做出定性和定量分析,從而預(yù)測(cè)兩側(cè)正洞的地質(zhì)情況,對(duì)連拱隧道上、下行線正洞的施工予以指導(dǎo)和控制,進(jìn)而達(dá)到短期預(yù)報(bào)的目的。

采用有限元方法,初步研究了隧洞在埋深為33,233,433m時(shí),在ⅰ~ⅴ級(jí)圍巖的受力、塑性變形和位移變化。研究發(fā)現(xiàn),在同一埋深下,隨著圍巖破碎程度的增加,圍巖的受拉區(qū)和塑性變形區(qū)逐漸從拱頂、底向邊墻轉(zhuǎn)移,并可能在邊墻處發(fā)生拉應(yīng)力突增現(xiàn)象,突增幅度隨埋深的增加而增大。隧洞的拱頂、邊墻和拱底都會(huì)產(chǎn)生較大位移;隨著埋深的增加和巖體的破碎,拱頂和拱肩的位移會(huì)超過其他部位。計(jì)算結(jié)果和已有的模型試驗(yàn)結(jié)果相比較,論證了研究方法和結(jié)論的合理性。

我國(guó)部分高速公路建設(shè)在山地丘陵地區(qū),地質(zhì)條件極其復(fù)雜,會(huì)遇到大量隧道工程,而有些隧道受到地形、線形規(guī)劃等條件的限制,往往需要修建小凈距隧道,而圍巖穩(wěn)定性對(duì)于施工尤為重要。本文以某淺埋小凈距隧道為例,采用數(shù)值模擬的分析方法,研究隧道出口段分別采用交叉中隔壁法(crd工法)和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工對(duì)圍巖變形和力學(xué)特性的穩(wěn)定性影響,將不同施工方法開挖引起的隧道圍巖變形和塑性區(qū)情況進(jìn)行了對(duì)比分析。研究結(jié)果表明,crd工法引起的圍巖擾動(dòng)相對(duì)較小,這將為比較選擇更為安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)和施工方法提供較好的科學(xué)依據(jù)。

凍巖隧道施工中,開挖、初襯、保溫層和二襯等作業(yè),產(chǎn)生的施工熱量及洞內(nèi)外空氣的熱交換,將影響凍土圍巖原始地溫場(chǎng)。這種地溫場(chǎng)的擾動(dòng),破壞了凍土地層的熱力學(xué)平衡,使其凍土的熱物理力學(xué)性能發(fā)生改變,其中包括凍土的融沉性、凍土回凍過程的膨脹性以及隧道的穩(wěn)定性等工程力學(xué)性能。因此,保護(hù)凍土、減少施工對(duì)凍土原始地溫場(chǎng)的擾動(dòng)是凍土隧道施工的重要控制因素之一。通過建立凍土圍巖、支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)、隔熱保溫層和洞內(nèi)環(huán)境氣體熱力學(xué)模型,根據(jù)實(shí)際工況和實(shí)測(cè)洞內(nèi)環(huán)境溫度及地溫,應(yīng)用ansys有限元程序,對(duì)不同施工工況下圍巖的溫度場(chǎng)變化進(jìn)行模擬,分別研究毛洞暴露時(shí)間、初襯施作時(shí)機(jī)、初襯持續(xù)時(shí)間等不同狀況下,凍巖溫度場(chǎng)的擾動(dòng)規(guī)律、融化圈深度。根據(jù)不同施工方法下融化圈大小對(duì)洞室穩(wěn)定性的影響,為凍土隧道施工控制和決策提供科學(xué)依據(jù)。

利用三維拉格朗日有限差分法對(duì)某深埋隧洞工程進(jìn)行分步開挖支護(hù)數(shù)值模擬,對(duì)比分析了隧洞在無支護(hù)、錨桿支護(hù)、襯砌支護(hù)及復(fù)合支護(hù)下圍巖的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)分布,對(duì)地下隧洞工程設(shè)計(jì)與施工提供了參考依據(jù)。

針對(duì)昆-石高速公路陽宗隧道斷面跨度大的特點(diǎn),通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)、操作難易程度的綜合比較,陽宗隧道使用wtd系統(tǒng)錨桿支護(hù)對(duì)圍巖進(jìn)行加固,效果良好。使用高性能混凝土作為隧道二次襯砌,降低病害的發(fā)生,減少整治麻煩,給隧道施工和運(yùn)營(yíng)都帶來極大的方便。采用地層-結(jié)構(gòu)模式,運(yùn)用同濟(jì)曙光軟件分析地質(zhì)條件較差的ⅴ級(jí)圍巖隧道施工方法對(duì)圍巖穩(wěn)定性的擾動(dòng)規(guī)律,計(jì)算結(jié)果表明施工方法選擇合理;采用荷載-結(jié)構(gòu)模式,應(yīng)用有限元軟件—ansys對(duì)二襯結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行檢算,計(jì)算結(jié)果表明該隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、安全性好。

如何簡(jiǎn)單、高效、準(zhǔn)確地對(duì)工程巖體進(jìn)行分類是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究課題,也是現(xiàn)場(chǎng)施工的迫切需求,特別是某些特定的地下工程。以江西某公路隧道為研究對(duì)象,結(jié)合該地區(qū)實(shí)際所處的地質(zhì)環(huán)境,選取不連續(xù)結(jié)構(gòu)面狀態(tài)及充填情況、巖石單軸抗壓強(qiáng)度rc、巖石質(zhì)量指標(biāo)rqd、地下水滲水量w和洞軸線與層狀巖石的夾角θ這五個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子,建立了基于bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的公路隧洞圍巖分類模型,成功地對(duì)公路隧道圍巖等級(jí)進(jìn)行了評(píng)級(jí),取得了良好的評(píng)價(jià)效果,為公路隧道圍巖的快速分類提供了依據(jù)。