软弱围岩隧道取消系统锚杆的现场试验研究

在软弱围岩隧道中,提出初期支护结构由钢架+喷射混凝土+钢筋网+锁脚锚杆+纵向连接筋组成,即取消系统锚杆用钢架联结处的锁脚锚杆代替。以包家山隧道为依托工程,采用现场试验的方法,选取2个试验段,进行锁脚锚杆取代系统锚杆后,有、无拱部锚杆的对比试验研究。对比试验的内容包括：隧道初期支护的净空收敛、围岩压力、钢架应力、喷射混凝土应力、锚杆轴力和纵向连接筋应力等。研究结果表明：2个试验段初期支护变形趋于稳定,结构受力安全,说明取消系统锚杆不影响初期支护结构的安全与稳定;拱部锚杆有受拉,也有受压,但受力都不大,最大拉应力仅为钢材极限强度的11.8%,其支护作用不明显;锁脚锚杆大部分受拉,最大值达到191 MPa,钢架支护作用明显,在支护体系中发挥着重要作用。取消系统锚杆减少了施工工序,降低了工程造价,缩短了工序循环时间,有利于及早封闭围岩以形成完整的支护结构。经济价值和社会效益显著。     

隧道喷射混凝土强度增长规律及硬化速度对初期支护性能影响试验研究

隧道结构的围岩-支护特征曲线理论表明,初期支护强度变化及支护时机将极大地影响隧道周围围岩的变形及应力分布。相应地,作为初期支护重要组成部分的喷射混凝土,其喷射后的强度增长变化规律及硬化速度也极大地影响着围岩的变形及应力重分布。为探明喷射混凝土的强度增长规律及其硬化速度对初期支护性能的影响,结合隧道工程实践,进行了一系列喷射混凝土现场试验,建立了喷射混凝土强度和弹性模量增长规律,确定了喷射混凝土硬化速度对初期支护性能的影响规律。分析表明：（1）隧道喷射混凝土早期强度发展较快、较平稳,24 h抗压强度平均值为6.4 MPa,48 h抗压强度平均值为11.4 MPa。（2）在软弱围岩中提高喷混凝土的早期强度十分重要,是控制围岩变形和稳定的关键,喷混凝土早期强度越大,隧道初期支护作用越明显。（3）喷混凝土硬化速度对控制拱顶沉降变形效果较显著。与慢速硬化相比,喷射混凝土快速硬化时拱顶沉降减少10.4%,拱脚处减小17%,边墙水平收敛减少了30.7%。（4）喷射混凝土硬化速度对控制围岩塑性变形方面差异较小。（5）应充分考虑喷射混凝土的强度硬化过程,不考虑喷射混凝土硬化速度会在一定程度上高估初期支护性能,使其相应支护结构位移明显小于考虑硬化速度时相应的结构位移。     

强震区软弱破碎千枚岩隧道系统锚杆支护作用效果分析

以在建的穿越5•12强震区发震断裂带的广甘高速公路杜家山隧道为工程依托,选取20 m典型围岩区段为试验段,对有、无系统锚杆时的洞周位移、锚杆轴力、钢拱架内力、围岩与初支接触压力、及其二衬内力进行实测对比分析,探讨锚杆支护作用效果不明显的成因,提出了在强震区软弱破碎千枚岩隧道围岩中采用“钢喷”初期支护的支护方案。研究结果表明：设置锚杆的断面,其锚杆轴力值较小,最终洞周变形值及围岩与初支的接触压力值相对偏大,钢拱架和二衬的安全储备相对不足;锚杆的施工不仅在某种程度上加剧了对深部围岩的扰动,而且还延误了喷射混凝土和钢支撑支护对暴露围岩及时封闭的最佳时机;震后深部围岩的震裂损伤和震裂岩体地下水的渗透性增强,致使围岩松弛区域超过了锚杆设置范围,且锚杆与围岩间的黏结力被削弱。     

贵州李家寨隧道系统锚杆作用效果试验研究

隧道系统锚杆作用效果一直存在较多争议,尤其在软质围岩中,一种观点认为系统锚杆可减小围岩变形,支护效果良好,特别是边墙锚杆能发挥较好的支承和约束作用;相反观点则认为系统锚杆无明显作用效果,施作系统锚杆延误了初期支护的最佳时机并导致围岩变形量的增大,而取消系统锚杆后围岩变形和受力状态良好。本文依托贵州沿印松高速公路在建李家寨隧道Ⅳ级软质围岩地段,针对系统锚杆作用效果问题开展大量的现场试验,有、无系统锚杆对比试验段各设置3个量测断面,量测内容包括围岩压力、钢架内外应力、系统锚杆轴力、拱顶下沉、水平收敛等。得出如下结论:(1)隧道施作系统锚杆延长了初期支护闭合时间,导致围岩压力和钢架受力略大于无锚杆状态;隧道有无设置系统锚杆,围岩变形及受力都无明显差异,取消系统锚杆不影响支护结构安全。(2)拱顶系统锚杆大部分处于受压状态,作用效果较差,施作系统锚杆措施明显过于保守,存在很大优化空间;但隧道边墙锚杆可起到锁脚锚杆作用,取消系统锚杆时要保证施作锁脚锚杆。(3)李家寨隧道Ⅳ级软质围岩地段架设钢拱架并取消系统锚杆能够保证初期支护结构稳定性,技术上是安全可行的。     

东巨寺沟隧道湿喷纤维混凝土支护结构和围岩稳定性位移模糊判别

湿法喷射混凝土可有效地改善隧道内作业环境、反弹量小、喷射质量高,是隧道支护结构施工值得推广的工艺。首次在宝鸡－兰州铁路复线东巨寺沟铁路隧道选取试验段,实施湿喷工艺喷射聚丙烯纤维混凝土,作为支护结构兼作永久性支护,免除二次衬砌工作,并进行水平位移收敛监测。采用非线性最小二乘法对该隧道水平收敛曲线进行回归分析,同时采用隧道稳定性模糊概率分析理论对不同断面位置处的隧道围岩稳定性进行判别分析。分析结果表明,采用湿喷纤维混凝土支护的隧道围岩处于稳定状态,可靠度指标高。     

空洞对隧道喷射混凝土爆破振动特性及安全评价的影响研究

在隧道工程施工过程中,爆破开挖与喷射混凝土支护往往交替进行,爆破振动可能会造成局部的喷射混凝土与围岩表面之间失去黏结力,二者脱离形成空洞。采用薄板振动理论模型、三维离散元程序3DEC数值模拟及现场实测振动分析相结合的方法,研究了隧道喷射混凝土与围岩之间的空洞对混凝土喷层爆破振动特性及安全评价的影响。研究结果表明,当隧道喷射混凝土与围岩之间存在空洞时,空洞处喷射混凝土的振动速度增大、振动持续时间变长、振动频率降低,振动的幅值-频率谱具有明显的单峰现象,回归分析得到的质点峰值振动速度衰减速率更快;空洞的存在导致隧道混凝土喷层爆破振动危险区域增大,致使选择的喷射混凝土支护时机滞后、采用的最大单响药量偏低,从而降低了隧道开挖的施工效率、增加了工程成本。     

隧道开挖与支护有限差分法分析

根据景德镇-黄山高速公路某隧道现场工程地质条件和隧道结构设计参数,采用有限差分法对喷射500 mm普通混凝土支护和喷射200 mm厚聚丙烯纤维混凝土支护两种支护结构,进行了施工过程的数值模拟分析。从围岩的应力、位移和塑性区分布3个方面对隧道围岩的稳定性进行了分析。模拟计算结果表明,采用喷射200 mm厚聚丙烯纤维混凝土支护结构的隧道围岩能够处于稳定状态。     

公路隧道型钢喷射混凝土初期支护安全评价研究

公路隧道常采用复合式衬砌,按“新奥法”原理进行设计和施工。对于软弱围岩段,采用型钢拱架（或格栅拱架）+注浆+锚喷网联合初期支护形式,型钢喷射混凝土初期支护的安全性评价方法是实现支护动态设计的关键。对初期支护安全性评价进行系统研究,建立了型钢喷射混凝土安全性评价数值计算方法。首先,根据监测数据分析围岩最终沉降量、水平收敛值,作为围岩力学参数反演的依据;其次,采用反演的力学参数,通过地层-结构法数值计算型钢拱架喷射混凝土初期支护内力;最后,采用型钢混凝土安全系数计算方法计算和评价初期支护安全性。研究发现,型钢拱架喷射混凝土初期支护能发挥型钢强支护作用,而喷射混凝土达到设计强度后,混凝土起主要支撑作用,型钢间距对提高初期支护安全系数不显著。     

隧道降水施工对既有市政管线隧道影响研究

针对成都某新建铁路隧道近接下穿既有市政管线隧道的降水施工方案,运用有限差分法和流固耦合理论,分析研究了降水施工过程中,既有市政管线隧道的受力特性及位移变化规律,研究结果表明:距离降水井约50m范围内,地表沉降量变化显著,易发生差异沉降;既有管线隧道初期与二衬结构应力和位移变化及分布规律几乎一致,交叉处界面位移最大,沿隧道纵向向两端逐渐减小且呈对称分布;交叉处30m范围内,初期支护和二次衬砌拱顶纵向应力主要为负值即压应力,仰拱纵向应力主要为正值即拉应力且最大拉应力超过了混凝土的极限抗拉强度。由此可知,降水施工对上部市政管线隧道的影响较大,降水施工前应采取一定的特殊辅助措施,以保证隧道结构安全性。     

软岩隧道中双层初期支护的应力情况分析

两水隧道穿越的地层主要岩性为炭质千枚岩,地质情况较差,围岩破碎度高,节理发育。自2009年两水隧道开工建设以来,隧道工程问题层出不穷,出现了初期支护开裂、破坏,甚至出现二衬开裂、掉块,仰拱隆起等严重的隧道结构破坏现象,施工进度缓慢。在进口桩号为DK359+712～ DK359+742段采用双层初期支护和单层二次衬砌的支护方式,取得了良好的效果。通过应力情况分析为炭质千枚岩隧道的支护选型提供了依据。     

爆炸平面波作用下大跨度洞室稳定性模型试验研究

通过抗爆模型试验,研究了爆炸平面波作用下大跨度毛洞和锚喷衬砌支护洞室的受力变形和稳定状态。介绍了模型试验原理及方法,根据试验实测数据分析了洞室围岩的受力特征、洞壁的运动变形特征、洞室的破坏形态及承载能力等。研究表明：设计工况和超载工况下,锚喷衬砌支护洞室侧墙部位垂直应力、拱顶加速度正峰值、拱顶位移峰值及残余值、洞壁环向应变峰值均明显小于毛洞;超载试验后,毛洞破坏严重,丧失了承载能力,而锚喷衬砌支护洞室破坏明显轻微,承载能力可提高约60%。     

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     

Effects of tunnelling on existing support systems of perpendicularly crossing tunnels

The interactions between perpendicularly crossing tunnels in the Sydney region are investigated using a full three-dimensional (3D) finite element analysis coupled with elasto-plastic material models. Special attention is paid to the effect of subsequent tunnelling on the support system, i.e. the shotcrete lining and rock bolts, of the existing tunnel. The results of the analysis show that in a region such as Sydney, with relatively high horizontal stresses, installation of the new tunnel causes the shotcrete lining of the existing tunnel to be in tension in the side facing towards the tunnel opening and in compression at the crown and invert. The pre-stressed rock bolts are usually tensioned more in the sections closest to the tunnel opening. For this particular study, if a new tunnel is driven perpendicularly beneath an existing tunnel, significant increases are induced in the bending moments in the shotcrete lining at the lateral sides of the existing tunnel and in the axial forces at its crown and invert. The increase in side bending moments causes further tensile cracking but the crown and invert stresses remain within the thresholds for both compressive failure and tensile cracking for shotcrete lining of typical concrete quality. Moreover, the driving of the new tunnel causes the tensile forces in the existing side rock bolts to increase and those in the existing crown rock bolts to decrease. In contrast, if the new tunnel is driven perpendicularly above the existing tunnel, compressive failure of the existing shotcrete lining is induced at the crown of the deeper tunnel for concrete of typical capacity and a significant tensile force increase of the existing rock bolts around the crown. It is concluded that in order to ensure the stability of the existing tunnel, local thickening is needed at the sides of the existing shotcrete lining if the shallow tunnel is installed first and local thickening is needed at the crown if the deep tunnel is installed first.     

影响含硫化物的地下工程围岩中锚固体系侵蚀的主要因素研究(英文)

采用复合式衬砌的隧道及地下工程,锚喷支护系统的耐久性直接影响结构的稳定性和运营年限。锚杆主体属于钢构件,极易遭受侵蚀。从采用复合式衬砌的隧道及地下工程的结构特点可知,对于一定形式的锚杆,所遭受的侵蚀作用主要取决于锚杆与来自围岩的侵蚀性地下水的相互作用。本文探讨了含硫化物围岩中影响锚杆侵蚀的主要因素,描述了侵蚀性地下水的形成,以及锚杆侵蚀作用的物理化学机理,并提出了基于此机理的含硫化物围岩中锚杆使用年限的估算方法。     

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。     

隧道钢纤维喷射混凝土单层衬砌试验研究

为了解决隧道施工中采用单层喷射混凝土作为隧道永久衬砌的问题,对不同钢纤维及外添加剂掺量的混凝土分别进行了抗压、抗拉、抗渗以及弯曲强度等室内试验。结果表明,在喷射混凝土中加入钢纤维材料,其抗拉、抗弯以及抗渗水性能分别提高了65.6 %、94.7 %、98.1 %;并通过现场试喷,选定符合设计要求、经济合理的配合比,在摩天岭隧道通风斜井施作了湿喷钢纤维混凝土,以单层衬砌代替原设计的复合式衬砌。工程实践证明,钢纤维湿喷混凝土,其支护强度达到了设计要求,喷射作业回弹损失量减少7 %～15 %。研究成果可为类似隧道纤维喷射混凝土单层衬砌技术的应用提供参考。     

TBM隧道回填层-管片受力特征模型试验研究

回填层作为围岩和管片之间的连接部分,起到稳定衬砌、传递荷载、吸收变形等作用。护盾式TBM隧道施工过程中,回填层存在未注浆松散、注浆固结两个主要状态。回填层状态不同,回填层作用及管片受力特点也不同。研究采用相似模型试验分析不同状态下的回填层作用机制,通过研究得到了以下结论：回填层未注浆松散状态下,由于碎石的径向压缩与环向移动,围岩传递到管片上的荷载量值降低且分布较为均匀,此时回填层作为“可压缩层”,具有让压和均匀荷载的作用,能明显降低管片的受力和变形;回填层注浆固结后,回填层虽然能够承担少量的荷载与变形,但承载能力有限,主要作为围岩与管片之间的“传递层”,传递荷载与变形;对于挤压性围岩护盾式TBM隧道施工可适当应用回填层未注浆时的“可压缩性”,减小施工过程中管片受力与变形;对于浅埋及地铁隧道则应尽早注浆,使衬砌与围岩形成稳定的受力体系;回填层弹性模量的增加可提高回填层-管片组合体系支护刚度,但增加效果不明显。     

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。