高速铁路大断面黄土隧道二次衬砌施作时机研究

隧道工程二次衬砌施作时机是隧道界普遍关注的问题。依托正在修建的郑州-西安铁路客运专线大断面黄土隧道工程,以围岩及初期支护基本稳定速率作为二次衬砌施作时机判定指标,采用位移断面监测数据回归分析和数值分析相结合,建立基本稳定速率的理论求解方法,从而确定二次衬砌施作时机;同时,选取贺家庄隧道试验段作为工程实例,对高速铁路大断面黄土隧道二次衬砌施作时机进行研究。研究结果表明：当拱顶下沉变形速率值小于0.55 mm/d,边墙水平绝对收敛速率值小于0.11 mm/d时,即可进行二次衬砌施作。此次研究为类似工程的设计和施工提供了参考依据。     

高地应力条件下层状地层隧道围岩挤压变形与支护受力特征

西部地区普遍出露层片状岩体。由于强度低、自稳能力差、结构强度呈现各向异性等特点,在隧道开挖过程中常引起围岩大变形,导致初期支护结构强烈变形失稳而不得不频繁进行拆换。部分洞段二次衬砌混凝土甚至发生劈裂、掉块的破坏现象,严重影响隧道施工的进度与安全。以兰渝铁路两水隧道为工程背景,采用现场实时监测、数值模拟等手段,获取大断面隧道围岩与支护系统之间的接触压力,揭示开挖断面不同位置接触压力随时间发展规律和空间分布特征。研究结果显示,受围岩结构强度的各向异性控制,隧道开挖后支护受力极不均匀。空间上与围岩变形集中部位一致,时间上变化历时长,且由于开挖方式的影响不易稳定。初期支护钢拱架局部荷载过大而发生侧向扭曲失稳,且监测的失稳发生时间与收敛形变稳定时间相比而明显滞后。根据层状围岩的支护受力特征,提出针对此类岩体更为合理的隧道设计建议。     

复杂条件下隧道断面形状和支护参数优化

通过有限差分法（FLAC3D）数值计算和现场试验对马蹄形断面和大曲率边墙、似圆形断面形式下隧道的支护受力和围岩变形特征进行了对比分析,得出采用似圆形断面可以有效地控制围岩的变形量和变形速率,尤其是水平收敛变形;现场变形量测时的丢失位移所占总位移比例较大,其中下台阶丢失位移比例最大;通过现场试验,对不同支护刚度下围岩压力、锚杆受力、钢架、混凝土应力以及二次衬砌分担的围岩压力和模筑混凝土受力情况进行分析,结合洞室变形的现场量测,得出二次衬砌接触压力及分担围岩压力比呈现出随着初支刚度增大而增大的规律,并综合确定了板岩段合理的支护参数。该结论对在构造应力发育的软岩地区修筑隧道提供了有益的工程经验     

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。     

大断面黄土隧道初期支护适应性研究

以兰渝铁路大断面黄土隧道为工程背景,采用三维数值模拟结合现场监测实验对现有初期支护设计参数的适应性进行研究,对大断面黄土隧道初期支护的受力与变形特性进行综合分析。通过三维数值模拟得到黄土隧道开挖扰动后初期支护的受力与变形状态,将数值计算结果与现场监控量测对比获得典型断面围岩的应力和位移发展规律并对初期支护安全性进行评价;通过FLAC3D的FISH语言开发程序分析混凝土硬化特性对初期支护受力与变形的影响;现场跟踪量测与数值模拟的计算结果基本吻合,结论可为黄土地区隧道初期支护的设计和施工提供一定的借鉴和参考,积累有益的经验     

隧道大变形机制及处治关键技术模型试验研究

大变形是隧道建设中无法完全避免的灾害之一,发生后若处治不当极有可能出现多次换拱甚至塌方等二次灾害。通过相似模型试验,采用自行设计的隧道模型开挖装置和围岩内部位移监测装置,研究了隧道开挖和埋深增大过程中围岩渐进性破坏过程及位移和应力变化规律,揭露出预防隧道大变形的重点支护部位,并进一步研究了大变形出现后处治过程中衬砌的破坏规律,明确了大变形处治时的支护措施。试验结果表明：（1）隧道产生大变形过程中,拱顶与拱底的变形量大于拱腰与拱脚的变形量,且随着埋深增大,差值逐渐增大;（2）大变形产生后隧道拱顶径向和切向应力值均减小,而拱脚切向应力值大幅上升;（3）更换变形拱架时,更换位置附近衬砌拱顶处可能出现张拉破坏,拱腰处可能出现剪切破坏,因此,大变形处治时需保留两侧衬砌的临时钢支撑,必要时需增设底部横支撑或临时仰拱。该研究结果有助于得到大变形发生时和发生后处治时的防控重点,为大变形的预防及安全处治提供指导和参考。     

黄土隧道施工方案的数值分析

黄土隧道围岩不同开挖与支护施工方案的数值分析,对了解黄土隧洞变形破坏机理以及黄土隧洞设计施工理论具有重要意义。对黄土隧道围岩采用中壁法和双侧壁导坑法开挖各3种不同支护顺序分别进行了模拟计算,考察了各个施工工序地表最大沉降量、隧洞拱顶最大下沉量、围岩塑性区分布、衬砌单元弯矩以及岩体总应变能变化。计算结果表明,从开挖方法来说,双侧壁导坑法要优于中壁法;从支护顺序来说,滞后支护要优于及时支护。此结果可为黄土隧道工程设计施工提供参考。     

基于现场测试的大跨扁平连拱隧道最佳支护时机研究

大跨扁平连拱隧道由于其开挖跨度大和断面扁平等特点,施工过程中围岩与结构的受力、变形同四车道连拱隧道或分离式隧道存在较大的差异,相应地影响到二次衬砌的最佳支护时机。以某六车道连拱隧道为依托工程,探讨了以隧道位移释放比为基本指标的支护时机确定方法,并通过对围岩位移与不同支护时机条件下二次衬砌内力的现场测试与综合分析,依据“支护抗力最小”的原则,提出了大跨扁平连拱隧道二次衬砌最佳施作时机。     

黄土隧洞支护结构设计方法探讨

采用ANSYS软件,对宝兰铁路二线码头隧道的双层模筑复合式衬砌试验断面进行建模分析,应用有限元强度折减法,求得隧洞的围岩的安全系数,应用有限元法按土体与结构共同作用原理求衬砌的安全系数。黄土隧洞设计须满足的两个要求：初步建议初期支护后土体围岩的安全系数不小于1.15～1.2,初期支护安全系数不小于1.3;二次支护后衬砌结构的安全系数大于2.0～2.4,确保工程施工与运行安全。对求得的围岩和衬砌安全系数进行评价分析,形成黄土隧洞支护结构设计的定量方法。     

三维粘弹塑有限元分析在隧道工程中的应用

通过三维粘弹塑有限元计算，分析了靠椅山双向隧道与行车横洞在开挖施工过程中，考虑初期支护和二次衬砌作用下围岩的流变变形特征及其稳定性。     

大断面浅埋黄土隧道锚杆作用效果的试验研究

黄土隧道系统锚杆的作用效果问题一直是争论的焦点。结合正在修建的郑州-西安铁路客运专线大断面黄土隧道,采用现场对比试验方法对系统锚杆作用效果进行研究。为了使试验结果有可比性,选取试验条件基本相同的贺家庄隧道洞身段作为试验段,分别设置有系统锚杆段40 m和无系统锚杆段40 m。对比试验的内容包括：拱顶下沉、拱脚下沉、水平收敛、围岩压力、初支钢架应力、锚杆轴力等。试验结果表明,有系统锚杆段比无系统锚杆段的拱顶沉降大40 %左右、水平收敛大25 %左右,两者的土压力和钢架应力相差不大;锚杆轴力较小,且拱部受压。经综合分析认为,拱部锚杆的支护效果不明显,取消拱部锚杆可减少施工工序,加快隧道初期支护断面及早封闭,能更好地控制支护沉降与变形,并节约工程投资。     

考虑软岩强度时效弱化的缓冲层让压支护设计研究

深埋隧道软弱岩体往往具有明显的流变特性和时效弱化效应,隧道开挖后围岩参数随时间的增加逐渐降低,导致围岩流变变形增大,容易造成隧道初期支护和二次衬砌开裂,严重影响隧道施工期及运营期安全。为保证隧道安全,在二次衬砌与围岩之间设置能够吸收围岩流变变形的缓冲层,缓冲层材料具有理想弹塑性特性,其特殊的力学特性使其能够实现与围岩的变形协调,吸收围岩长期变形能,实现软弱隧道围岩的长期稳定。近年来缓冲层让压支护设计逐渐得到众多学者和工程建设单位的认可,但缓冲层让压支护并没有得到广泛应用,原因是让压支护的让压量与让压力的设计一直是工程建设中的难点。基于弹塑性理论,考虑围岩参数的时效弱化和缓冲层支护抗力,提出软岩隧道工程缓冲层让压支护参数的设计方法,并通过V级软岩隧道的支护设计,验证所提缓冲层支护方案的合理性。     

考虑软岩强度时效弱化的缓冲层让压支护设计研究

深埋隧道软弱岩体往往具有明显的流变特性和时效弱化效应,隧道开挖后围岩参数随时间的增加逐渐降低,导致围岩流变变形增大,容易造成隧道初期支护和二次衬砌开裂,严重影响隧道施工期及运营期安全。为保证隧道安全,在二次衬砌与围岩之间设置能够吸收围岩流变变形的缓冲层,缓冲层材料具有理想弹塑性特性,其特殊的力学特性使其能够实现与围岩的变形协调,吸收围岩长期变形能,实现软弱隧道围岩的长期稳定。近年来缓冲层让压支护设计逐渐得到众多学者和工程建设单位的认可,但缓冲层让压支护并没有得到广泛应用,原因是让压支护的让压量与让压力的设计一直是工程建设中的难点。基于弹塑性理论,考虑围岩参数的时效弱化和缓冲层支护抗力,提出软岩隧道工程缓冲层让压支护参数的设计方法,并通过V级软岩隧道的支护设计,验证所提缓冲层支护方案的合理性。     

泡沫混凝土预留变形层对深埋软岩隧道长期稳定性影响研究

泡沫混凝土的单轴和三轴试验研究表明,泡沫混凝土具有较高压缩性和良好延性,可以作为深埋软岩隧道初期支护与二次衬砌之间预留变形层填充材料,分析了其对宜巴高速公路深埋软岩隧道长期稳定性的影响。研究表明,深埋软岩软岩隧道在二次衬砌施工之后依然会产生较大的蠕变变形,单纯依靠提高二次衬砌的厚度,并不能完全控制住围岩的蠕变变形,而且衬砌结构很容易由于变形压力过大而发生破坏。泡沫混凝土预留变形层,可以很好地吸收围岩蠕变变形,缓解二次衬砌承担的蠕变变形压力,减小衬砌的变形,改善其受力,采用厚度较小的二次衬砌即满足隧道长期运营的要求。     

大断面小净距大帽山隧道现场监控量测及分析

结合大帽山隧道的工程实践,通过围岩内部位移、拱顶沉降、围岩压力和锚杆应力的现场监控量测工作,研究复杂地质条件下大断面小净距隧道双侧壁导坑法施工时围岩的稳定性。阐明分导洞开挖时围岩内部位移的变化趋势、特点及位移场,相邻导洞施工时的相互影响,围岩与支护结构间的相互调整变形机制,拱顶沉降捕捉的变形小于围岩实际变形的原因,支护结构的压力和锚杆应力状态及其与围岩位移的变化关系。监测结果表明,大断面小净距隧道Ⅴ级围岩段的破碎带采用现有的施工工艺和支护参数是可行的,围岩变形可控,支护结构的支护效果显著,围岩基本稳定。研究的方法、分析和结论可为类似条件下隧道工程的设计、施工、监测和进一步的理论研究提供参考和借鉴。     

隧道衬砌厚度不足的健康判据试验研究

针对目前隧道健康诊断指标判据不统一的现状,采用室内相似模型试验,结合实际工程实例,研究了隧道支护结构衬砌减薄状态下围岩与支护结构破坏规律与极限承载能力,得出了隧道支护结构在相应的受力状态下健康状态判据。结果表明：隧道衬砌支护结构的位移特征以拱肩的压入和拱顶的挤出为主,随着拱顶衬砌支护结构减薄量的增加,支护结构衬砌与围岩之间的接触应力逐渐减小,结构的承载能力逐渐下降,隧道拱顶部位的位移增加,其柔性逐渐增大,隧道拱顶内侧被压溃,外侧受到拉力作用而开裂,随后隧道拱腰和边墙出现裂纹,最后逐渐扩展贯通;隧道承载力曲线呈现明显的“S”型,据此可以划分为承载力缓慢退化阶段、快速退化阶段和退化完成阶段,相对应的阶段可以划分为隧道结构的健康等级与级别,为工程应用提供了参考依据     

浅埋风积砂质黄土隧道变形综合控制技术研究

在隧道施工前,应用数值模拟分析的方法,分析浅埋砂质黄土隧道施工力学效应和变形特征。根据浅埋砂质风积黄土隧道在施工过程中地表沉降量大和洞内施工安全风险大等特点,结合隧道实际监测数据,反演计算得到侵限段地质力学参数,为迈式管棚超前支护及径向迈式锚杆的全施工过程数值模拟提供计算依据,为控制隧道围岩变形提供数据支撑。计算结果显示,隧道侵限段地表最大沉降11.4 mm、最大拱顶下沉30.4 mm、最大水平收敛48.5 mm,隧道整体变形量减小,迈式管棚超前支护可以有效地提供纵向支撑,承受侵限土体压力、约束围岩变形和控制地表沉降,同时为支护侵限段钢拱架的安全拆换提供保障。研究结果表明:径向迈式锚杆、迈式管棚超前支护、环形支撑钢拱架和锁脚锚杆一起,构成了浅埋风积砂质黄土隧道主被动变形综合控制体系,有效地解决了浅埋风积砂质黄土隧道软弱围岩超前支护的难题。     

沪蓉高速柴家湾隧道围岩稳定性分析及支护效果研究

隧道围岩的应力分布及变形特征对保证其长期稳定性具有关键的作用。本文以柴家湾隧道为例进行实态建模,通过采用有限元软件ANSYS对其施工全过程进行了三维弹塑性数值模拟计算。研究结果表明,隧道拱顶和拱脚处应力集中现象明显,局部可能出现拉应力;变形主要集中在拱顶、拱腰部位,衬砌单元所受内力在规定强度范围以内,支护措施合理有效。     

隧道工程信息监测及其分析与控制

基于新奥法原理,在西山坪高速公路隧道工程监控与信息分析的研究课题中,通过监测所获的大量现场数据,分析了围岩变形特征和规律及其与支护的关系.利用自编软件对监测数据进行了信息处理和计算分析.导出了该隧道各类围岩的稳定性判据,确定了发生危险性的预测方法.提出了初期支护和二次衬砌的最佳时机,利用反馈信息,保障了该隧道施工的安全性、可靠性、合理性和经济性.     

乌鞘岭特长隧道复杂地质条件下断层带应力及变形现场监测分析

乌鞘岭隧道是我国迄今为止已建成最长的单线铁路隧道,隧道总长约为20.05 km,而F7断层是乌鞘岭隧道中最长、地质条件最为复杂的活动断层,对隧道施工十分不利。根据F7断层特点及施工中遇到的问题,在乌鞘岭隧道岭脊地段F7断层区段,对洞室开挖后的围岩及支护衬砌结构进行各项应力监测和收敛变形监测,分析了围岩、衬砌系统受力及变形变化趋势,从而探究围岩挤压大变形的机制,掌握围岩应力释放与围岩压力的作用规律;并根据现场监测结果,提出对隧道穿越F7断层区段的断面采用动态优化设计方案及改进的施工措施,避免隧道出现大变形,从而保证隧道穿越F7断层区段安全、快速的进行。