高地应力软岩隧道大变形控制关键技术

高地应力环境与低强度围岩的耦合作用,增大了隧道失稳风险。为有效控制高地应力软岩隧道大变形问题,总结丽香、玉磨、成兰铁路近10座高地应力软岩隧道施工实践经验,阐述大变形隧道变形特征和关键控制技术,结合监测数据验证了相关技术的有效性,得出以下结论:1)预留变形量是避免发生大变形后初期支护侵限的重要基础; 2)对于水平构造应力占优势的单线隧道,增大边墙曲率可有效控制隧道边墙收敛; 3)双层初期支护与锚杆共同支护可有效提高初期支护刚度,减小围岩变形; 4)初期支护仰拱快速封闭,控制初期支护仰拱与掌子面距离20 m能够起到有效抑制收敛的作用; 5)合适的二次衬砌施作时机既能有效地控制大变形又能减少二次衬砌的开裂。     

中老铁路穿越第三系盐岩地层隧道施工技术

为解决盐岩段地下水渗流对隧道工程结构的影响,以中老铁路友谊隧道施工为背景,系统介绍盐岩地层的工程特性,并以此为依据,提出一套适合老挝北部地区第三系盐岩地层的隧道施工技术。最后通过加强观测、现场补勘、室内试验、优化设计和改进施工工艺等措施降低盐岩溶蚀对隧道变形的影响。结果表明:1)该地层盐岩具有强溶蚀、强腐蚀、强膨胀等工程特性; 2)采用环氧树脂涂层钢筋等综合防腐措施能够提高结构防腐蚀能力; 3)通过优化设计并采取圆形衬砌断面、多重支护结构、隧底换填、富水地段注浆堵水等措施能够保护围岩、增强围岩的自防水能力,确保该地层修建隧道的施工和运营安全。     

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。     

高地应力软岩隧道圆形断面扩挖施工围岩及支护受力特征研究

针对高地应力软岩隧道开挖时围岩大变形问题,以某隧道圆形扩挖段为背景,采用三台阶法施工和3层初期支护+小导管注浆+二次衬砌的复合结构支护,并通过现场监测、数值模拟和理论计算研究开挖过程中的围岩变形及支护结构受力。结果表明:上、中台阶开挖时的隧道围岩变形速率较大,在仰拱封闭和第3层初期支护施作完成后,隧道变形趋于稳定;采用3层初期支护结构可有效改善隧道周边围岩应力,3层初期支护基本都是受压结构,拱腰和边墙处竖向应力最大,拱顶处水平应力最大;二次衬砌拱腰、拱顶、拱脚和边墙处安全系数均大于规范要求,保证隧道结构安全。     

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。     

公路隧道在膨胀性围岩地段施工的稳定性分析

基于现场试验的调查与工程实例的统计，本文对公路隧道在膨胀性围碉地段施工不稳定性的难题，从技术的角度给以了分析与研究。指出应当从隧道仰拱方向给膨胀性围碉以足够刚度的约束，这是确保隧道支护稳定所必需的基本条件，同时应当允许爷拱底部围岩发生适量的变形以降低存在于仰拱与围岩之间的高接触应力，在此了，建议采用一种内含柔性变形层的复合式仰拱支护结构，作为膨胀性围岩地段隧道支护的合理技术措施，本文研究对于在建的     

蒙华铁路万荣隧道粉细砂地层施工关键技术

针对蒙华铁路万荣隧道在穿越粉细砂地层施工过程中遇到的掌子面溜坍、超前水平旋喷桩间不咬合易漏砂、初期支护钢架直接立于松散砂层上导致沉降变形大等影响工程质量、威胁施工安全的主要问题，采用阶梯法开挖支护施工技术，周边旋喷桩帷幕超前支护；在格栅钢架拱脚增设钢垫板以扩大拱脚受力面积，增加钢架的稳定，减小因拱脚砂层松动引起较大的沉降变形；利用长仰拱栈桥施工仰拱，使仰拱结构封闭成环距掌子面距离不大于20 m，二次衬砌距掌子面距离不大于50 m；采用高压水喷雾器提高空气湿度，防止粉细砂层水分散失，降低其自然稳定性；并通过初期支护背后回填注浆补强等技术措施，有效防止溜坍，将沉降变形控制在5 cm以内。现场施工结果表明，上述施工技术措施有效地保证了万荣隧道穿越粉细砂地层的施工质量和施工安全。     

绿泥石片岩地层大跨度公路隧道大变形控制及合理支护形式现场试验

为了探索绿泥石片岩地层大跨度公路隧道大变形控制技术及合理支护形式,以陕西省宝(鸡)汉(中)高速公路连城山隧道工程为依托,针对采用单层I22b、双层I22b和双层HK200b钢架的3种初期支护形式,通过对围岩变形和支护结构受力进行现场量测,对比分析了不同初期支护形式的变形控制效果,提出了大跨度公路隧道软岩大变形控制方法和支护体系。研究结果表明:“大预留+双层HK200b钢架分次强支护+大管径长锁脚锚管+深仰拱”联合支护体系能有效控制隧道大变形灾害,避免初期支护变形侵限及频繁拆换拱;该支护体系中第1层初期支护钢架的刚度不宜太弱,以避免因其刚度不足导致的局部失稳和局部拆换问题;试验断面第2层初期支护的接触压力约占第1层初期支护围岩压力的61%,二次衬砌接触压力约占第1层初期支护围岩压力的40%;调整仰拱曲率对于优化结构受力和防治仰拱底鼓作用显著;基于对连城山隧道试验断面围岩压力和径向位移的统计分析,建立了不同支护阶段和不同刚度下的围岩-支护特征曲线,揭示了围岩与支护的相互动态作用机制和“多层分次强支护”大变形控制方法的支护作用机制;结合连城山隧道大变形处置实践,总结提出了“三台阶留核心土法+大预留、多层、分次支护+大管径长锁脚锚管+深仰拱”的大变形控制技术、“不侵限、不换拱、不破坏压密区”的大变形防控理念及“大断面、少分步、快挖快支”的施工原则。研究成果可为类似软岩隧道大变形控制提供重要借鉴。     

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。     

含水率差异对膨胀性红黏土隧道施工力学行为的影响

膨胀性红黏土因其特殊的水敏性,使得自身遇水膨胀,是造成隧道围岩失稳的重要原因。 为建立含水率与膨胀率的关系,从 而明确含水率变化对大断面膨胀性红黏土隧道及支护结构受力变形的影响,以银西高铁庆阳膨胀性红黏土隧道为研究背景,通过 现场监测确定围岩含水率波动范围;结合室内试验建立含水率与膨胀性和抗剪强度的对应关系;将土体含水率变化条件下的膨胀 关系同材料受热膨胀特性进行联系,利用ABAQUS内置的温度应力场模拟湿度应力场,分析不同含水率作用下隧道围岩压力、衬砌 结构内力与变形量值的重分布规律。 结果表明: 开挖后不同含水率最终趋于饱和时,随着初始含水率的降低,围岩及支护结构受 力增大,仰拱与拱脚处相对位移提高,拱顶、拱腰与边墙处相对位移降低,整体安全系数逐渐降低;对开挖后洞周平均含水率20.7% 而言,最终趋于饱和时围岩压力安全系数为2.2,衬砌安全系数为1.1,围岩相对位移为0.97%;相比于围岩压力和衬砌结构受力, 含水率变化对洞周围岩变形影响最大;基于特殊地质情况,建议将隧道预留变形量提至150~180 mm。     

膨胀性围岩公路隧道设计施工研究

膨胀岩隧道由于其特殊的工程地质特性,成为当今地下工程界最复杂的研究课题之一.结合依托工程大华岭特长隧道中出现的膨胀岩,提出了膨胀性围岩隧道的支护结构和施工原则.应用弹塑性模型对膨胀岩隧道支护结构和施工过程进行了数值模拟计算,结果显示支护结构的初期支护及二次衬砌主要应力均在安全范围之内.     

在役膨胀岩隧道多次病害宏微观分析与治理

隧道开挖改变了围岩的渗流场和应力场,致使围岩的含水量分布发生改变,若遇到膨胀岩体,吸水膨胀失水收缩,产生裂隙,降低膨胀岩强度,膨胀压力显著增加,导致衬砌开裂及渗漏水,随着时间增加越来越严重,给隧道安全运营带来隐患,不能准确把握膨胀压力的变化规律,病害很难得到控制。本文以马岭头隧道为依托分析膨胀性围岩隧道病害的微观宏观机理,通过SEM和室内试验及数值模拟研究,发现膨胀岩含水率随时间升高(13. 3～18. 6%)膨胀岩层间吸水导致体积增大,凝聚力减少(60～20kPa),内摩擦角基本变化很小,膨胀力增加(32. 7～72. 3kPa,随着时间推移出现流变软化,衬砌内力也相应地增大(34. 5～387kN,12. 2～109. 9kN·m);对比2004年、2015年的整治设计,其轴力和弯矩均低于安全系数,提出采用复合式衬砌的整治措施和预测膨胀岩长期变形规律,达到根治隧道病害的目的,结论可为膨胀性围岩隧道设计施工提供参考依据。     

浅埋段软岩隧道施工工法优化模拟应用分析

隧道洞口浅埋段施工易受地表水及不良地质条件影响,隧道大变形或掌子面溜塌事故频发,施工安全风险极高。为解决洞口浅埋段软岩隧道变形控制难题,建立三维数值模型,对不同施工工法的围岩变形及其优缺点进行对比分析,确定采用三台阶临时仰拱法,并通过现场应用验证了优化工法的可行性。结果表明:该工法可在中、下台阶增设临时仰拱,隧道初期支护及时封闭成环,支护结构受力得到改善,对变形控制效果较好。虽相比CRD法在控制隧道变形方面略有不足,但综合各方面因素,优先考虑选择该工法,并采取了分阶段支护参数加强措施。经现场施工实践验证,采用该工法配合分阶段补强支护措施,初期支护变形增长速率很快减小并趋于稳定,可有效控制隧道初支大变形,保证施工安全和进度。     

山岭隧道软弱围岩工程地质特性及施工对策

如何在软弱围岩地质条件下安全快速地修建长大隧道是当前隧道工程界面临的重要课题之一,尤其是当隧道穿越高地应力软弱围岩时,常常形成大变形等地质灾害,严重影响施工安全和进度。通过对软弱围岩工程地质特性、软岩隧道变形机制及变形控制基本理念进行分析,并结合相关工程实例提出软岩隧道支护结构安全稳定性评判标准及施工应采取的相应对策。认为:1)软弱围岩隧道由于支护参数、施工方法选择不当,支护结构强度和刚度不足以抵抗较高的围岩压力时,往往会出现结构大变形和破坏;2)软岩地段初期支护承受施工期间全部荷载,二次衬砌需承受后期围岩流变产生的荷载,软岩隧道衬砌应通过增设钢筋、加大厚度等方式增加结构强度;3)超前支护与加固技术可提高围岩的自承能力并减小作用在支护结构上的荷载,且应当成为当前软弱围岩隧道施工技术研究的发展方向;4)在高地应力山岭隧道方面,应进一步开展施工阶段地应力测试,以利于针对性地选择施工方法和支护参数。     

大断面隧道双侧壁导坑法数值建模及力学特性分析

依托广西百色达康隧道实际工程,简化隧道施工模型,通过FLAC 3D数值模拟软件构建了隧道施工动态三维模型,模拟了大断面隧道采用双侧壁导坑法施工流程,得到在不同施工步骤时隧道围岩应力、变形,以及隧道衬砌的轴力、弯矩变化情况,探究动态施工过程中围岩变形规律和支护结构受力变化规律,并且分析了隧道向前掘进时距掌子面不同距离的断面拱顶、拱底的变形量,分析了其变化规律,对双侧壁导坑法施工时超前支护与施工量测具有参考作用。数值分析结果表明,隧道开挖过程中隧道拱顶底达到竖直位移极值,左、右拱腰处产生水平位移极值;隧道开挖对前方围岩影响范围大约为隧道跨度;隧道衬砌轴力与弯矩最大值均出现在左侧导洞初期支护中期支护中部偏上,二衬拱脚两侧和隧道洞室顶部和仰拱处,所受内力较大。     

运营期间膨胀围岩隧道病害分析

隧道开挖改变了地下水的渗流路径,引起隧道围岩的含水量增加,若遇到膨胀性岩土体,膨胀压力显著增加,导致衬砌开裂,随着时间越来越严重。如马岭头隧道与膨胀性破碎错动带呈30°斜交,断层带的厚度为4~15m,为典型强膨胀潜势膨胀岩,在隧道运营过程中出现两次病害。本文以马岭头隧道为依托分析膨胀性围岩隧道病害随时间变化规律,从现场调查和地质勘察发现地质参数发生了较大变化,含水率升高(13.3%~18.6)和膨胀力增加(32.7k Pa~72.3k Pa),衬砌内力也相应地增大(103.5~293k N,29.5~133.5k N.m),导致病害反复出现,给隧道安全运营带来隐患;然后,预测膨胀性围岩参数随时间的变化规律,计算衬砌的内力,提出相应的治理措施,达到根治隧道病害的目的,研究结果为膨胀性围岩隧道设计施工提供参考依据。     

石林隧道支护结构破坏特征及其机理分析

石林隧道位于永宁高速公路的永安段,地质条件复杂,构造应力偏高,富水,断层褶皱发育,岩体软弱破碎,隧道基底强度低,围岩自稳能力极差。当隧道开挖后,围岩产生强烈变形、主要表现为拱顶沉降大,累计沉降达1.2 m;支护结构被严重破坏,喷射混凝土层出现开裂和剥落,工字钢拱架被压变形;同时,仰拱出现上拱现象,并伴随较大面积的裂缝出现;同一隧道段,二次衬砌还发生了严重的纵向和横向开裂。从围岩强度条件、地下水作用、构造应力条件以及隧道变形破坏特征等方面,分析了隧道支护结构变形破坏的根本原因和机制,并进行了相关的理论计算,认为它是隧道开挖卸荷后,围岩强度低、纵向承载力差异、塑性流动与膨胀等共同作用的结果。基于对隧道围岩变形破坏机理分析后,针对病害采取了一系列的治理措施,确保隧道顺利贯通,同时也可为类似工程的处置提供参考借鉴。     

考虑地下水影响的软岩隧道力学特性及施工对策研究

为深入分析地下水影响下的软岩隧道力学特性及施工技术,本文选取某软岩隧道为依托工程,全面总结分析其工程特性,利用数值模拟手段对比分析自然状态和浸水状态下初期支护、围岩的应力应变特性,并有针对性的提出施工对策。研究结果表明:软岩隧道围岩中亲水矿物成分遇水后产生膨胀,导致隧道初期支护产生开裂、渗水、基底隆起、错台等病害;软岩隧道浸水状态下初期支护第一主应力、围岩塑性区、初期支护竖向位移有较大幅度的增加,其导致隧道支护结构受力分配极不均衡;采用增设锚注支护、调整支护结构参数等措施可有效控制初期支护、围岩的变形,提高隧道整体稳定性。研究成果可为类似工程的设计、施工提供技术支撑。     

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。     

大断面黄土隧道台阶法施工数值模拟研究

针对新建忻州隧道工程,运用有限元通用软件ANSYS,对大断面黄土隧道采用台阶法施工的过程进行数值模拟,探讨了采用台阶法施工隧道的围岩、初期支护及二次衬砌应力场和位移场随施工步的变化规律。在此基础上,研究了隧道初期支护、二次衬砌的支护效果以及隧道开挖对已施作初期支护受力及变形的影响。结果表明:①隧道施作初支有利于降低地层压应力,减小隧道变形;施作二衬能有效降低地层和初支的主应力,对隧道变形影响不大;②隧道的进一步开挖将导致已施作初支的压应力及位移值增大,使初支处于更危险的状态。