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。     

浅埋暗挖洞桩法参数敏感性分析

针对浅埋暗挖洞桩法理论分析落后于工程实践的实际情况,依据地下结构设计计算理论的地层--结构法,以有限单元法作为分析手段,建立三维计算模型,系统开展了浅埋暗挖洞桩法施工过程的数值模拟,以及参数变化对洞周围岩稳定性和位移场的影响分析。结果表明：浅埋暗挖洞桩法用于大断面洞室或超浅埋洞室暗挖施工时,洞周围岩稳定性良好,并可有效控制地表沉降。洞室跨度为14 m左右时控制地表沉降的效果最好;在不同埋深条件下控制地表沉降的效果基本相同;洞室高度的影响则不明显。研究的结论对今后浅埋大断面单跨洞室暗挖施工方案比选和采用浅埋暗挖洞桩法施工具有指导 作用。     

地层渐进成拱对浅埋隧道上覆土压力影响研究

砂土及完整性较差、黏聚强度较小的破碎岩体中,浅埋隧道地层拱作用机制随地层变形发展而变化,受此影响隧道松动土压力也相应变化。常规方法忽略了地层拱不同阶段力学机制的不同,同时未考虑剪切面转动与大主应力旋转之间的相互关系,因此,不能解决浅埋隧道地层能否成拱、地层拱何时贯通至地表以及地层拱发展对隧道松动土压力影响等问题。针对这一情况,提出渐进地层拱力学模型以反映不同阶段地层拱的力学机制;其次,同时考虑主应力旋转、剪切面转动及二者相互关系,确定拱内土体应力分布;随后,优化了传统主应力偏转与地层差异沉降间的数学模型。在此基础上确定了渐进地层拱对隧道松动土压力的影响。改进方法结果与传统方法结果及试验结果的对比验证了改进方法的有效性与适用性。通过参数分析研究了隧道初始松动压力、随地层变形发展的松动压力以及地层拱贯通至地表时的极限变形等关键参数。最后,对下北山超大跨浅埋隧道的研究说明了改进方法的实用性。结论显示：（1）初始松动压力为初始松动区内土体重力,初始松动区范围不受覆跨比影响,而受地层强度影响,随内摩擦角增加而减小;（2）最大拱效应阶段以后,松动土压力随地层变形发展而增加,深埋、小跨度隧道（ ）增长速率较慢,反之较快;（3）极限变形随覆跨比、内摩擦角增加而增加,深埋、小跨度隧道地层拱效应更明显;（4）对于下北山隧道,初始地层拱存在,初始松动土压力为0.37 ,极限松动土压力为0.41 ,最终松动土压力为0.54 ,隧道变形应控制在5.7%以下避免地层拱贯通至地表。     

砂土地层浅埋暗挖隧道预加固技术研究

本文以在建的莞惠城际轨道交通项目为依托,利用现场试验、数值模拟和室内模型试验等手段对穿越砂土地层的浅埋暗挖隧道预加固技术进行研究,通过控制围岩-支护体系的变形,分析适宜的预加固方法、范围和参数,结论如下:洞内帷幕注浆和地表注浆均难以形成止水帷幕,选择洞内水平旋喷桩配合掌子面注浆作为穿越砂土地层的最优预加固方案;依靠增加注浆范围控制砂土地层中的拱顶沉降和水平收敛是不利的,但可加强非砂土地层的围岩整体性,对控制地表沉降也较为有利;改变加固区参数对控制砂土地层中隧道拱顶的沉降有较大帮助,注浆效果越好,围岩的自承载能力提高越大,而其水平位移几乎没有变化。     

软岩浅埋隧道施工工法比选

目前在高速公路软岩浅埋隧道施工中均不同程度地出现了围岩坍塌、地表产生大面积沉降等问题。广福隧道某浅埋段,地质条件复杂,断面大、岩性差,受构造影响比较严重,而且顶板厚度比较薄,易发生坍塌、冒顶现象。为确保浅埋段隧道的施工安全,尽量减少隧道开挖引起的地层沉降和围岩变形,采用FLAC3D对4种施工工法全断面法、短台阶法、单侧壁导坑法和双侧壁导坑法进行模拟,分析了4种工法下地表沉降、隧道围岩周边位移和塑性区的变化特点,选出一种技术可行、经济合理的施工工法,得出一些有意义的结论。     

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。     

松软地层浅埋暗挖公路隧道现场监测分析研究

针对浅埋暗挖公路隧道的特点,对厦门高崎互通下穿嘉禾路隧道进行地表下沉、拱顶下沉、洞内收敛、支撑应力等项目的监测工作。基于监测结果,分析了该隧道围岩和支护系统的变形及受力特点,指出了松软地层中浅埋暗挖隧道开挖影响的时空范围和隧道施工中有效控制围岩变形的措施,并为支护体系的优化提供依据。研究结论丰富了浅埋暗挖思想,并为国内浅埋暗挖公路隧道的设计、施工和监测提供借鉴。     

3孔小间距浅埋暗挖隧道地表沉降控制技术研究

通过模型试验对软弱围岩下3孔小间距浅埋暗挖隧道的地表沉降控制技术进行了深入研究。结果表明：不同的预加固强度、开挖进尺,对隧道的地表沉降、围岩压力、洞周位移都有很大影响。     

太古代片麻状花岗岩浅埋隧道变形破坏及地面塌陷分析——以集宁隧道为例

浅表古老花岗中浅埋隧道常处于拉张应力状态而拱顶下沉,波及地表产生地面塌陷,影响工程稳定及人员安全。以集宁隧道为例,采用工程地质调查、室内力学试验、围岩稳定计算相结合的方法,从太古代集宁片麻状花岗岩风化壳分带、岩体结构控制和岩体质量分级方面研究围岩变形破坏特征。花岗岩中-微风化特性、大部分隧道位于地下水位以下,节理裂隙夹泥,变形破坏以多组节理切割下块体掉落和塌方为主要形式。在花岗岩古风化壳与上第三系泥岩交界处出现差异变形和不均匀沉降。浅埋隧道段塌方发展到地表形成4个长轴与隧道轴线一致的椭圆形塌陷坑。现场应力监测结果显示顶拱接触压力小于自重应力,侧压力更小,对顶拱稳定不利。为保证施工人员和机械设备安全,在此区段采取针对块体稳定和塌方的加强支护措施,取得较好效果。     

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％。     

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。     

浅埋偏压隧道洞口段软弱围岩失稳突变理论分析

含有断层的浅埋偏压隧道的断层错动引起围岩失稳是一个由渐变到突变的过程,具有非连续跳跃的特征,可以采用突变理论分析围岩破坏方式。以沪-昆客运专线长-昆湖南段CKTJ-Ⅸ标段某隧道洞口穿越断层破碎带为工程背景,根据围岩失稳情况,建立隧道穿越断层段的力学模型,构建断层围岩系统的总势能函数,求出突变模型的标准型式和分叉集方程;将拱顶下沉变形随时间变化的函数展开为泰勒级数,建立隧道围岩稳定状态判别式,实现突变模型和监测数据的融合。研究结果表明,围岩拱顶沉降变形随时间变化的函数与围岩失稳突变模型之间存在良好的转化关系;根据围岩失稳突变判据得出的围岩失稳状态与实际围岩破坏情况基本吻合,且判别式的组成型式简单,对于判断含有断层的浅埋偏压隧道围岩稳定性具有较强的实用性;判别式的大小与围岩的破坏程度之间存在一定的关联。     

基于支护参数优化的强震区软岩隧道变形控制技术研究

为探明强震区千枚岩地层中长大山岭隧道支护参数变化与衬砌结构变形的相互作用关系,基于新奥法施工理念,结合强震区在建杜家山绢云千枚岩隧道现场试验段的实际施工过程,根据采取的三台阶施工方法,以试验段设置的5种支护方案为依托,对各种情形下隧道变形及主体结构内力进行现场动态跟踪测试,探讨隧道施工过程中随各部开挖不同支护方案下拱顶沉降、周边收敛、地表沉降及结构内力的变化关系,分析初步认定支护强度及刚度大的F5方案更适用于震区千枚岩隧道施工。对5种方案的施工过程进行三维有限元弹塑性模拟,通过对开挖后隧道变形、支护受力与现场监测值的对比分析,对施工过程中隧道结构的安全性和围岩稳定性做出评价。现场试验和数值模拟结果综合分析表明,仅有两种（F4、F5）方案适用于隧道开挖,而F5方案的隧道变形及结构受力较其余4种方案更为合理,该方案的成功运用也验证了这一方案的合理、有效性。在该基础上总结提出的软岩隧道支护参数技术要领及方法可供类似工程参考。     

软弱围岩中偏压隧道的剪胀特性研究

在偏压情况下对不同埋深的4车道和2车道偏压公路隧道建立其力学模型,研究其松动围岩力学特征。在考虑应力剪胀对隧道围岩的影响后,计算出洞周围岩位移、收敛比。研究结果表明：对于相同的条件,4车道偏压公路隧道的围岩剪切破坏带比2车道更容易与地面贯通;随着剪胀角的递增,围岩位移矢量和隧道拱顶下沉量逐渐减小,拱脚水平位移逐渐增大;大跨度隧道围岩位移受剪胀角的影响比小断面隧道显著。     

Q2饱和黄土隧洞围岩变形特征研究

Q₂饱和黄土含水率高,强度低、变形大。饱和黄土隧洞围岩变形破坏一直是工程界关心和亟待解决的问题。利用隧洞围岩收敛变形、二次应力场监控量测与数值分析,获取隧洞围岩动态综合信息,研究在一次支护条件下,隧洞围岩的收敛变形和应力变化特征。结果显示,隧洞围岩收敛变形和应力在最初的10~15天呈线性快速增长趋势。后期,收敛变形随时间呈非线性增加,受一次衬砌的限制,其变形在隧洞开挖30~40天后渐趋于稳定,但应力持续增加,反映Q₂饱和黄土隧洞围岩具有显著的时效特性。为避免隧洞围岩压力过大,造成隧洞围岩及支护破坏,建议在开挖后30~40天施作二次衬砌。     

厦蓉高速公路某隧道洞口段开挖对仰坡变形影响的数值分析

针对一座浅埋偏压隧道,采用FLAC3D对该隧道进口段进洞开挖进行动态施工三维数值模拟。基于围岩应力分布特征,仰坡坡面轴向和横向位移的变化特征,分析了偏压浅埋隧道洞口段开挖引起的仰坡变形规律。计算结果揭示：仰坡后缘下沉,前缘向洞心外有移动趋势;隧道开挖引起隧洞洞身附近岩体出现较大应力集中和变形现象,洞口段洞身以上仰坡坡面主要以竖向沉降为主,洞身两侧向洞内挤压。在此基础上提出了保证仰坡稳定和安全进洞的一些建议。     

连拱隧道围岩变形和破坏形态的DDA分析

连拱隧道围岩一般为由节理结构面相互切割的非连续岩体,利用非连续性分析方法研究这类围岩的变形和破坏形态可以更好地反映工程实际情况。采用非连续变形分析方法 DDA,对金鸡山连拱隧道围岩的变形和破坏过程进行了模拟,将整个变形破坏过程划分为了3个阶段：中墙上方岩体变形、地表下沉、滑移面产生阶段、隧道左右洞两侧滑移带（或滑移面）的形成阶段以及中墙顶部块体失稳、隧道上方岩体快速塌落阶段。研究了金鸡山隧道浅埋围岩和深埋围岩的变形破坏特征,其中边墙部位、靠近中墙的内侧拱顶或拱肩部位、外侧拱肩部位会首先受到变形破坏。     

深圳地铁一期工程浅埋暗挖施工地层变形模式

基于城市地下工程浅埋暗挖法施工的地层变形特点,提出了地层整体下沉和抽冒式地层变形的模式,分别建立了相应的力学模型,给出了相应地层变形模式下的稳定性特点和地层沉降曲线,并对其主要影响因素进行了分析。该模型可以较好地解释不同地层的变形特点和规律,分别揭示了黏性土和砂性土地层条件下产生大变形及地面坍塌的机理,指出地层变形通常是由结构层的失稳和破坏所致,并且在整体沉降模式下结构层表现为梁式结构,而抽冒型变形模式下结构层则表现为压力拱结构,因此,梁/拱结构的稳定性是地表沉降控制的核心。梁式结构层控制的重点是梁端支承点的加固和离层区域的及时补充注浆,而拱式结构控制的重点则是拱角地层的稳定性。由此可为地层变形的控制和环境评价标准的制定提供依据。结合深圳地铁一期工程6标段和3A标段的典型条件,分别针对整体沉降和抽冒结构模式成功地进行了地层变形控制实践,取得了理想的效果。同时也为深圳地铁及城市地下工程施工地层控制标准的制定提供了有益的建议。该成果对城市地下工程的环境控制具有普遍的指导意义和借鉴作用。