高地应力软岩隧道施工方法与监测

兰海高速公路麻崖子隧道位于西秦岭山区，围岩破碎，埋深较大，地应力较大，施工中存在较大安全隐患。对隧道围岩内部位移、锚杆轴力、支护钢拱架内力、围岩与锚喷混凝土接触压力、岩隙涌水量等进行现场监测，并结合地质勘查资料进行了综合分析。结果表明：隧道开挖后围岩产生较大变形，未支护围岩在施工爆破中容易产生岩体塌落事故，提出利用超前地质预报及时掌握掌子面围岩和地层的情况，并根据围岩状态变换爆破方法，在初期支护前喷上一层纤维混凝土以增加破碎岩体的胶结力等措施。     

挤压性围岩单线铁路隧道受力变形分布规律研究及工程应用

挤压性围岩隧道大变形问题是近年来困扰隧道建设者的突出难题之一。以丽香铁路长坪隧道为工程依托,采用数值计算与现场测试相结合的方法,研究了挤压性围岩单线铁路隧道受力变形分布规律,并应用于工程实践。主要研究结论为:(1)单线隧道受洞室形状影响,变形以水平方向为主,围岩压力以垂直方向为主;(2)支护结构均以受压为主,拱腰和墙脚是易产生应力集中的薄弱环节,实测锚杆多受拉,墙中锚杆轴力远大于拱部及墙脚锚杆;(3)实测受力变形分布规律与计算结果基本一致;(4)工程实践中通过采取断面曲率优化、加长边墙系统锚杆、两台阶法开挖、高效锚杆钻机等措施,有效控制了围岩变形,隧道结构安全稳定。     

泥石流堆积体隧道稳定性控制技术研究

泥石流堆积体隧道围岩松散破碎,黏聚力差,掌子面及洞周极易坍塌,初支拱脚沉降变量大,初支结构整体失稳风险高,施工安全难以保证。为此,结合红桥关隧道穿越泥石流堆积体段工程,开展泥石流堆积体隧道稳定性控制技术研究。实践表明：采用管棚与玻璃纤维锚杆相结合的掌子面超前支护措施,可增强掌子面稳定性,掌子面向隧道净空变形破坏得到控制;采用“先固后钉法”的围岩加固技术(即地表竖向、洞内纵向群桩注浆加固和土钉加固围岩),改善了围岩物理力学特性及抗变形破坏能力;采用锚桩与横担梁相联合的初支拱架沉降控制技术,解决了隧道初支拱架锁脚部位沉降问题,使拱架结构稳定性大幅提高,保证了隧道安全高效施工。     

深埋软岩隧洞围岩变形破坏分区规律反演分析

研究目的:榴桐寨隧道是新建成都至兰州铁路线的关键性控制工程,其围岩大变形问题十分突出,而目前对深埋隧洞围岩流变条件下的变形预测尚无成熟的计算方法。本文在总结现有围岩变形研究成果的基础上,将隧洞围岩简化为理想弹塑性介质并布设全长锚固锚杆,基于锚杆-围岩协调变形原理,分析杆体表面摩阻力及其轴力的分布规律,由静力平衡条件推导锚杆中性点处的最大轴力值,进而建立变形稳定后围岩的塑性区及松动区半径公式,从理论上确定榴桐寨隧道围岩的松动区及塑性区范围,为优化围岩支护方案及参数提供重要的技术支撑。研究结论:(1)工程实际中,围岩流变是导致深埋隧洞出现大变形的根本原因,隧洞围岩变形通常在初期锚杆支护一段时间后才趋于稳定;(2)隧洞围岩与锚杆协调变形,杆体所受正、负摩阻力的分界面即为杆体中性点,该点杆体与其周围岩体的相对位移及表面摩阻力为零,但其所受轴向拉力达到最大值;(3)通过锚杆所受最大轴力可对变形稳定后的隧洞围岩塑性区及松动区范围进行反演分析,围岩塑性区及松动区范围的大小随岩体黏聚力和内摩擦角的增加而减小,随隧洞半径的增加而增大,但受支护阻力的影响不大;(4)现场应用结果表明,基于锚杆轴力反分析隧洞围岩分区规律的方法是合理可行的,该研究成果对于类似隧洞工程的安全快速施工具有一定的借鉴意义。     

高速铁路隧道超前支护稳定性试验研究

为研究深埋隧道超前支护的应用效果,依托银兰高铁香山隧道工程,模拟开展隧道三台阶法开挖对比试验,通过分析不同位置土压力变化情况、掌子面变形情况和锚杆微应变峰值变化,研究锚杆支护对于掌子面和围岩稳定性的影响。研究表明：(1)锚杆支护对土体变形有很好的限制效果,并且对于竖直方向土体限制要优于水平方向。(2)锚杆支护对于掌子面前方土体的加固限制了上方围岩的变形范围,间接提高了围岩稳定性。(3)锚杆支护后,掌子面最终变形量减少0.92 mm,位移量较未支护减小近50%。(4)掌子面中部位置的锚杆支护效果最优,而上部锚杆变形较大,建议与小导管、管棚等配合使用。研究成果可为隧道施工时对于掌子面锚杆超前支护的稳定性提供理论参考。     

高地应力软岩隧道合理支护方案试验研究

研究目的:基于高地应力软岩隧道在施工过程中产生大变形的问题,采取包含传统喷锚支护在内的三种支护方式现场进行试验研究,根据围岩变形、围岩压力、钢拱架应力和二衬混凝土应力等监测结果,分析兰渝铁路新城子隧道试验段的稳定性并选择适宜的支护方案。研究结论:(1)采用传统的喷锚支护方式难以有效解决高地应力软岩隧道施工中围岩的大变形问题;(2)采用环向注浆加固围岩+型钢拱架初支可以在一定程度上改善围岩的条件,减小围岩变形和钢拱架应力以及二衬混凝土应力;(3)采用双层初支,即采取先让后抗的支护方式,既可以吸收一部分围岩变形,减小初支的变形和钢拱架应力,同时也可以提供稳定的支护力,使二衬受力也相对较小,因此采用双层初支对控制高地应力软岩隧道的大变形具有明显优势;(4)本研究成果可为高地应力软岩中类似工程施工支护方案的选择提供参考。     

超大跨度隧道预应力锚杆——锚索协同支护机理

探索运用1种新型支护形式预应力锚杆—锚索协同支护体系,在京张高铁八达岭长城站大跨过渡段跨度极大(32.7 m)且围岩质量极差(Ⅴ级围岩)的情况下保障隧道安全建设。通过现场监测,研究预应力锚杆—锚索的力学行为,结合现场围岩微震监测,分析预应力锚杆—锚索协同支护机理。结果表明:预应力锚杆、锚索的轴力均由初始预应力、预应力损失和被动支护力3部分决定;在隧道开挖过程中,锚杆和锚索的轴力演化过程可分为预应力快速损失、轴力波动和轴力稳定3个阶段,且预应力锚杆轴力沿自由段非均匀分布,锚杆自由段存在多个中性点;预应力锚杆锚固于浅层围岩内部,与被锚固岩体组成组合拱结构承担围岩荷载;预应力锚索锚固于深层围岩区域,调动深层围岩的承载力承担围岩荷载,并提高锚杆组合拱的稳定性;预应力锚杆—锚索协同作用实现了超大跨度隧道围岩的有效支护。     

挤压性围岩隧道变形控制技术研究

高地应力软岩地质环境引起的挤压大变形破坏是一种严重的工程地质灾害,针对川藏铁路隧道可能发生的挤压大变形问题,本文结合兰渝铁路大变形隧道的施工经验,在分析和总结挤压性围岩隧道变形破坏特征基础上,分析了设计阶段和施工阶段的变形分级标准,并根据"抗放结合,前期控制性释放为主"的大变形处治原则,从支护、围岩、应力及施工等方面总结了变形控制技术措施,主要包括:(1)采用排架式和桁架式结构加强支护;(2)采用超前小导管、管棚、锚杆或锚索等加强围岩;(3)采用超前导洞、微台阶、增设缓冲层、分阶段张拉锚索、分层施作多层支护等方式进行应力释放;(4)采用弱爆破或非爆破方式;(5)采用加强资源配置、优化工法等方式实现支护快速成环。     

大断面膨胀土隧道结构受力特性测试研究

研究目的:大断面隧道因其跨度大、形状偏于扁平,在施工过程中表现出独有的力学特点,经常造成围岩大变形侵限、区域性塌方、底鼓和支护结构开裂等施工风险,而这些特点在膨胀土环境中表现的尤为明显,因此研究大断面膨胀土隧道支护结构受力特性具有重要的工程应用意义。本文以银西线庆阳隧道为工程背景,首先通过室内试验确定红黏土围岩的膨胀参数,然后利用现场监测手段对庆阳隧道支护结构的力学特性进行研究,并评价其支护结构受力性能,以期对同类隧道施工起到一定的指导作用。研究结论:(1)隧道膨胀土最大膨胀率为67%,最大膨胀力达到67.42 kP a,施工过程中应加强超前地质预报,尽可能减少水害对施工的影响;(2)隧道拱顶、两侧拱腰及底部具有较大围岩压力,围岩压力呈对称分布,初支闭合后拱顶附近围岩压力基本稳定,但两侧拱腰及仰拱位置围岩压力持续增大;初支闭合后钢拱架受力持续快速增长且受力基本对称,隧道上部初支内钢拱架受力始终较大,拱顶钢拱架应力最大达到1.46 MPa;(3)二衬施作后,初支仍存在一定变形,二衬左右两侧衬砌压力增长显著,二衬两侧拱脚位置混凝土应力增大明显;(4)本研究成果可为大断面膨胀性隧道设计优化和安全施工提供理论指导与科学依据。     

兰渝铁路两水隧道双层支护试验研究

针对兰渝线两水隧道穿越炭质软岩、设计施工难度大、初支变形不满足稳定性条件、衬砌较早施作而引起开裂等问题,开展双层支护研究工作。通过现场试验对试验段初期支护围岩变形、围岩压力、接触压力、钢架应力、钢筋应力和混凝土应力等监测。得到初期支护隧道围岩与结构的力学及变形特性,分析其随时间的变化特点和沿隧道横断面的空间分布规律。研究结果表明：围岩压力、钢架应力和喷混凝土应力随开挖进程存在急剧变化阶段,易受施工扰动影响,敏感性随时间逐渐降低,结构应力沿隧道横断面的空间分布呈现“上下大,两侧小”的分布规律。研究结果对建立科学合理的软弱围岩隧道支护结构设计方法具有一定的指导意义。     

干湿交替条件下膨胀围岩隧道的力学性态研究

以广西南宁膨胀土为围岩材料,制作室内膨胀围岩隧道物理模型。通过对隧道模型进行干湿循环试验,得出围岩在吸水及失水条件下的围岩应力-时间关系曲线及衬砌应变-时间关系曲线。试验认为在吸水过程中大部分测点的围岩压力都经历了增长、减小、不同速率的再增长3个阶段。衬砌变形则经历缓慢增长、急剧增长、急剧减小、微增长4个阶段;在失水过程中,从整体上可以将围岩压力变化分为两部分,即围岩失水收缩致使衬砌和围岩的接触压力下降导致围岩应力值减小以及土体收缩产生收缩应力导致应力监测值增大。并分析这种变化规律的形成机理,证明时间效应和空间效应的存在。为今后膨胀围岩隧道的结构设计和施工优化提供一定的理论参考。     

高地应力板状软岩隧道大变形控制试验研究

研究目的:针对板状高地应力软岩隧道开挖的大变形问题,采用单层初期支护+双层二衬的结构形式进行支护,并进行现场试验,对初期支护、钢拱架以及两层二衬的变形与受力进行了测量,分析该支护结构在控制高地应力软岩隧道大变形方面的效果及该方案的可行性是本文的主要研究目的。研究结论:(1)传统的初期支护方式在控制高地应力软岩隧道的大变形方面效果不佳;(2)板状岩层的走向和岩层的倾角对高地应力软岩隧道开挖后的变形及受力会产生影响,一般来说,在垂直于板状软岩岩层(倾斜线)方向上的挤压力最大;(3)采用双层二衬结构,使初支与围岩一起产生变形而消除围岩的部分压力,第一层二衬起到强而稳定的支护作用并承担绝大部分的围岩压力,使第二层二衬受力很小而起到装饰作用,因此从高地应力软岩长期流变性的角度考虑,双层二衬结构对高地应力软岩隧道建成后的长期稳定性和安全运营具有很好的保障作用;(4)本研究成果可为类似工程的施工提供参考依据。     

Research on the Mechanical Characteristics of Primary Supporting in Deep Buried Large-section Red Clay TunnelEI北大核心

Research purposes: In the New Austrian Tunneling Method, the primary supporting has the vital function as the main structure of taking the pressure of surrounding rock. In order to study the force characteristics of primary supporting in the composite lining of deep buried large section tunnel, this paper is based on Qingyang tunnel engineering in Yinchuan-Xi'an High-speed Railway. After the on-site monitoring of the process, we can find the variation law of surrounding rock pressure on the deep buried large section red clay tunnel, steel arch internal force and concrete internal force, and analyze the internal forces and distribution characteristics of the primary supporting structure. Research conclusions:(1) The pressure of surrounding rock on both sides of the large section tunnel of red clay is greater than that in the vault and the inverted arch. (2) The internal force of primary supporting structure shows a distribution pattern of big top and small bottom, and the steel arch bears most of the surrounding rock pressure. (3) It can be considered to increase the marking of steel arch frame on the side wall and vault roof, and reduce the section area of arch frame in inverted arch, so as to make full use of materials, reduce the cost and improve the reliability of lining structure. (4) This research conclusion can provide reference for the optimization of lining design and construction organization of tunnel primary support under similar geological conditions. © 2018, Editorial Department of Journal of Railway Engineering Society. All right reserved.     

老东山隧道软弱围岩变形开裂控制技术研究

老东山隧道地处区域性断层夹持的构造挤压带中,隧道在施工过程中多次出现初期支护变形开裂现象。通过对现场地质状况的调查,从围岩岩性、地质构造、地下水等方面,探讨了隧道产生大变形的原因和机制;结合围岩变形实测数据的分析,得到不同施工工序以及工序间隔时间和间距对隧道围岩变形量产生的影响,进一步通过五种不同支护参数的现场对比试验,获得了不同支护方案的不同抗变形能力,确定了老东山隧道不同围岩条件下控制围岩变形的具体支护参数和施工控制措施,确保了隧道变形开裂得到有效控制。     

隧道仰拱组合结构的现场试验研究

在复杂地质条件下长大隧道施工过程中,为了控制隧道围岩的过大变形及加快隧道施工进度,需要将仰拱及时封闭.通过对仰拱采用钢筋混凝土预制板和干硬性混凝土组成的组合结构的现场试验研究,把仰拱上的荷载通过预制板间接传递给铺底干硬性混凝土,并充分利用干硬性混凝土强度增长快、受力后变形较小的特点,使仰拱组合结构在隧道掘进的两次出砟间隙时间内达到能通行汽车的要求.对组合结构承受不同荷载时钢筋混凝土板顶面的沉降变形及钢筋混凝土预制板和铺底混凝土之间的接触压力进行现场量测,并用有限元计算方法对试验结果进行分析验证.结果表明,由本文设计的隧道仰拱组合结构,能够增强隧道的施工安全和加快施工进度.     

京张高铁八达岭长城站超大跨隧道变形控制标准研究

为了确保超大跨隧道开挖过程围岩稳定和施工安全,合理确定各开挖步序的变形控制标准,采用理论分析、数值模拟实验和现场监测等方法,建立隧道变形与围岩应变相互关系的计算模型,提出基于围岩极限应变的隧道总变形控制标准,制定超大跨隧道分步变形控制标准和分级管理方法。研究结果表明:隧道围岩总变形控制标准取决于隧道围岩的极限应变;Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级围岩32.7 m跨度的隧道,其拱顶总沉降控制标准分别为40,90 mm和180 mm;超大跨隧道施工过程中成跨阶段的变形约占总变形的95%,成墙阶段的变形约占总变形的5%。     

大断面黄土隧道开挖引起的围岩力学响应

以胡麻岭隧道为工程背景,采用现场监测与三维数值模拟结合的方法,分析隧道开挖后黄土围岩应力场、位移场与塑性区的变化规律;同时对台阶法施工中影响围岩力学响应的因素进行分析.结果表明:围岩接触压力分布很不均匀;拱腰、墙角和边墙是施工过程中的薄弱环节,应加强支护刚度,设置锁脚锚杆或扩大拱脚;建议取消拱部系统锚杆,既有利于控制围岩变形又可减少工程投资;支护结构调整了围岩应力的分配,改善了应力集中且控制了塑性区的发展,故应坚持“及时支护、及早封闭成环”的原则;上台阶支护对控制拱顶沉降起着关键作用,施工中应引起足够重视;拱顶沉降在变形允许范围内,说明现行支护设计参数满足安全性要求;掌子面空间效应的影响范围约为其前方2～3倍洞径;数值计算结果与现场实测结果基本吻合.     

深埋3孔小净距隧道围岩压力计算方法及其工程应用

基于普氏理论,考虑开挖顺序以及中岩柱主要具有的承载松散岩土体和抑制围岩变形作用,提出3孔小净距隧道围岩压力的计算方法,并分析净距和开挖跨度对围岩压力分布规律的影响。通过与八达岭长城站3孔小净距隧道围岩压力实测值对比,验证计算方法的合理性和有效性。结果表明:中洞受力状态最为不利,边洞内侧围岩压力显著大于外侧;净距一定时,中洞或边洞跨度增大不仅导致各自洞室围岩压力增大,且会导致相邻洞室围岩压力增大;随净距增大,围岩压力逐渐降低并接近规范计算单洞值;Ⅴ级围岩段实测围岩压力约是Ⅲ级围岩段实测值的3倍,净距相同时,Ⅴ级围岩比Ⅲ级围岩更易形成极限承载拱;围岩压力理论计算值的偏差率在10%~25%。根据围岩压力的理论值和前期监测值,主动对隧道采取超前加固与加大锚杆长度,使实测围岩压力减小30%,可保障隧道施工安全。     

京张高铁八达岭长城站大跨深埋三连拱围岩压力计算方法研究

大跨度深埋三连拱隧道具有开挖跨度大、施工工序复杂、各洞室协同受力等特点,支护结构设计需要进行荷载-结构模型验算,而荷载如何确定尚无成熟的计算方法。依托京张高铁八达岭长城站三连拱隧道工程,基于普氏平衡拱基本假定并借鉴深埋双连拱隧道荷载计算方法,推导出深埋三连拱情况下围岩压力计算解析解。研究表明:三连拱隧道围岩压力由拱部松散土压力和中隔墙共同承担;中隔墙的主动支撑作用非常重要,这与双连拱隧道的受力变化规律吻合;该计算方法适用于具备一定强度的接近松散体围岩;通过解析法计算结果与现场监测数据对比分析,水平与竖向围岩压力最大相对误差分别为9.75%和10%,验证解析法计算结果的合理性。     

关垭子隧道软弱围岩大变形机理分析

关垭子隧道穿越极高地应力状态软岩,施工过程中发生了大变形。在工程地质勘查、现场调研、岩石力学试验及监控量测的基础上,通过分析隧道变形特征,从隧道埋深、施工方法、围岩岩性、地应力及地下水等方面研究该隧道大变形的发生机理。研究结果表明:该隧道大变形以围岩塑性变形为主,膨胀变形影响较小,并对类似隧道的设计施工进行了展望。