浅埋软岩隧道结构简化模型及分析方法∗

现有钻孔隧道力学分析模型主要集中在中、深度隧道(覆盖层直径比 C/D ≥ 2),但这类隧道模型因忽略了浮力且没有考虑到隧道衬砌的实际荷载,并不适用于浅埋钻孔隧道的力学分析。此文结合浅埋隧道的有限元分析,提出了一种浅层隧道计算模型,并研究了隧道截面最优厚度直径比 d/D 与覆盖层直径比 C/D 之间的关系。 该模型中的隧道衬砌荷载包括浅层隧道顶部和底部的荷载差,利用提出的浅层隧道模型计算隧道截面上特定点处的土压力,以及结合有限元法进行结构分析得出一系列关键结论。结果表明,在有浮力的浅埋隧道分析中,隧道衬砌归一化内力和变形较无浮力的浅埋隧道显著大,当改变隧道覆盖深度时,隧道衬砌的最大变形值达到最小。结合结构分析和隆起分析的结果给出了掘进过程中隧道某断面 C/D 值的最优断面直径比值和最优覆盖层直径 C/D 比值。     

浅埋富水软岩隧道大变形机理与控制研究∗

针对洞口段富水浅埋软弱围岩隧道易发生挤压性大变形的特点,依托某隧道,通过监控量测、室内试验、数值模拟等手段分析隧道的变形特征、影响因素及其致灾机制与力学破坏模式。结果表明,隧洞开挖后变形具有流变特性,且持续时间长、变形量大;此外,上、中台阶开挖造成的拱顶沉降、围岩收敛分别占总变形的 61.16%、63.34%, 是大变形产生的主要阶段;洞内大变形是在多种影响因素的耦合作用下产生的,地下水是造成该软岩隧道大变形的主要控制因素,地下水的软化、渗流是大变形的主要变形机理,破坏力学模式主要有软岩塑流和累进性松脱扩展两种,软岩塑流造成侧墙鼓出、顶压以及钢拱架扭曲等现象,累进性松脱扩展造成垮塌、地表裂缝等现象。数值模拟验证了大变形力学机理的正确性并反演了大变形发展趋势。最终针对该隧道大变形产生的主要原因,提出并实践形成了“内外结合”的主动控制技术：洞外掌子面动态跟进超前降水,洞内“中管棚+小导管”超前支护、上台阶 “核心土+扩大拱脚”、中台阶“临时仰拱+大锁脚”、下台阶“短进短衬,快速支护”,成功穿越 300 m 浅埋富水极软岩段,研究成果可为类似工程提供借鉴。     

浅埋隧道覆岩变形沉降的分布式光纤监测与分析

针对在浅埋隧道下穿既有设施的施工过程中上覆层变形难以实现分布式监测这一问题,基于脉冲预泵浦光时域分析(PPP-BOTDA)分布式光纤传感技术,以云南某浅埋隧道连续下穿二级公路和钢筋加工车间场地为例,提出分布式光纤的布设方案,对隧道上覆层沉降变形进行监测,分析上覆层的变形特征。结果表明:上覆层中光纤应变的时空演化过程与岩土体物理力学性质、掌子面推进过程、初衬支护作用以及水文地质条件有关;掌子面前方和后方上覆层分别处于拉应力和压应力控制区,掌子面的位置对应着拉—压应变过渡带。同时,将分布式光纤和地表水准仪沉降监测进行比较,两种方法测得沉降结果趋势一致,验证了分布式光纤在隧道施工过程中对上覆岩土体纵向沉降监测的可行性。分布式光纤监测由于能够获取覆岩的整体变形时空演化特征,具有较明显的优势。     

软岩隧道围岩变形季节性特征与防控措施研究∗

以香丽高速洼里别隧道为依托,通过隧道围岩变形监测结果,分析了炭质板岩隧道围岩变形与季节性降雨之间的关系,研究了围岩旱季和雨季隧道施工围岩变形差异的原因,提出隧道围岩大变形防控措施.结果 表明,受季节性降雨的影响,洼里别隧道围岩变形呈现出一定的季节性特征,较于旱季时期,雨季施工时围岩变形呈现出变形量大且变形速率快的特点;围岩大变形因围岩条件、地下水及施工原因共同影响产生,而炭质板岩的软化性、崩解性及其岩层倾角是引发围岩大变形的内因,地下水则是造成围岩变形呈现出季节性特征的主要原因.最后,基于三个主要影响因素,提出适用于洼里别隧道的围岩变形防控措施,采用控制措施后,现场施工效果良好.     

进尺对浅埋隧道掌子面稳定性及变形受力影响

基于强度折减有限元法分析不同进尺对隧道掌子面稳定性和破坏形态的影响,研究不同进尺下掌子面变形形态、拱顶沉降特性、地表沉降槽形状,并揭示不同进尺下掌子面前方、进尺开挖段、支护段的应力传递路径、拱效应特征及应力演化过程。结果表明:进尺对稳定性的影响呈现非线性特征,整体上随着进尺的增大,稳定安全系数降低,塑性分布范围增大,位移影响范围增大,且从掌子面附近逐渐扩展到开挖段,位移矢量角呈现非线性增大,即竖向位移所占比重增加。掌子面前方及进尺开挖段均存在拱效应,竖向拱效应大于横向拱效应,水平拱效应最弱,应加强掌子面底部围岩的稳定和已支护段的强度;根据竖向应力距掌子面距离的不同,可以将其分为三个区段:掌子面附近为应力降低区,即卸荷区;掌子面前方一段距离为应力升高区,即应力承载区;掌子面较远处,为原岩应力区。     

浅埋偏压连拱隧道地震响应规律研究

基于相似理论,设计并制作了几何相似比为1:20的浅埋偏压连拱隧道物理模型,完成了振动台试验并测得衬砌的应变响应与加速度响应。在试验基础上,通过MIDAS GTS NX有限元软件建立数值模型,验证了数值模型的合理性与可靠性,研究了浅埋偏压连拱隧道的地震响应规律。结果表明:(1)上覆土层厚度、偏压、衬砌与临空面的距离对浅埋偏压连拱隧道加速度响应的影响较大。(2)浅埋偏压连拱隧道中墙上的应变由于截面几何形式突变与集中力的原因,相对其余测点较大。(3)大小主应变与加速度放大系数趋势线的整体形状不随激振强度的增加而改变。(4)偏压与覆土厚度对连拱隧道位移的影响较小。(5)浅埋偏压连拱隧道中隔墙的应变、轴力、剪力和弯矩相对其他部位均较大,在进行浅埋偏压连拱隧道的抗震设计时,应给与重视。     

水平分层土质条件下浅埋隧道掌子面支护稳定性研究

浅埋隧道由于具有埋深浅、开挖面大的特点,在开挖过程中遇到的土质分层情况往往比较复杂。隧道掌子面的稳定性会对隧道施工的安全产生重要影响。保证掌子面稳定性的关键在于如何确定合适的极限支护压力。因此对水平分层土质条件下掌子面的极限支护压力进行研究。首先,根据村山公式的对数螺旋线假设,建立了具有共同旋转中心的分层超前核心土旋转破坏模式。其次,依据覆盖层楔形破坏模式和前人模型试验结果,简化隧道覆盖层土体对掌子面的影响模型;同时,根据极限分析理论计算了土体的外部荷载功率和内能耗散功率。然后,建立引入支护压力的极限方程,推导出了保证浅埋隧道掌子面稳定的极限支护压力的计算公式。最后,为验证理论计算的准确性,将理论分析结果和Flac3D数值模拟结果进行了对比分析。以上理论为研究水平分层土质条件下浅埋隧道掌子面的支护稳定性提供了一定的理论指导。     

城市浅埋暗挖隧道施工诱发地面塌陷的预测模型

以城市浅埋暗挖隧道上覆地层为状态量,隧道埋深、开挖直径、地下水位、上覆地层厚度等为控制量,基于突变理论建立城市浅埋暗挖隧道塌方的突变模型,揭示浅埋暗挖隧道地面塌方与各个影响因素之间的关系(比如随着地下水位的升高,浅埋隧道发生塌方的几率会大大增加)。利用该模型可得到城市浅埋暗挖隧道发生坍塌时,上覆地层地面沉降的临界值。以此上覆地层地面沉降临界值为隧道是否发生塌方的判定依据,结合广东莞惠城际铁路城市浅埋暗挖隧道工程的现场情况以及FLAC3D数值模拟,得出该模型预测沉降临界值与现场实测数据以及数值模拟结果相吻合,验证了该模型的准确性和合理性。     

浅埋煤层高强度开采覆岩切落式塌陷灾害及防控技术

高强度开采浅埋煤层容易造成覆岩切落式塌陷灾害,导致煤矿事故,危害采煤工人生命安全。为此该文提出浅埋煤层高强度开采覆岩切落式塌陷灾害及防控技术。通过计算关键层破断距、开采条件允许的老顶沉量,判断煤层开采区是否存在覆岩切落式塌陷裂缝,利用覆岩裂缝大小分析切落式塌陷灾害,判断是否存在切落式塌陷迹象,为覆岩切落式塌陷防控提供分析依据;分析覆岩关键层结构可知,浅埋煤层覆岩较薄削弱板簧效应产生自稳结构,拉破坏/拉剪破坏组合是覆岩切落式塌陷主要原因。根据分析结果研究塌陷灾害防控技术,一是控制浅埋煤层开采高度,二是填充开采工作面,由此防控覆岩切落式塌陷灾害。     

浅埋衬砌隧道-邻近建筑地震动力相互作用IBEM模拟

采用高精度间接边界元方法(IBEM)考察地震波入射下隧道-邻近建筑物二维地震动力相互作用的规律。结果表明:建筑物与邻近隧道存在着明显的相互作用,整体动力反应规律取决于隧道,建筑物之间的空间位置关系、隧道埋深、入射波的频率和角度等因素。隧道位于建筑物正下方时,刚性衬砌隧道(相对围岩)对上部结构主要表现为隔震效应;隧道位于建筑物两侧时,隧道对建筑顶部位移有明显放大效应,最大可放大约40%。同时隧道应力也明显增大,最大可放大约43%。因此实际中需根据隧道-建筑物的空间位置关系,适当调整衬砌隧道与沿线建筑物的抗震设防水平。     

越江公路盾构隧道浅埋段地温场演化趋势模拟分析

越江公路盾构隧道浅埋段地温场演化将影响隧道穿越的江滩区域的工程地质条件。基于有限差分法建立了南京长江隧道的数值模型,分别将实测地表温度和管片内侧温度作为地层外部交变热源与内部交变热源,对隧道浅埋段典型断面地温场的演化过程进行了模拟分析。结果表明:隧道与土体间的热交换作用使隧道周围的初始恒温地层转变为年变温地层。在高温期,隧道向周围土体传热;在低温期传热方向相反。隧道周围及两孔间存在显著变温区,其最大温升值达7.14℃,年波动最大峰谷值接近10℃。该显著变温区位于距隧道外壁5m以及两孔之间的区域。其地温场在隧道运营20a后可达到初步稳定。建立了该显著变温区内地温场的年际波动模型,据此可估算出隧道周围土体不同距离处的年际温度值,该模型可为火灾等极端传热条件下估算隧道浅埋段地温场提供初始值。     

软岩隧道预应力锚固系统中钢带的结构效应研究∗

预应力锚固系统为核心的变形主动控制技术为隧道挤压大变形的治理开辟了新途径,作为其中协同支护的钢带,其受力特性及结构效应未明确。鉴于此,在分析钢带主要结构形式的基础上,理论分析与数值仿真结合,开展了软岩隧道预应力锚固系统中钢带的结构效应研究。研究结果表明：基于单跨简支梁理论,得到随钢带惯性矩增大,围岩(跨中)挠度和最大主应力均呈现“先急后缓再平”的减小趋势,以此建议软岩隧道优先采用 W 形钢带、且惯性矩＞2.92E?01cm⁴ ;通过建立“预应力锚杆+钢带”与围岩作用模型,发现较单一预应力锚杆支护,钢带协同预应力锚杆支护具有更优的围岩变形控制效果和更佳的围岩应力改善功效,同时,锚杆的受力减小,相互间也更趋均匀。     

浅埋偏压条件下特大断面隧道地震动态响应的试验研究

以福州市二环路金鸡山隧道为工程原型,设计制作了浅埋偏压条件下特大断面隧道的1/30缩尺模型,完成了20种工况下的模拟地震动试验,重点关注隧道模型加速度、衬砌接触压力、衬砌表面应力的地震动态响应。隧道中轴面各测点PHA放大系数随高程呈近似对数型增大,改变了原场地高程效应的表现形式;隧道模型的第一卓越频率与EL波的卓越频率较为接近,其共振效应使得EL波激励引起的高程效应明显大于其他地震波。靠山侧衬砌结构所承担的地震动附加压力显著大于临空侧,且在大振幅激励下,其拱腰所承担的地震动附加压力反而大于拱脚。隧道衬砌结构的扁平率和几何曲率,对其动应力峰值的分布均有显著影响,尤其是在大振幅激励下,靠山侧拱脚处的动应力峰值显著大于其他部位。衬砌结构的裂缝发展形态特征,与接触压力峰值及动应力峰值沿衬砌环向分布的规律是相一致的。上述成果为浅埋偏压条件下特大断面隧道抗震设防提供了参考。     

机械设备在隧道工程中的应用及改进策略

<正>随着科技的飞速发展,机械设备在隧道工程中发挥着越来越重要的作用。机械设备种类繁多,功能各异,从挖掘、运输到支护、衬砌,几乎涵盖了隧道建设的全过程。隧道工程是一项极具挑战性的地下工程,由于其环境恶劣,需要面对黑暗、潮湿、通风不良等问题,给施工带来极大困难。再加上隧道工程需要穿越各种复杂的地质条件,容易出现安全隐患。基于这一特点,施工团队有必要采用合理的机械设备来实现高效、安全施工。     

浅埋小净距隧道掘进爆破引起的地表振动特性模拟分析

基于隧道钻孔爆破时岩体的破坏过程及应力波传播特性,提出了能用于快速计算模拟爆破地震场的等效荷载施加方法。采用等效荷载施加方法对重庆双碑隧道浅埋段掘进爆破时的地表振动进行了数值计算,并将数值计算结果与现场实测振动数据对比分析,验证了该等效荷载施加方法用于模拟计算地表爆破振动特性的可行性。最后,通过计算浅埋小净距隧道两侧隧道掌子面处于不同位置关系时的地表振动情况,得到非主爆隧道开挖后形成的空洞区将对其上部的地表振动强度具有一定的放大作用,且放大倍数与该隧道掌子面同主爆隧道掌子面间的位置相关。     

水下浅埋暗挖小净距隧道安全贯通的力学行为与施工措施

长沙市浏阳河公路隧道是一座水下浅埋暗挖小净距隧道,从河两岸对头施工,四洞在河底两两先后贯通时,不仅要考虑四洞施工的相互影响,还要考虑水渗流的影响,施工风险高。结合数值模拟与现场实测,首先比较了4种贯通方案以选择最优方案,然后研究了关键部位在贯通过程中的力学性状并提出了相应的施工措施,最后分析了贯通效果与贯通后的延续影响。结果表明:应采用两贯通处纵向间隔23 m、先后单向施工到贯通处的贯通方案;贯通处岩柱的最大压应力出现在岩柱底部,贯通处岩柱呈现顶窄底宽的楔形状态有利于岩柱受力;在贯通时,不用施作临时支护,应快速将隧道上台阶贯通处岩柱从上至下一次性全挖掉后施作初衬;应关注河床沉降的变化;隧道贯通力学行为对于围岩应力场与渗流场的影响具有时间效应;隧道安全贯通而且贯通的效果较好。所得结论可为类似高风险水下隧道的安全贯通提供参考。     

地下水渗流分区的地温特征及隧道热害规避应用

基于热传递微分方程讨论了水流导热影响下地温特征与深度的关系,获得地温、地温梯度与深度关系的解析表达;对渗流影响下的地温特征类型进行分析,提出了通过最小二乘法拟合地温试验数据计算渗流参量、获取渗流特征的方法及程序。并以滇西高黎贡山越岭段为研究对象,基于地温特征对其热水渗流分区进行分析。研究认为,穿越其中的拟选隧道线南北两水热活动区相互独立,黄草坝断裂阻隔了北面热水向南面渗流,判定断裂南面区域一定范围为南部热水的补给地带,越岭拟选隧道线为区内低地温通道,为合理规避隧道热害提供了依据。     

软岩巷道围岩刚柔耦合支护技术研究与应用∗

煤矿开采进入深部开采阶段后,普遍呈现出围岩变形量大、支护构件失效的技术难题。为研究针对性的控制对策,以矿典型高地应力软弱破碎巷道为研究背景,在现场矿压监测、地质雷达探测以及地应力实测的基础上,研究了此类巷道的变形规律。同时基于现场监测及分析成果,提出了以高预应力锚杆、注浆锚杆(索)和“U”型钢架为核心的分步刚柔耦合支护关键技术,并阐明了其具体支护机制。为进一步检验新支护方案的支护效果,在新掘的胶带大巷进行了现场实验,相比原支护围岩松动破坏范围减小了近 50%,顶板下沉量、两帮移近量以及底鼓量仅 163、135 和 107 mm,52 d 内基本实现了巷道变形稳定,取得了良好的支护效果。     

结构面分布特征对隧道围岩变形影响的数值模拟分析

结构面对隧道围岩变形及稳定性起着决定性作用。运用三维离散元方法(3DEC)研究结构面分布特征,重点是结构面线密度1/λ、强度和倾角对隧道围岩变形的影响,总结了结构面分布与围岩变形特征的关系。结果表明,在结构面强度较低的情况下,结构面线密度对隧道变形的影响较大,其影响可分为两种情况:①λ≤0.2时,围岩的弯曲变形大于沿结构面的剪切变形,属于应力型大变形;②0.2<λ≤0.4时,沿结构面的剪切变形大于围岩的弯曲变形,属于结构型大变形。结构面倾角主要影响围岩大变形发生的位置。将数值模拟结果与国内工程实例实测变形资料相对比,发现一致性较好。本研究结果对隧道支护结构的设计以及施工设计具有借鉴意义与指导作用。     

红石岩隧道可燃气地质特征及防灾措施

针对大别山地区红石岩隧道在新元古代二长片麻岩层掘进过程中,多次发生爆破引起可燃气涌出和燃烧的现象,为预防可燃气喷出或爆炸事故,将天然气地质学的基本原理和分析方法应用于工程地质领域。在阐明该地区地质条件和可燃气特征的基础上,揭示了断层及节理密集带构成的岩石破碎带是游离态可燃气的储集场所、破碎带及其附近岩石的片麻理为吸附态可燃气提供了赋存空间;进而论述了破碎带外侧的致密岩石以及充填、覆盖破碎带的第四系含水粉质粘土层构成了可燃气的封闭因素;根据该地区无沉积岩系存在和可燃气中CO的含量较高的事实,认为可燃气具有深源无机成因的属性,并结合地质构造的发育特征对其成因机理进行了探讨;最后,提出在施工过程中应坚持对可燃气跟踪检测,加强通风,并对施工前方岩石破碎带进行预测研究,在接近破碎带的掘进面打深孔,对可能存在的可燃气实施提前探测、抽放等有效措施,以防止诱发地质灾害。