高速铁路隧道支护参数的计算研究

为探索隧道初期支护安全系数的计算问题,并为高速铁路隧道支护参数优化提供理论依据,根据喷锚支护的性能与特点以及现代隧道力学的基本理论,建立初期支护荷载结构模型和对应的安全系数计算方法; 针对时速350 km高速铁路双线隧道提出的3种不同的初期支护方案（无系统锚杆支护、喷锚结合支护和以锚为主的支护方案）展开适应性研究,计算分析不同埋深（400 m和800 m）条件下初期支护的优化参数以及优化后的二次衬砌承载能力,在此基础上提出优化后的高铁隧道支护参数建议值,并对优化前后的安全系数进行计算与对比。主要结论如下： 1）提出了采用围岩压力代表值作为荷载结构模型设计荷载的方法,为解决设计中围岩压力不确定的问题提供了思路,且所推荐的围岩压力代表值计算方法具有安全性与经济性; 2）提出了3种初期支护计算模型,可以为初期支护构件的选择与量化设计提供一定的理论基础; 3）提出了时速350 km高速铁路双线隧道初期支护方案及优化后的复合式衬砌设计参数,并明确了不同围岩级别、不同埋深时的承载主体; 4）提出了按照不同埋深进行支护结构参数设计的建议。     

浅埋偏压隧道初期支护参数影响分析及优化设计建议

依托吉林省鹤大高速公路回头沟隧道工程,运用有限元数值模拟,从锚杆长度、环向间距、喷混凝土厚度等方面分析隧道初期支护结构参数对围岩稳定性的影响规律。在对称和非对称设计时,综合考虑锚杆轴力、洞周位移以及衬砌的结构安全系数等方面对回头沟隧道浅埋偏压段Ⅴ级围岩的支护结构给出优化设计建议。     

七官场隧道偏压段围岩稳定及初期支护结构数值模拟计算研究

偏压是山岭隧道施工中较为常见的一种现象,为了确保偏压段隧道施工过程中隧道衬砌结构、洞周围岩和边仰坡等结构的稳定,采用地层-结构法对偏压隧道围岩稳定性和初期支护结构安全系数进行数值模拟计算。结果表明:在施工过程中隧道偏压段围岩收敛变形、喷混凝土及钢架支护安全系数和锚杆锚固效果与现行公路相关隧道设计规范对比,偏压段隧道设计支护参数相对偏弱,并采取相应的加强措施对偏压段支护参数进行动态调整,确保偏压隧道施工的安全。     

基于矿山法铁路隧道复合式衬砌断面尺寸的施工问题分析及解决对策探讨

矿山法铁路隧道复合式衬砌有开挖成形、超欠挖、衬砌厚度控制难等诸多隧道断面尺寸问题及质量“顽疾”。基于高铁双线单洞隧道复合式衬砌设计和施工实践，分析隧道断面尺寸的预设、施工误差、断面测量、欠挖处理、二次衬砌混凝土厚度和方量等方面的问题，按照保证衬砌不欠挖同时严格控制超挖的理念，在隧道断面的尺寸预设和调整、断面测量方法、欠挖处理和初期支护基面修整、拱墙衬砌台车二次衬砌浇筑混凝土方量计算、断面尺寸质量控制等方面提出施工解决对策和建议。     

基于安全度的大断面黄土隧道施工方法对比分析

为研究大断面黄土隧道围岩和支护结构的安全与稳定,采用有限元软件ANSYS对弧形导坑法(AHM)和核心土加临时仰拱法(CSTIM)的施工过程进行了数值模拟,对比分析了2种施工方法引起的隧道周边围岩位移场、应变场以及初支和二衬的安全性。结果表明:1)采用CSTIM法施工可减小拱顶沉降40%左右,且沉降区域仅在隧道开挖跨度范围内;2)临时仰拱左右两侧安全系数最小仅为0.12,拱顶和左右拱腰安全系数均大于4.0,永久仰拱安全系数处于0.5~2.5之间;3)二次衬砌受力普遍较小,具有足够的安全储备;4)采用AHM法施工围岩竖向位移较大、支护安全系数分布不均、衬砌局部处于受拉状态。因此,从对围岩扰动大小、支护和衬砌安全性以及施工工序等方面综合考虑,CSTIM法均优于AHM法。研究成果可供黄土地区大断面隧道变形控制和施工方法的选择参考。     

基于地层结构法的喷膜防水衬砌结构力学性能分析

为了研究防水膜的黏结作用对喷膜防水衬砌结构力学性能的影响和防水膜与初支及二衬间界面在围岩压力作用下的损伤情况，结合试验测得的界面法向、切向及防水膜的本构参数，建立隧道二维地层—结构模型，在Ⅳ级围岩条件下，对喷膜防水衬砌结构和复合式衬砌结构的力学性能和界面特性进行对比分析。与复合式衬砌结构相比，喷膜防水衬砌结构的协同受力作用能使二衬的轴力和弯矩减小，增大二衬的安全系数，同时使初支的安全系数减小。研究结果表明，防水膜的黏结作用会增加二衬的安全储备但基本不会影响隧道的位移，并且在受力过程中衬砌结构间的界面不会发生损伤。因此，可以对二衬的设计进一步优化，提高隧道的经济性。     

冰水堆积体隧道注浆圈厚度与初期支护受力特性研究

为解决不良地质软弱围岩造成隧道失稳、软弱围岩注浆参数不确定,以及米林隧道冰水堆积体围岩注浆厚度对支护力安全性造成影响等问题,基于三维有限元FLAC3D模拟软件,建立不同注浆厚度的隧道围岩模型,得到注浆后的围岩特征曲线,通过允许变形量确定了不同注浆厚度对应的允许支护力。基于此,进一步探讨围岩不同注浆厚度下,采用上下台阶法并打设锁脚锚杆对初期支护结构的影响,并计算得到断面每个位置初期支护的安全系数。结果表明： 1）注浆圈厚度越大,基于允许变形的允许支护力越小; 且围岩条件越差,相同注浆厚度对应的允许支护力越大; 故米林隧道冰水堆积体段Ⅳ1、Ⅴ1和Ⅵ级围岩的合理注浆圈厚度建议分别取3.5、3.5、5.0 m。2）随着注浆圈厚度的增大,各级围岩各个位置对应的初期支护安全系数增大。3）初期支护安全系数一般在拱肩、拱顶和拱底较大,在拱腰和拱脚位置最小。     

分水界隧道偏压段衬砌受力分析

高速公路隧道洞口段常存在浅埋、偏压等不利因素，在进行隧道结构设计时需要特别考虑。文中针对分水界隧道洪江端V级围岩浅埋、偏压段隧道衬砌结构，选取典型断面，运用有限差分软件FLA^2D进行数值计算，分析了隧道支护结构的受力特征，进行了支护参数的检算与调整。计算结果表明，除隧道拱脚处受力最为不利外，其余截面受力较小，设计采用的支护参数满足安全性要求。     

基于现场试验的超大双曲面穹顶洞库支护体系研究

为解决硬岩中超大型地下工程复合式衬砌二次衬砌模筑混凝土施工困难、模板工程复杂、混凝土圬工量大等问题，以某地下储油库为依托，应用有限差分计算软件与现场原位试验的方法，对大型地下工程进行力学机制研究及支护体系优化。研究结果表明： 1）在围岩条件较好的岩体中开挖大型地下洞室，在支护参数选择合理、施工质量得以保证的前提下，使用单层喷射混凝土衬砌可提高施工效率，减少混凝土用量； 2）采用聚丙烯纤维喷射混凝土支护+低预应力锚杆的优化支护体系相较于Q系统岩石支护表所得的支护参数可更好地控制围岩变形，减少支护结构与围岩的拉应力区，达到与复合式衬砌接近的支护效果； 3）现场试验后发现优化后的支护体系在变形与应力方面可达到预期效果，穹顶最大变形约8 mm，支护结构安全可靠。     

铁路隧道结构计算荷载问题分析讨论

铁路隧道复合式衬砌结构的计算荷载,按有关资料建议取值存在主观操作差异,设计失之指导与规范。通过进一步分析隧道工程状态,认为应规范化区别各级围岩及其级内差异和支护强度,以体现不同围岩衬砌的受力差异和平衡同级衬砌受力水平,为合理确定结构荷载提供条件;综合新奥法和传统矿山法分析,衬砌结构“远期”都承受相当的围岩压力,经结构验算和实测压力分析比较,并参考公路隧道设计细则,确定铁路深埋隧道坍方荷载按现行公式计算,Ⅱ、Ⅲ级衬砌荷载为坍方荷载的40%; Ⅳ、Ⅴ级衬砌分别为50%和70%; Ⅱ、Ⅲ级单线衬砌可视为安全储备,当跨度增加时,应全面满足构造、工程类比和结构检算要求;各级围岩侧压力系数按规范沿用,可以此统筹当前设计。建议通过系统性实测统计分析和试验研究,为进一步完善结构设计方法提供条件。     

郑万高铁大型机械化施工隧道位移控制基准研究

依托郑万高铁湖北段大断面隧道洞群,针对其开挖断面面积大、软弱围岩占比高、采用大型机械化大断面法施工的特点,开展初期支护位移现场监控量测,对监控量测数据进行分类统计、包络回归分析,得到Ⅳ、Ⅴ级围岩深、浅埋不同大断面法（全断面法、微台阶法）开挖下初期支护位移沿隧道纵向的函数表达式及各工况下分段位移占极限位移的比值。最后结合 Q/CR 9218-2015《铁路隧道监控量测技术规程》中初期支护极限位移值,给出郑万高铁大型机械化施工隧道各工况下初期支护位移控制基准建议值。结果表明： 郑万高铁隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩采用深、浅埋不同大断面法开挖时,按距掌子面距离的分阶段位移控制基准相差较大,现行Q/CR 9218-2015《铁路隧道监控量测技术规程》中统一规定不合理;围岩级别、埋深及开挖方法相同时,拱顶沉降和洞周水平收敛规律基本一致。     

基于三维数值模拟的软岩超大断面隧道施工技术优化研究

为研究超大断面隧道在软岩地层中开挖施工引起的变形情况,基于铁路设计规范和围岩分级标准对王岗山隧道穿越岩层进行围岩亚分级,通过考虑开挖方向、复杂围岩条件及断层破碎带的影响,利用ABAQUS有限元软件开展三维施工过程模拟,获得三台阶法开挖后的隧道衬砌及围岩受力及变形特征。在此基础上,提出采用更适宜控制变形的双侧壁导坑开挖法,并对其控制效果进行验证。最后,分析影响隧道衬砌和围岩变形的相关因素,得到利于控制变形过大问题的最优进尺设置参数及初期/临时支护形式。数值计算结果表明:1)双侧壁导坑法能够有效降低隧道开挖引起的衬砌及围岩变形;2)锚杆在复杂地层中能够发挥重要作用;3)循环进尺和初期支护强度均对施工引起的变形存在影响,使用新型复合管片临时支护有利于控制隧道衬砌及围岩变形;4)断层破碎带是王岗山隧道施工必须重视的关键部位,除采用合理的开挖工法外,还应辅以其他降低围岩扰动进而控制开挖变形的有效措施。     

丽香铁路黄山哨隧道下穿岩堆段设计施工关键技术

以下穿岩堆段的丽香铁路黄山哨隧道为工程依托，对岩堆段地表开裂及洞内初期支护边墙严重变形的问题进行研究。地表埋设6根测斜管监测地表位移情况，洞内布置3个断面进行围岩压力、钢架内力、二次衬砌内力、初期支护与二次衬砌间的接触压力、锚杆轴力量测。在分析现场岩堆段洞内外受力机制及原因的基础上，根据数值计算结果优化二次衬砌断面型式及进一步加大二次衬砌厚度及配筋。采取以下措施控制隧道岩堆段变形： 1）地表岩堆土石接触面开裂处增设截排水措施； 2）加大隧道初期支护钢架型号及加长岩堆侧边墙径向系统锚杆； 3）加大隧道边墙轮廓曲率并优化隧道二次衬砌型式为圆顺型； 4）隧道预留变形量加大至30 cm； 5）隧道二次衬砌内净空预留50 cm补强空间； 6）隧道拱部设置42小导管超前支护。现场岩堆段采取以上措施后已顺利施工通过，根据洞内外监测结果显示，结构在安全可控范围内。     

大别山隧道围岩破碎带全断面开挖施工方案研究

以客运专线合武铁路大别山隧道工程大断面施工为背景，在通过隧道施工设计中存在的围岩破碎带时，应用TSP超前地质预报初步确定破碎带的距离和走向，并结合隧道施工现场开挖揭露出的围岩情况，应用离散单元法（UDEC）对围岩破碎带全断面施工开挖、支护方案参数进行数值模拟理论分析。现场实测结果表明，监控量测成果和离散元计算成果中隧道拱顶下沉规律基本一致，且变形量小于设计允许值，证明隧道围岩及初期支护结构处于完全稳定状态。     

衬砌植锚栓网喷混凝土加固技术研究

以武山隧道为依托工程，针对衬砌厚度略欠、裂损中等的段落，提出采用衬砌植锚栓网喷钢纤维混凝土的方式进行加固治理，结合武山隧道的地质背景，利用有限元数值软件分析了加固前后隧道复合式衬砌的受力特征，并引入隧道设计规范中的安全系数作为评判标准，分析了该加固方式在隧道断面不同位置不同应力类型的加固效果，为武山隧道安全性设计提供指导。     

西山特长隧道设计

通过对西山特长隧道的设计进行探讨,试图通过试验的方法确定隧道围岩岩石力学指标,采用工程类比法确定围岩复合式衬砌支护参数,并对隧道的防排水设计处理方案以及竖斜井设计方案进行阐述,为日后同类型隧道的设计提供依据.     

大断面浅埋小净距隧道衬砌计算研究

通过对浅埋小净距隧道围岩压力的计算进行分析,得出隧道围岩压力的计算公式。以白山大断面小净距隧道为例,采用荷载结构法对隧道衬砌进行了检算,得出衬砌安全系数,并与规范值进行对比,以此评定隧道衬砌设计的合理性,对大断面浅埋小净距隧道的设计有一定的指导意义。     

超大断面4车道公路隧道二次衬砌厚度优化研究

京沪高速济南连接线工程与济南绕城高速济南连接线工程共设置了6座双向8车道隧道,隧道比重高、里程长、断面大、地质条件复杂,是整个项目的控制性工程,其二次衬砌厚度对整个项目隧道工程的安全性与经济性具有重要的影响。鉴于目前国内尚缺少4车道公路隧道支护参数的技术标准,为得到合理的二次衬砌支护参数,选取典型小净距Ⅴ级围岩浅埋段,采用数值计算的方法,研究了不同混凝土强度等级、不同厚度条件下的二次衬砌力学性能。结果表明:1)超大断面4车道隧道二次衬砌厚度存在一个合理范围,在该范围内二次衬砌的最大裂缝与最小安全系数均在限值范围之内,超过合理厚度不利于结构安全;2)提高二次衬砌混凝土强度等级对结构安全有利,但随着等级的提高其有利作用在逐步减弱。     

裂隙岩体隧道支护受力变形分析及锚杆参数设计建议

隧道穿越节理裂隙发育岩体时,支护形式、参数与节理发育产状密切相关,宜针对性设计,而不是简单的套用规范推荐参数。依托贵州独平高速公路在建隧道工程,通过数值计算分析了不同节理发育程度下结构受力变形特性,结合现场试验及监测提出了锚杆支护参数的设计建议。研究表明,对于独平高度公路控制性隧道工程,Ⅲ、Ⅳ级围岩可采取局部锚杆,V级围岩可取消系统锚杆,但必须施作超前小导管和锁脚锚杆。     

宝塔山特长隧道设计

通过试验的方法确定宝塔山隧道围岩岩石力学指标,采用工程类比法确定围岩复合式衬砌支护设计参数,对隧道防排水设计处理方案以及如何有效地控制施工工期．保证项目顺利完成也进行了阐述,为以后同类型隧道的设计与施工提供指导性依据。