偏压软弱围岩隧道开挖顺序比较研究

针对偏压软弱围岩隧道预留核心土法不同开挖顺序造成围岩不同变形量的问题,结合洞头山工程实例,运用现场监控量测结合MIDAS数值模拟的方法,分析比较偏压软弱围岩隧道在不同开挖顺序下各阶段围岩位移变形量。研究表明:开挖顺序的改变能够有效减小隧道各部围岩变形量,且减小程度从大到小的岩体位置依次为浅埋拱腰处、浅埋拱脚处、深埋拱腰处、深埋拱脚与拱顶;拱浅埋侧最大主应力明显减小。因此对于偏压软弱围岩隧道先开挖深埋侧比先开挖浅埋侧更为安全合理。研究成果为隧道信息化施工提供依据,也为洞头山及具有类似地质地形情况的隧道施工提供借鉴与指导。     

软弱黄土隧道变形规律现场测试与分析

为分析软弱黄土隧道的变形规律,以西宁过境高速大有山黄土隧道为依托,采用精密水准仪和收敛计对隧道地表下沉、拱顶下沉和水平收敛进行了系统现场测试。结果表明：软弱黄土隧道拱顶下沉远大于水平收敛,变形时间长,变形量大,累计拱顶下沉值最大为950.6 mm。在临界埋深范围,围岩变形比深埋、浅埋时都大,且变形量离散性高;围岩变形速率在二衬施作时较大,软弱黄土隧道中作为围岩-支护系统稳定性判据的变形速率宜适当提高;围岩变形随时间变化符合指数函数规律,可利用指数函数预测围岩的最终变形;软弱黄土隧道变形分为急剧变形、持续增长和缓慢增长3个阶段,最终趋于稳定。隧道断面的初次开挖对地表变形影响显著,隧道轴线沉降最大,并沿横向逐渐减小。软弱黄土隧道预留变形量在不同位置处不宜统一设置,西宁地区软弱黄土Ⅴ级围岩建议拱顶预留700～800 mm,边墙预留300～350 mm,拱顶与边墙之间以曲线过渡。     

大跨浅埋黄土隧道中系统锚杆受力机制研究

郑州-西安铁路客运专线穿越西北黄土分布的主要地区,而在黄土地区修建跨度超过15.1 m、开挖面积达170 m2的超大断面大跨度铁路隧道洞群在国内尚属首次,相关的设计理论与经验均较为欠缺,尤其是系统锚杆在黄土隧道中的作用机制及锚固效果尚不清楚,使得设计遇到关键难题。为研究大断面黄土隧道中系统锚杆的作用,通过理论推导,阐明了锚杆的作用机制,指出了浅埋大跨度黄土隧道中锚杆的受力原因。采用理论锚杆单元模型,计算得到与实测数据一致的结果,说明该理论模型能够解释浅埋黄土的锚杆受力情况。综合研究表明,浅埋黄土隧道中拱部系统锚杆的锚固效果较弱,而边墙部锚杆的锚固效果显著。     

某深埋长隧地应力演化及围岩应力位移模拟研究

结合西部地区某深埋长大公路隧道信息化施工 ,对深埋长隧地应力演化及围岩应力位移进行了弹塑性有限元数值模拟研究。研究结果表明 ,隧道轴线现代地应力状况与隧道埋深、地层岩性及构造发育程度有关 ,最大地应力为40 0MPa左右 ;隧道周边围岩应力在曲边墙底部最大 ,约 3 8 0MPa ,隧道开挖引起的围岩应力影响范围约 2 5 0m ;隧道水平收敛和拱顶下沉位移与隧道埋深近于成直线关系。这些研究结果为深埋长隧信息化设计和施工以及围岩稳定性分析提供了科学依据。     

深埋隧道地质构造发育段围岩压力的特点

以龙厦铁路象山特长隧道地质构造发育、埋深大于500 m段围岩压力及围岩变形的现场测试资料为依据,对大埋深隧道地质构造发育段围岩压力的特点、变形压力的形成机制等进行了研究。研究表明：大埋深隧道,结构面或褶曲、逆断层发育,但地下水不发育的地段,即使围岩强度较高,隧道开挖后仍可能出现较大的变形;围岩较大变形主要是由于在自重应力和残余构造应力作用下被挤密的结构面在隧道开挖后因侧向限制消除而张开、扩容引起的,受其影响,初期支护将受到较大的围岩变形压力。上述地段围岩压力具有下列特点：（1）地下水不发育区段的围岩压力比地下水发育区段的大;（2）隧道纵向发育向斜的区段,拱顶至拱腰段围岩压力最大,越趋向于向斜核部,拱顶围岩压力越大;（3）发育褶曲的断面,与褶曲轴线垂直方向的围岩压力较大;（4）发育逆断层的断面,与断层倾向相反侧的围岩压力较大,该侧断层面附近的围岩压力最大,对侧断层面附近的围岩压力最小;（5）下台阶的围岩压力比上台阶的小,两者的相对差随上、下台阶施工间隔时间的延长而增大。     

浅埋偏压软岩隧道数值模拟及方案比选

围岩的应力应变是分析隧道开挖中围岩稳定性的重要依据。目前比较成熟的隧道施工力学方法主要是对隧道开挖过程进行数值模拟。通过大型有限元软件ANSYS,计算了不同埋深、不同坡度角、不同覆盖层厚度条件下,马鞍形浅埋偏压软岩隧道围岩的应力应变,分析其规律并进行方案比选,确定了此类隧道比较合理的设计方案。分析结果表明：以2倍洞径的埋深作为偏压隧道深埋或浅埋的判断依据是合理的;在保证围岩稳定不发生片帮冒顶的前提下,减小埋深和覆盖层厚度是比较合理的;隧道内壁各点的应力应变规律可以为隧道开挖中支护结构参数的选取提供参考。     

隧道的埋深划分

随着大埋深特长山岭隧道的日益增多,过去关于隧道埋深的划分显得过于粗糙,有必要进行更详细的分类.隧道按埋深分类应考虑的主要因素之一是围岩的变形破坏方式,而后者与围岩的初始应力状态密切相关.大多数山脉的初始地应力架构基本类似,即,σHmax、σHmin分别与山脉走向垂直和平行,σv/σHmin随标高的变化而变化.鉴于大多数长隧道都与山脉走向垂直,根据σv/σHmin、围岩变形方式、变形破坏位置及围岩自承能力等,将隧道划分为浅埋隧道、深埋隧道和超深隧道三大类,它们的临界深度分别为(2～2.5)hq和500m.     

隧道施工时地表沉降监测控制标准探讨

地表沉降是判断浅埋隧道地层稳定的一个重要指标。在分析地表沉降监测重要性和隧道埋深的关系基础上,阐述了地表沉降控制标准确定的原则;针对隧道无邻近结构物段,从地层围岩稳定、经验公式和相关规范的角度探讨地表沉降控制标准,并以武广客运专线浏阳河隧道为例子进行验证。结果表明,城市隧道变形控制标准要比山岭隧道更严格,浅埋隧道要比深埋隧道控制标准更严格;围岩越坚硬、跨度越小、边墙高度越小,则允许的位移越小,反之则越大;允许的变形控制标准主要影响因素是围岩自身条件,其次是隧道的跨度     

浅埋偏压连拱隧道的施工优化及支护受力特征分析

用岩土工程专用分析程序FLAC3D,对铜黄高速公路汤屯段富溪浅埋偏压连拱隧道进口段采用的施工过程进行了三维快速拉格朗日差分方法分析,比较了先开挖浅埋侧主洞与先开挖深埋侧主洞两种开挖施工顺序,获得了浅埋偏压连拱隧道在采用不同开挖顺序施工时各阶段隧道变形、中隔墙及支护结构的应力和位移等变化情况,通过对比、分析,从而使得实际隧道施工顺序得到优化,结果与现场监控量测资料相比较,得出的结论可为富溪浅埋偏压连拱隧道施工提供科学依据与技术指导。     

基于透明土的隧道开挖面稳定性试验研究

针对地表下隧道周围土体变形的观测困难,用熔融石英和溴化钙溶液配置透明土,提出基于透明土的盾构开挖面失稳试验研究方案,获得隧道前方纵断面土体位移矢量、沉降槽曲线和破坏模式等。试验结果表明,隧道开挖面失稳后土体变形以垂直位移为主,浅埋时土体破坏呈现“楔”形,破坏面延伸至地表,埋深增加时扰动范围向开挖面变窄,深埋时出现压力拱,扰动体呈现为筒仓形;隧道纵断面内沉降槽呈现为Weibull分布,最大沉降发生在隧道开挖面前方约（0.3～0.5）D（D为隧道半径）的拱顶处,变形主要发生在隧道开挖面前方的拱顶以上,浅埋时沉降槽从地表往下向深而窄变化,深埋时沉降槽宽度接近相同,从地表往下逐渐变深。     

斜坡下考虑支护效应浅埋隧道力学响应的时效解答

针对岩质或黄土浅埋隧道,考虑岩土体黏弹性流变特性和支护效应,给出斜坡下进行隧道施工时的全域时效解答。根据一般黏弹性问题求解方法,采用复变函数方法、Laplace变换、黏弹性叠加关系,用随时间和空间变化支护力体现管片支护效应,导出适用于任意黏弹性模型岩体、任意时刻施加支护的应力与位移。解答与相同模型有限元结果一致,根据解答分析了广义Kelvin黏弹性模型岩体中浅埋隧道开挖时侧压力系数、斜坡倾角、埋深对稳定地表沉陷大小和范围、洞周时效位移、应力的影响,给出可按深埋问题处理时的埋深范围。解答可用于岩质和黄土隧道初步设计中,并为隧道与地下结构相互作用分析两阶段法提供自由位移场。     

拉张盆地不同埋深复合地层中隧道围岩变形破坏数值模拟研究

不同埋深的软硬岩层叠置复合地层变形破坏形式复杂而使得软岩大变形和硬岩岩爆位置相关关系不够明确。在拉张盆地中自重应力为主,侧压系数一般较小且多数在1.0以内。本文以在水平和铅垂叠置复合地层中TBM开挖圆形断面隧道为例,采用有限差分程序FLAC3D对拉张盆地中不同埋深、不同叠置型式复合地层中TBM开挖后的三维弹塑性位移变形、主应力和塑性破坏分布变化特征展开数值模拟研究。模拟结果表明,围岩变形主要发生在软岩层地层中,埋深超过800 m后沿隧道轴向软岩大变形藕节状分段开始显现;随埋深增加,硬岩稳定性变差,顶拱位移增加尤其明显;随埋深增加,软岩和硬岩地层之间主应力差异变小,硬岩中储能明显;埋深越大塑性区分布范围越大;埋深较小时岩层以拉张破坏为主,埋深较大时以剪切破坏为主,两种状态的转换埋深(临界深度)约为800 m。由此对拉张盆地中深埋界限值给予了理论验证。     

西安地铁隧道穿越饱和软黄土地段的地表沉降监测

以西安地铁一号线朝阳门站一康复路站区段饱和软黄土地铁隧道为研究对象,通过施工期现场地表沉降变形监测,分析了在饱和软黄土特殊地层条件下隧道浅埋暗挖法施工引起的该区段地表沉降变形规律以及地表沉降槽分布特征。结果表明：在饱和软黄土隧道开挖时,随着掌子面的推进,隧道顶地表沉降可分为沉降微小阶段、沉降显著发展阶段、沉降缓慢阶段和沉降稳定阶段;单线隧道开挖后的最大地表沉降量为18．89mm,双线隧道开挖后的最大地表沉降量为36．4mm;已开挖隧道对围岩土体的扰动作用使得后开挖隧道的地表沉降发展较大;双线隧道的地表沉降槽宽度接近单线隧道沉降槽宽度的2倍,因此可以将其近似为单线隧道地表沉降槽宽度与双线隧道轴线中点距离之和;单线隧道开挖后地表沉降槽宽度为8．4～9．3m,双线隧道开挖后地表沉降槽宽度为16．2～17．5m;隧道开挖施工的沉降槽宽度参数为0．435～0．467,单线隧道开挖后的地层损失率为0．765％～1．324％,双线隧道开挖后的地层损失率为1．231％～2．200％。     

基于临界稳定断面的隧道围岩稳定性分析方法探讨

为定量评价隧道围岩的稳定性并指导支护设计,提出了隧道临界稳定断面的概念及基于临界稳定断面的隧道围岩稳定性分析方法,主要包括以下内容：（1）隧道临界稳定断面就是与设计开挖断面中心埋深相同、几何形状相似在无支护状态下围岩能够自稳的最大断面;（2）当设计开挖断面小于临界稳定断面时,临界稳定断面与设计开挖断面之间的围岩可以作为支护结构利用,且当其安全系数满足设计要求时,认为围岩能够长期自稳,除进行局部防护外,不需要系统支护,否则需要补充工程支护措施;（3）当设计开挖断面大于临界稳定断面时,需要进行工程支护;（4）提出了设计支护力的计算方法,即认为破坏区范围内的围岩为松散体,设计支护力 应能维持该松散体的稳定且具有一定的安全系数。通过该方法,对两种典型断面形式的铁路隧道的临界稳定断面进行了研究,并计算了不同围岩级别、不同埋深条件下围岩的自承载安全系数与所需的工程支护力。研究成果可以为隧道围岩稳定性的量化分析、支护设计等提供一种新的思路。     

双跨连拱隧道两种中墙的空间力学效应分析

针对双跨连拱隧道设计和施工中存在的问题,采用三维有限差分程序FLAC3D2.0,对两种中墙结构的空间受力特征进行了研究,对比分析各自的优缺点及适用条件,并提出了施工注意事项。研究结果表明,在II类围岩地质条件下浅埋连拱隧道采用分离式曲中墙结构受力较为合理;左洞掌子面距研究断面3倍洞径时,中墙内力已稳定;左右洞掌子面距研究断面(－1～+1)D的施工,是中墙内力变化较大的关键工序。     

并设小净距隧道爆破振动响应分析及控爆措施研究

通过大量二维、三维数值模拟计算,分析了围岩、净距、埋深等条件对小净距隧道爆破振动特性的影响,研究了先行隧道不同支护体系、不同中岩墙加固措施及后行隧道不同施工方案等情况下,小净距隧道中后行隧道爆破开挖对先行隧道的影响。根据研究结果,提出了中岩墙加固宜采用注浆加固、先行隧道初期支护宜及时跟进并封闭、掏槽眼宜远离中岩墙以及开挖进尺不宜大于净距的1/3等小净距隧道爆破施工的控爆措施,以供小净距隧道爆破开挖设计、施工借鉴。