阳城隧道土砂分界地层隧道围岩变形特征及控制工法研究

为解决采用三台阶法施工的土砂分界地层隧道围岩变形控制难题，以浩吉铁路阳城隧道为依托，采用室内试验、数值模拟和理论分析等方法对不同隧道埋深及土砂分界位置（土砂比，即土层厚度与砂层厚度之比）下的隧道围岩变形规律进行研究，并提出围岩变形控制工法的选取原则。研究结果表明： 1）不同隧道埋深及土砂比情况下的围岩变形曲线可分为变形预发展阶段、变形快速发展阶段、变形缓慢发展阶段和变形稳定阶段4个阶段，且均可采用Boltzmann函数进行良好拟合； 2）当土砂比由0∶1增至1∶0时，隧道拱顶沉降、边墙水平收敛和仰拱隆起对土砂分界面的位置变化具有不同的响应规律； 3）提出适用于采用三台阶法施工的土砂分界地层隧道围岩变形控制工法选取原则，并通过计算证明，该原则可有效指导围岩变形的控制。     

考虑渗流影响的深埋隧道围岩-衬砌相互作用研究

山岭地区深埋隧道经常处于高水压工况,渗流对于隧道围岩及衬砌结构安全有较大影响。基于Mohr-Coulomb准则,推导在渗流力作用下围岩和衬砌结构相互作用的弹塑性解析解,得到围岩塑性区半径、围岩应力、位移以及衬砌径向变形等与支护反力间的解析关系。进一步地,引入围岩收敛曲线(GRC)和支护特性曲线(SCC),分析隧道围岩和衬砌的非线性力学特性,采用收敛约束法求得洞周径向位移。依托牛和岭隧道深埋段工程,验证本文基于Mohr-Coulomb准则的理论解析方法的准确性,并针对富水山区隧道支护反力、塑性半径和洞周径向位移关系进行参数分析。研究结果表明:1)增加支护反力可以有效地限制塑性区的发展和洞周的径向位移,初始阶段限制效果明显,后续增加支护反力的效果逐渐减小;2)围岩塑性半径和洞周径向位移随渗流水压力的增大呈非线性增长;3)塑性区半径不变,低渗透性衬砌可以减小所需的支护反力以及洞周的径向位移。     

一种无中导洞连拱隧道衬砌开裂原因分析及结构优化

为解决传统连拱隧道中导洞法施工工序繁琐、结构受力转换复杂等问题,云南某隧道采用了一种无中导洞连拱隧道,其后行洞钢拱架焊接于先行洞钢拱架,使初期支护相互搭接形成了连拱隧道中墙,从而避免了中导洞开挖,但在隧道施工中,先行洞二次衬砌左侧起拱线至左拱腰出现了大量纵向与斜向裂缝。结合隧道实际地质和施工状况,运用Flac3d建立了地层-隧道结构数值模型,研究分析了初期支护各自独立封闭成环和初期支护搭接处界面特性对无中导洞连拱隧道衬砌开裂的影响。结果表明:后行洞初期支护独立闭合成环时,即使初支结构之间产生了一定的滑移,隧道衬砌结构仍处于安全状态;后行洞初期支护未独立闭合成环时,搭接处会产生较大的相对滑移,初期支护承载力不能充分发挥,难以有效控制围岩变形和塑性区发展,先行洞二次衬砌承受了较大的围岩荷载,其左拱腰内侧边缘拉应力远超过了衬砌混凝土的抗拉强度,由此造成了左拱腰处衬砌开裂。因此,为避免无中导洞连拱隧道衬砌出现裂缝,建议在设计中应使连拱隧道初期支护各自独立闭合成环,合理加强中墙位置初期支护结构,施工中对关键施工环节、关键受力部位采取有效控制措施,保证支护结构的整体承载力。     

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。     

大断面上新统红色泥岩（NCr2）隧道支护受力特征研究

甘肃庆阳新近纪上新统红层由于特殊的成因,其工程力学特性与南方红黏土有较大差别。为系统研究穿越该地层大断面隧道支护结构的受力特征，以银西高铁庆阳隧道为研究对象，通过现场实测和有限元模拟获得衬砌结构内力、围岩压力、5~10 m围岩深部位移、支护收敛变形的时空分布特性，对现场监测结果体现的衬砌-围岩复合结构受力状态产生的原因进行分析，并利用ABAQUS软件模拟隧道开挖过程以对比验证衬砌结构受力规律，得出该地层隧道地应力、围岩压力、衬砌结构内力特征。研究结果表明： 1）围岩各项指标属于极硬土-极软岩临界范畴。2）该地层衬砌结构围岩质量较好，水平地应力为垂直地应力的2倍，可优化为Ⅲ-Ⅳ级围岩进行设计的同时增大侧压力系数。3）未闭合的初期支护不能有效限制围岩变形，可通过设置临时仰拱等措施改善受力状态；数值模拟结果与现场实测规律相符。4）该地层变形剧烈区为洞周开挖界限向围岩内1倍洞径范围，变形区域主要集中在拱顶；延迟开挖仰拱可有效减少仰拱内衬砌结构受力。     

中老铁路膨胀性盐岩地层隧道结构体系优化及施工技术探究

为解决膨胀性盐岩地层隧道修建时出现的大量衬砌裂缝、仰拱底鼓开裂等问题,同时为保证隧道后续快速安全施工及长期健康服役,采用现场调查、数值模拟和监控量测等方法,对膨胀性盐岩地层隧道结构及施工技术进行深入研究。研究结果表明:1)含盐地下水对混凝土的侵蚀引起的膨胀压力是原马蹄形隧道衬砌开裂的根本原因。2)250 k Pa的地层膨胀压力可大幅度增大围岩变形,但对隧道掌子面纵向挤压变形基本没有影响,可减小拱顶处的最大主应力,但会大幅度增大仰拱处最小主应力。3)多层支护可对洞周围岩变形起到积极的约束作用,也可明显减小掌子面纵向变形,对初期支护最大主应力基本无影响;无膨胀压力时,会引起墙脚最小主应力集中;有膨胀压力时,可减小其他部位的最小主应力。综合考虑围岩稳定性、支护受力以及施工成本控制等,膨胀性盐岩地层多层支护隧道施工宜采用二台阶法。现场实测证明采用3层衬砌、2层防水、全环注浆并施作隧底阻水榫后,围岩变形量小,衬砌未开裂。通过指数函数对围岩变形进行拟合,证明数值计算结果基本可靠。     

软弱围岩隧道机械化全断面爆破开挖初期支护受力特性研究

软弱围岩隧道开挖后自稳能力差,易发生大的变形、钢架扭曲等现象。为降低安全风险,依托郑万高铁高家坪隧道进口机械化全断面爆破施工,对支护体系下的围岩压力、钢架应力、初喷混凝土应力、锚杆轴力、围岩内部位移、掌子面挤出变形等进行系统试验研究。试验结果表明： 围岩压力、钢架应力、初喷混凝土应力受岩性条件、施工扰动等因素影响显著,随时间推移均呈现“急剧增大、缓慢增大、波动变化、稳定收敛”的变化规律; 通过锚杆轴力峰值位置可以初步判定围岩塑性区范围约为距洞壁3.0 m。基于现场试验监测,通过数值模拟分析了初期支护结构压应力、轴力和弯矩的分布情况,与现场量测数据相符,较好地反映了初期支护受力特征。本次试验的相关方法、手段和结论对隧道机械化大断面施工软弱围岩变形与支护体系受力研究具有借鉴作用,同时也为建立科学合理的支护结构体系提供了参考。     

极高地应力软岩隧道双层支护技术

兰渝铁路两水隧道洞身主要通过炭质千枚岩软岩地层,隧道为极高地应力状态,最大水平主应力值为6.5~11.3 MPa。施工前期,隧道初期支护结构变形较大,部分钢拱架扭曲、断裂,支护结构失稳,初期支护结构侵入衬砌净空,拆换拱情况频繁发生,局部地段二次衬砌开裂。针对前期施工中出现的问题,分别开展双层初期支护和双层衬砌试验,对试验段初期支护变形、围岩压力、接触压力、钢架应力、钢筋应力、混凝土应力等进行现场试验研究,掌握试验段设计及施工参数条件下,隧道支护和衬砌结构受力和变形规律。主要研究结果如下:1)双层初期支护变形相对较小,喷混凝土应力、钢架应力、二次衬砌混凝土应力及二次衬砌钢筋应力均未超过材料的容许应力,工作状态良好;2)双层初期支护可减少绑扎钢筋的工序,不需要再另增衬砌台车,在工序组织上更加便利,工效性相对较高。     

小相岭隧道围岩力学状态测试及大变形成因分析

为解决小相岭隧道平导和正洞的围岩大变形问题，采用现场试验的方法对围岩力学状态进行测试，基于实测数据对隧道大变形成因进行分析并提出针对性控制治理对策。结果表明： 1）隧道围岩强度偏低且存在明显的各向异性，初始地应力以水平应力为主，属极高地应力；现场实测结果显示底板处围岩损伤范围明显大于边墙处，推断隧道大变形为底隆变形，这与现场结构变形特征相符。2）隧道大变形的主要原因是下伏缓倾层状软弱岩层、高水平地应力、支护结构不对称等因素，尤其是平导底板的不对称结构对抵抗底隆变形能力较弱。3）在采取平导设置仰拱、正洞打设长锚杆、增大预留变形量、提升结构的刚度及强度等措施后，隧道变形得到了有效控制。     

高地应力软岩大变形隧道洞型及双层初期支护支护时机研究

为优化高地应力软岩隧道支护结构受力以及控制围岩变形,开展隧道洞型与双层初期支护支护时机研究。首先,通过现场监测数据分析高地应力软岩隧道单、双层初期支护的支护效果及围岩变形规律;然后,采用FLAC3D软件对比分析马蹄形（高跨比0.80）、类圆形（高跨比0.90）、圆形（高跨比1.00）3种洞型下以及第1层初期支护变形达300、350、400 mm时施作第2层初期支护时隧道的受力与变形情况。研究结果表明： 1）对于高地应力Ⅲ级大变形围岩2车道隧道,采用双层初期支护较单层初期支护虽有效控制了围岩变形,但在施工过程中仍出现了拱肩破坏、仰拱开裂等现象; 2）适当增大隧道高跨比可有效降低围岩变形与支护结构受力,高跨比为1.00时效果最好; 3）适当增大第1层初期支护的预留变形量,推迟第2层初期支护的支护时间,支护应力大幅降低,因此,建议第1层初期支护变形达400 mm时施作第2层初期支护。     

大连某近接市政隧道施工力学行为及变形控制技术研究

近接市政隧道施工围岩扰动次数多,应力重分布复杂,相互影响较大,施工安全受控因素多。结合大连南部滨海大道东端桥隧建设工程近接既有白云隧道的工程实际情况,利用数值分析和现场监测,对近接隧道施工力学行为及变形控制技术进行了研究。根据数值模拟得到的围岩应力、变形大小及塑性区范围,提出了工程控制措施方案,在此基础上,对施工过程新建隧道支护结构变形及既有白云隧道外观进行了监控量测。监测结果显示:隧道施工引起的隧道拱顶沉降和洞周收敛变形量相对较小,提出的控制措施有效地确保了该近接隧道施工安全。     

浅埋偏压隧道施工工法研究与非对称设计优化

为探究偏压隧道的适宜工法并针对偏压特性对支护结构进行非对称优化,基于九绵高速福隆隧道,通过现场监测深浅埋侧非对称周边收敛与地表变形,建立三维山体隧道模型,进行不同工法围岩、支护结构受力变形比选分析以及初期支护厚度、锚杆长度与倾角的非对称优化设计。相关研究表明:1)现场监测发现,地表沉降与周边收敛非对称特性明显,随着离隧道正中距离的增大,深埋侧地表沉降较浅埋侧数值减小较慢。深埋侧上拱腰收敛数值最大且波动较大,浅埋侧下拱腰收敛增速较慢。2)偏压隧道较适宜工法为CD法,能有效控制围岩支护结构变形、锚杆应力、初期支护压应力以及塑性区分布。3)初期支护非对称优化结果为将浅埋侧初期支护厚度减小2cm,深埋侧增大2cm,能将二次衬砌拉应力控制在较小数值。4)锚杆长度非对称优化结果为将浅埋侧锚杆长度减小0.5m,深埋侧增大0.5m,使锚杆受力更为均匀并减小右上拱肩与左下拱脚的塑性区。初期支护应力在右上拱肩与左下拱脚处存在显著偏压,通过将右上拱肩处锚杆朝深埋侧倾斜能一定程度减小初期支护受力不均匀。     

砂卵石地层台阶法施工隧道围岩-支护结构应力应变特性三维离散元分析

为了解砂卵石地层隧道围岩和支护结构的应力应变特性，以青海循隆高速公伯峡隧道为依托，借助PFC3D离散元软件对公伯峡隧道穿越砂卵石地层进行三维模拟，重点研究以密排短管棚预支护为根本前提，以三台阶预留核心土为施工方法的砂卵石地层围岩和支护结构的应力应变特性，并与现场实测进行对比分析。研究结果表明： 隧道台阶开挖时，围岩应力集中范围逐渐从拱顶过渡到拱腰，直到拱脚，对应的塑性区范围不断扩大，且密排短管棚对塑性区的发展有一定的“遮拦效应”； 围岩横纵向变形规律一致，主要是向隧道临空面产生收敛变形，且密排短管棚形成的梁拱效应限制了掌子面前方位移发展； 2种方法得到的初期支护变形规律一致，均呈阶段性变化，拱顶下沉累计值大于周边收敛累计值，且两者的最终变形量均满足规范限值要求。     

新建川藏铁路大渡河特大桥成都岸隧道锚群洞效应分析

针对大渡河桥成都岸隧道锚具有锚洞长、倾角陡、断面大、围岩地质差、碎裂岩发育、群洞效应显著等特点,采用三维数值仿真软件对其施工过程进行模拟,分析其围岩应力、变形及支护结构受力特征,结果表明:1)围岩开挖变形较显著区域主要集中在碎裂岩分布区域,埋深越大围岩变形越大;开挖后,隧道锚锚洞围岩变形量值最大为181.1mm,出现在锚塞体靠近后锚室段部位。2)碎裂岩分布洞段围岩塑性区延伸范围相对较大,深度最大超过7m。3)围岩损伤破坏最严重的区域在临空面附近,特别是碎裂岩分布洞段的边墙和底板部位;其中,以锚塞体和后锚室段损伤程度最为严重,围岩损伤最大深度接近5m。4)大部分支护结构受力在设计要求范围内,局部支护结构的应力值较大,出现屈服现象。     

裂隙岩体中渗流作用对隧道围岩稳定性的影响分析

隧道穿越节理裂隙发育地质环境时，水压力以及节理裂隙发育程度会对开挖后围岩的稳定性产生影响。以某隧道为工程背景，运用离散元理论，考虑流固耦合作用，分析了水位高度和节理法向刚度对隧道开挖后洞周位移收敛、围岩剪应力及塑性区、支护结构受力的影响。计算结果表明:在一定范围内，水位高度和节理法向刚度越大，围岩塑性区的范围越小，衬砌结构受到的内力越小，隧道越安全。     

松散岩堆体地层下城市隧道洞口段施工方案变更合理性研究

重庆某公路隧道为双向5车道城市隧道,洞口段穿越由城市建设回填土组成的松散岩堆体,左洞在施工过程中发生了冒顶事故,并出现了大变形、支护开裂、地表裂缝等不良现象。为探究事故发生原因,并验证变更后方案的合理性,首先,对原方案现场监测结果进行分析;在此基础上,采用FLAC3D软件进行数值模拟计算,并与现场监测结果进行对比,验证结果的可靠性;最后,分析不同施工方案所产生的洞周位移、支撑结构应力与塑性区等内容,得出以下结论:1)原方案采用三台阶七步法施工,支护未能及时封闭成环,变更后的施工方案能够有效控制围岩位移,且能够提高隧道洞周变形协调性。2)原施工方案中的初期支护存在明显的应力集中现象,最大拉压力超过结构容许值,同时围岩应力较大。通过对比发现,增大超前加固范围有助于减小初期支护所受的围岩压力、改善支护结构所受应力状态。3)变更后施工方案的土体受破坏区域小,变更后的施工方案能够减小隧道施工对周围环境的影响。该研究成果适用于松散岩堆体地层条件下隧道洞口段的开挖。     

软弱围岩隧道锁脚微型桩支护结构研究

针对软弱围岩隧道施工过程中存在的支护变形、围岩坍塌等问题,提出一种锁脚微型桩支护结构.运用理论分析手段,阐述了锁脚微型桩的承载作用和注浆加固作用,改善了软弱围岩和支护结构的应力状态,充分发挥了初期支护的承载作用,抑制了隧道变形.依托其古顶隧道,采用现场试验的手段,分别对围岩压力、钢拱架应力、拱顶下沉和周边收敛变化特征与...     

大断面上新统红色泥岩(N_2~(Cr))隧道支护受力特征研究

甘肃庆阳新近纪上新统红层由于特殊的成因,其工程力学特性与南方红黏土有较大差别。为系统研究穿越该地层大断面隧道支护结构的受力特征,以银西高铁庆阳隧道为研究对象,通过现场实测和有限元模拟获得衬砌结构内力、围岩压力、5～10 m围岩深部位移、支护收敛变形的时空分布特性,对现场监测结果体现的衬砌-围岩复合结构受力状态产生的原因进行分析,并利用ABAQUS软件模拟隧道开挖过程以对比验证衬砌结构受力规律,得出该地层隧道地应力、围岩压力、衬砌结构内力特征。研究结果表明:1)围岩各项指标属于极硬土—极软岩临界范畴。2)该地层衬砌结构围岩质量较好,水平地应力为垂直地应力的2倍,可优化为Ⅲ—Ⅳ级围岩进行设计的同时增大侧压力系数。3)未闭合的初期支护不能有效限制围岩变形,可通过设置临时仰拱等措施改善受力状态;数值模拟结果与现场实测规律相符。4)该地层变形剧烈区为洞周开挖界限向围岩内1倍洞径范围,变形区域主要集中在拱顶;延迟开挖仰拱可有效减少仰拱内衬砌结构受力。     

季家坡隧道开挖数值模拟分析研究

采用地层-结构模型,利用有限差分计算软件FLAC对三峡翻坝高速公路的季家坡隧道进行了开挖支护施工过程的数值模拟,文章分析了隧道开挖后支护前和支护后隧洞围岩变形、应力重分布、围岩塑性区范围,进一步证明了隧道支护方案的有效性,并对支护结构做出了安全评价。     

基于层状围岩变形特征的高地应力陡倾板岩隧道合理洞型研究

即将开工建设的川藏铁路雅安至昌都段，隧道穿越地层多以陡倾（立）变质层状板岩为主，埋深大都在千米左右，地应力高或极高，其建设面临着很严重的大变形问题，给设计阶段初期带来极大挑战。针对以上工程背景，基于层状围岩的变形特征，对高地应力陡倾板岩隧道的合理洞型选择展开研究。首先通过解析计算分析圆形洞室层状围岩的变形特征，并进一步采用离散元数值模拟计算分析马蹄形洞室的变形特征，经相互对比验证数值计算的可行性和合理性，在此基础上，对比研究高地应力陡倾板岩地层单洞双线隧道、双洞单线隧道选择对控制变形的优越性，最后在选定的双洞单线隧道洞型基础上进行优化选择。研究结果表明：与岩层倾角垂直处围岩以结构变形为主，结构面张开变形与薄层结构的弯曲变形为变形的主要来源，且垂直结构面方向围岩变形程度与影响范围均大于其他方向；从控制隧道变形及开挖影响范围考虑，在高地应力陡倾（立）板岩地层采用双洞单线隧道更为合理；在高地应力陡倾（立）板岩地层中，单线隧道高跨比为1.02~1.06时，变形控制最好，而圆形隧道由于开挖面积的增大并非为最优断面。