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。     

郑万高铁隧道施工大型机械化配套及信息化应用探索

为解决隧道钻爆法施工整体机械化程度较低、施工环境恶劣和工人劳动强度大等问题,以郑万高铁湖北段隧道工程实践为依托,从大断面快速修建技术理论研究、机械化配套设备、机械化配套条件下施工技术和信息化系统应用等方面总结郑万高铁湖北段隧道大断面修建关键技术,即： 在建造理念上由塌方荷载发展为变形控制设计方法;在施工工法上由分步、分部开挖法发展为大断面和全断面开挖法;在支护形式上对初期支护和超前预加固进行强化（中空、砂浆锚杆强化为涨壳式低预应力锚杆,喷射混凝土采用高强、早强混凝土）;在施工装备上由小型机械化、半机械化开挖施工阶段转变为多臂凿岩台车为主的机械化作业;在工序作业上由单一工序机械化施工转向全工序机械化配套作业;搭建信息平台,将手机作为管理工具,借助物联数据进行施工管理。通过对隧道施工大型机械化配套及信息化应用的探索和创新,由理论到实践,形成了一整套机械化配套条件下的大断面隧道安全、快速、标准化施工工法及工艺,推动隧道的整体施工水平和综合管理能力。     

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。     

铁路隧道软弱围岩大断面机械化施工经济性研究与分析

为分析铁路隧道软弱围岩大断面机械化施工经济性的影响因素，以及各因素的影响程度，依据郑万高铁软弱围岩大断面机械化施工和普通机械化施工（台阶法）2套设计图的工程量，结合现行铁路造价标准与部分软弱围岩大断面机械化配套工艺单价分析，编制3套概算方案从工程量优化和工艺工法变化2个方面进行对比研究。研究结果表明： 1）影响大断面机械化施工经济性的主要因素是超前加固； 2）Ⅳa、Ⅳb、Ⅴa级围岩大断面机械化施工较普通机械化施工延米概算指标分别增长了-9.41%、10.81%和6.24%； 3）Ⅳ、Ⅴ级围岩大断面机械化施工较普通机械化施工月进尺分别提高了9.33%和22.22%，体现出一定的综合经济性。     

涨壳式预应力中空锚杆在机械化开挖大断面隧道中的施工应用研究

为了解决软弱围岩隧道机械化开挖后快速支护的难题，采用三臂凿岩台车、风动扳手等配套机具施作涨壳式预应力中空锚杆对围岩进行快速支护。通过在郑万高铁高家坪隧道软弱围岩段大断面机械化施工条件下涨壳式预应力中空锚杆的应用研究，总结出涨壳式预应力中空锚杆工作原理、工艺流程，通过注浆试验对比分析，提出适合的隧道锚杆注浆比例，并结合锚杆轴力监测和地层位移监测结果，表明该锚杆具有快速约束围岩、形成应力拱、减少围岩松动圈、保证围岩稳定的优势，能够有效保障隧道机械化施工的安全，并提高隧道机械化施工效率。     

山岭隧道机械化大断面法设计关键技术

为解决长大山岭隧道钻爆法机械化安全、快速、高质量施工所面临的技术问题,依托郑万铁路湖北段隧道工程,采用“科研先行、试验验证、推广应用”的工作方法,开展隧道大型机械化修建技术研究与现场试验。结合国内外调研情况及工程实践,得出如下结论： 1)隧道机械化修建方法是对传统方法的系统性改变; 2)Ⅳ、Ⅴ级围岩传统多台阶法、被动支护、围岩压力“分担比”理论与机械化大断面法不相适应; 3)机械化大断面法施工的核心要点是“快挖、快支、主动支、快封闭”; 4)隧道结构设计采用规范中基于松散压力的围岩压力计算方法与实际存在差异,可采用形变压力计算方法; 5)对于采用机械化大断面法施工的隧道,掌子面超前主动支护体系与洞身主动支护体系是确保隧道掌子面附近围岩稳定的关键。     

土质地层公路隧道大断面快速施工技术研究

随着交通工程建设的快速发展，公路长大隧道越来越多，常规施工方法效率较低，无法满足工期要求，这对公路隧道快速施工技术提出了新的挑战。以东天山特长公路隧道为背景，提出土质地层隧道大断面开挖工法，通过力学分析及现场对比试验，分析论证了该工法的可行性。结果表明：土质隧道大断面开挖时，采用超长小导管能够减少上部围岩压力对掌子面滑动土体的荷载作用，预留核心土则能够为掌子面滑动土体提供支撑反力，通过这2种控制措施能够实现土质围岩隧道掌子面稳定；相比台阶法，大断面开挖时围岩应力释放速率较快，变形快速发展，拱架和喷混凝土受力快速增长，支护封闭成环后可得到有效控制，但需进一步提高初期支护早期承载性能，即提高喷混凝土早期强度；采用大断面工法能够提升机械作业空间，简化工序，实现多组设备同时作业，相比两台阶施工，隧道施工效率提升约22%。综合评价，土质地层隧道采用大断面快速施工工法能够实现掌子面稳定，支护结构安全，且相比台阶法施工效率可得到显著提高。     

高速铁路隧道机械化修建技术创新与智能化建造展望——以郑万高速铁路湖北段为例

为实现郑万高速铁路湖北段隧道安全、快速、高质量修建,开展全工序大型机械配套条件下的施工技术、结构设计和信息化管理等一系列探索和创新:1)形成一套基于大型机械化的超前地质预报、掌子面超前预加固、隧道全断面机械开挖工法、初期支护机械化施工、宽幅防水板作业台车铺装和智能衬砌台车的全断面机械化施工技术; 2)基于机械化施工技术,建立隧道围岩稳定性分级方法,并在新奥法理念指导下,优化隧道支护结构设计参数; 3)建立隧道施工管理系统、施工信息采集系统、施工安全管理系统、混凝土拌合站质量管理系统、质量信誉评价系统以及施工动态管理系统等,以对隧道施工进行信息化管理。最后,在隧道机械化、信息化修建技术的基础上,从隧道支护体系智能动态设计系统、隧道支护体系智能机器人施工技术和隧道结构智能化监测系统等方面对隧道智能化修建技术进行探索和展望,以期将我国隧道建设水平推向新高度。     

XM1200三臂拱架台车在大断面软弱围岩隧道施工中的应用

为提高大断面软弱围岩隧道微台阶、全断面法开挖初期支护拱架施工机械化水平,引进三臂拱架安装台车进行拱架安装。通过对三臂拱架安装台车参数和性能、施工工艺、与传统台车对比应用效果等多方面进行分析,主要结论如下： 1）三臂拱架安装台车抓举和连接拱架可在有效保证施工人员安全的前提下,缩短拱架安装时间; 2）钢拱架安装工艺流程更规范,有效提高拱架安装精度和质量; 3）三臂拱架安装台车和传统台架、改装机械设备应用效果相比,更适应大断面软弱围岩隧道微台阶、全断面法开挖初期支护拱架施工; 4）三臂拱架安装台车除可完成拱架安装施工外,还可辅助进行部分隧道高空作业施工。     

扁坦超大断面小净距隧道支护结构的力学性状

超大断面软弱围岩小净距隧道跨度大、埋深浅、施工步骤多、中间岩柱受力复杂、围岩稳定性差.为了研究适合于浅埋软弱围岩超大断面小净距隧道施工的工法,采用有限差分软件FLAC-3D对其施工过程进行数值模拟,模拟研究8车道超小净距隧道V级围岩条件下的双侧壁法、三台阶法和CRD法施工过程,揭示该隧道在施工过程中的围岩变形规律、中间...     

浅埋大跨度隧道施工方法的比选与应用

结合京珠复线长湘高速公路三车道隧道工程,采用数值模拟对双侧壁导坑法、三台阶法施工隧道围岩和支护系统变形及受力特点进行对比分析,并结合现场施工应用情况,对比分析两种工法的优缺点。研究结果表明,双侧壁导坑法施工在控制围岩变形及地面沉降方面优于三台阶法,且产生的围岩塑性区较小,但两种工法施工均能满足围岩及支护稳定性的要求;三台阶法在施工进度、资源利用、造价、工序转化及施工难度方面具有优势,长沙地区浅埋大跨度隧道采用三台阶法施工,可以保证施工的安全、快速、高效。     

软岩隧道台阶法与全断面（含仰拱）法施工比较研究——以成兰铁路平安隧道为例

以成兰铁路平安隧道软岩段施工为背景,采用数值模拟、理论计算和现场试验等方法对全断面（含仰拱）法和台阶法施工时的围岩变形、初期支护受力及施工组织等方面进行比较分析,结果表明： 上下台阶法相比全断面（含仰拱）法开挖围岩要稳定,但全断面（含仰拱）法开挖累计变形量更小; 2种方法开挖产生的剪切、拉伸破坏区的范围大小相近,均能满足结构安全的需要,而全断面（含仰拱）法的施工质量比上下台阶法易于控制; 全断面（含仰拱）法在人员投入和施工进度等方面明显优于上下台阶法。     

基于数值模拟的浅埋软弱围岩大断面隧道施工工法对比研究

为了探求浅埋软弱围岩大断面隧道的合适施工工法,以某浅埋软弱围岩大断面隧道为依托,采用数值模拟方法,建立浅埋软弱围岩大断面隧道施工的力学仿真模型,通过对隧道一新的施工工法(动态分部施工工法)与常用的三台阶法、CRD法、CD法及双侧壁导坑法等施工工法进行对比研究,分析动态分部工法的优缺点,并论证该新工法在依托工程施工的可行性。     

新蜀河隧道施工大变形控制技术

为了解决隧道开挖后初期支护侵限引起多次拆换的施工难题,在总结已有软弱围岩开挖技术、支护原理、新奥法隧道支护理论和软弱隧道支护技术的基础上,结合新蜀河隧道监控量测资料,对隧道的施工方法、施工工艺、支护参数、施工中采取的主要措施和取得的施工效果等方面做了大量研究。施工中分别对三台阶法、上台阶加设临时仰拱法和中台阶加设临时仰拱法3种工法工况进行了数值模拟计算和工法试验验证,中台阶加设临时仰拱法效果最好,采用此工法后基本控制了初期支护拆换的问题,节约了施工成本,提高了工效,施工风险也大大降低。     

软弱地层中浅埋隧道不同工法开挖的力学特性研究

为确定软弱地层中浅埋隧道开挖时围岩的力学特性,以穿越饱和砂土地层的某城际高铁隧道为依托,采用数值模拟和现场试验手段,研究不同工法下围岩位移、地表沉降、初期支护受力情况的变化规律,并通过现场测试数据进行验证。结果表明:由于开挖过程中设置了中隔壁等临时支护,CD法能更有效控制变形的发展,因此洞内围岩位移、地表沉降、初支结构的应力、内力均比台阶预留核心土法小;现场监控量测成果与CD法数值模拟数据在规律上较为符合,CD法应用于饱和砂层中,引起的围岩位移、地表沉降、支护结构内力等均在安全值范围内,能保证浅埋隧道的施工安全。     

基于强度折减法和现场监控量测的大断面隧道开挖工法适用性研究

为明确微台阶Ⅰ法在Ⅳ级围岩地层中进行快速掘进施工的适用性,依托郑万高铁保康隧道工程,采用基于强度折减法原理的数值分析方法,以位移突变和计算不收敛等为主要判据指标,对微台阶Ⅰ法施工过程中的围岩稳定性进行分析,并通过现场监控量测方法来分析隧道采用微台阶Ⅰ法施工时结构的安全性。结果表明： 1）隧道拱顶和拱肩位置的竖向位移对折减系数较为敏感,而拱脚和边墙部位的水平收敛对折减系数较为敏感; 2）采用传统的三台阶法和大机配套施工的微台阶Ⅰ法所得到的折减安全系数较为接近,微台阶Ⅰ法对施工围岩稳定性影响较小,可以保证隧道安全快速掘进,在Ⅳ级围岩地层中具有良好的适用性。     

黄土隧道三台阶施工预制临时仰拱技术及应用研究

为解决隧道临时支护结构施作耗时长、拆除后难以利用的难题,提出一种可重复使用的预制临时仰拱设计与施工方案,并在黄土隧道三台阶七步法中进行应用试验。通过对比现场光纤光栅传感器测试数据和数值模拟结果,对预制临时仰拱实施效果进行研究。研究结果表明:1)预制临时仰拱制作简单、拼装快速并可重复应用,可在大断面隧道三台阶临时仰拱七步施工方法中快速形成临时仰拱,使中台阶开挖后初期支护体系临时封闭成环;2)与传统三台阶七步开挖施工方案相比,采用"三台阶七步开挖+预制临时仰拱"方法可以有效改善大断面黄土隧道施工中初期支护结构受力与变形,其中初期支护结构最大主应变降低约72%,拱顶沉降降低约78%;3)设置预制临时仰拱使中台阶封闭成环,可以很好的改善初期支护结构与围岩的相互作用性能,有效减小隧道开挖后围岩塑性变形范围,保证隧道施工安全。     

断层破碎围岩台阶法施工数值模拟研究

隧道穿越断层破碎带等软弱围岩时,往往会采用CD、CRD等复杂工法,减小隧道的一次性开挖断面,因此保证隧道的安全施工。为了提高隧道开挖的机械化程度,降低隧道施工工法的复杂程度,论文通过数值模拟计算,研究在断层破碎带围岩条件下台阶法施工的适用性。计算结果表明:在采用两台阶法穿越断层破碎带时,隧道拱顶沉降和周边收敛均可得到有效控制,同时,超前支护和锁脚锚管对隧道围岩的变形有一定的控制作用,施工过程中应予以重视。文章通过数值模拟,可为此类型的隧道施工提供一种可行方案。     

单洞四车道超大跨度公路隧道Ⅳ级围岩合理施工方法研究

为研究超大跨度公路隧道的合理施工方法,该文以连霍高速公路新疆境内小草湖至乌鲁木齐段改扩建工程杏花村1号隧道为依托,通过数值模拟方法对超大跨度公路隧道Ⅳ级围岩采用CD法、上台阶CD法和三台阶七步开挖法施工的隧道变形和支护结构受力情况进行分析,在变形与支护结构受力满足设计要求的前提下,考虑各施工方法的优缺点等因素,确定最合理的施工方法,通过开展现场试验分析施工方法的可行性。结果表明：(1) CD法、上台阶CD法和三台阶七步开挖法数值计算的隧道变形均不大于21 mm,初期支护安全系数分别为2.48、2.41、2.28,大于隧道设计细则要求的最小安全系数,变形与支护结构受力均满足设计要求;(2)对比3种工法的优缺点,结合隧道地质条件等因素,确定杏花村1号隧道Ⅳ级围岩最优施工方法为上台阶CD法;(3)根据现场测试结果,Ⅳ级围岩采用上台阶CD法施工,拱部下沉最大值为14.6 mm,周边位移最大值为15.0 mm,隧道变形控制效果较好;初期支护的最小安全系数为6.94,满足设计要求。     

新乌鞘岭隧道软岩大变形悬臂掘进机施工控制技术研究

为解决新乌鞘岭隧道8号、9号、10号斜井工区正洞在千枚岩、板岩等软弱破碎岩体前期施工中出现的掌子面频繁溜塌、初期支护开裂、变形扭曲等问题,在对地质预报、监控量测和围岩松动圈等数据分析以及三台阶钻爆法施工支护存在的问题研究的基础上,采用现场试验的方法,研究玻璃纤维锚杆超前加固、超前大管棚支护、悬臂掘进机预留核心土两台阶机械法开挖工法、合理预留变形量以及增强初期支护的锁脚锚固、桁架结构加强初期支护纵向连接、径向注浆加固围岩等措施。经现场应用表明： 1）对于高地应力软弱围岩隧道,采用预留核心土两台阶大断面悬臂掘进机铣挖法施工技术是可行的,结合超前加固、支护结构补强等措施后,支护结构累计变形较前期减小一半以上,支护结构变形可控。2）采用悬臂掘进机开挖,隧道平均线性超挖量可控制在15 cm以内,相比钻爆法喷射混凝土平均超挖率由120%减小至60%,工序循环时间减少3 h左右,月施工进度由25~35 m提升至50~60 m。3）高地应力软岩大变形控制应在合理工法、合适设备、合理预留变形量和具有一定抵抗变形能力的支护结构之间找到平衡点。