基于地层损失的复合地层盾构隧道施工沉降研究

盾构隧道施工诱发地面沉降的影响因素较多,但主要因素可归结为地层损失引起的地层变形。基于现有地层损失的理论,对引起地层损失的注浆过程进行模拟,依此研究复合地层盾构隧道施工对地层沉降的影响。研究结果表明:隧道贯通时,土体最大沉降和隆起区域分别位于隧道拱顶和拱底;浆液的硬化会对地表和拱顶的沉降速率产生影响,当浆液弹性模量达到最终硬化的75%时,地表和拱顶的沉降速率达到最大值并开始逐步减小;地表和拱顶沉降随浆液的逐步硬化而趋于稳定,且拱顶沉降趋于稳定的速率更快。     

铁路黄土隧道施工变形规律及预留变形量研究

为研究黄土隧道施工变形规律及预留变形量,以蒙华铁路双线黄土隧道工程施工为依托,采用现场实测和统计分析的方法分析隧道周边位移变形规律,以确定黄土隧道设计预留变形量。双线黄土隧道施工的变形规律表现为:隧道开挖时,拱顶下沉和周边收敛发展较快,仰拱封闭后,变形趋于稳定;隧道拱顶下沉大于周边收敛。Ⅳ级围岩黄土隧道下沉速率集中分布在5 mm·d~(-1)以内,部分深埋断面速率大于5 mm·d~(-1)。Ⅴ级围岩黄土隧道深埋时,拱顶下沉较小,速率集中分布在5 mm·d~(-1)以内;浅埋时,部分断面拱顶下沉超出设计预留变形量,速率在15mm·d~(-1)以内;其表现出的特点是:浅埋变形大,速率大。净空变形特征值的均值在浅埋时为4.1,深埋时为2.2。Ⅳ、Ⅴ级围岩黄土隧道设计预留变形量建议值分别是8~10 cm、12~15 cm。     

复杂地质条件下水底矿山法隧道的围岩位移分析

研究目的:长沙市湘江大道浏阳河隧道为双向四车道隧道,隧道结构形式设计复杂,分别由小净距隧道、分离式隧道和明挖隧道组成。根据暗挖段隧道现场监测成果,结合施工措施和开挖工序进行全面分析,为长沙地区水底隧道工程提供了典型参考案例。研究结论:核心土开挖后布设测点造成的总损失量较大;采用全断面帷幕注浆措施加固围岩对控制隧道拱顶沉降取得较好的效果;临时支护的拆除对拱顶沉降和围岩收敛的影响较小,采用三台阶和CD法施工浅覆土Ⅴ级围岩水底隧道,能有效控制沉降。     

软岩隧道涌水塌方机制分析及加固处治

研究目的:针对G316江西段改建工程佛头岭隧道施工至软岩区段时发生涌水塌方的工程事故,在深入调查和理论分析的基础上,本文对致灾诱因进行探析并提出处治措施,以此为依据,建立数值计算的对比工况,分析研究隧道涌水塌方的影响机制。研究结论:(1)软弱围岩体、地下水、降雨、地应力等自然因素是本次涌水塌方的内在原因(相对于Ⅴ级围岩,Ⅲ、Ⅳ级围岩拱顶变形分别下降81.7%和50.8%,无渗流作用拱顶沉降下降44.6%);(2)支护不及时和过大开挖步等人为因素是导致本次事故的重要原因(分别致使洞周最大变形处增幅达160%和29%);(3)围岩等级差异是涌水量大小的关键原因(Ⅲ、Ⅳ级围岩的最大日涌水量分别下降92%和78%);(4)监测数据表明,处治措施效果较好,围岩变形得到控制;(5)本研究结果对类似条件下的工程施工和加固处治具有参考价值。     

软弱围岩浅埋隧道全长黏结砂浆与水泥基药卷锚杆的锚固效果对比研究

铁路隧道锚杆主要有2种锚固方式:全长黏结砂浆和水泥基药卷,前者施工质量较好,可加固杆体周围岩体,后者施工简便,能快速发挥作用,在现有施工工艺的前提下,为了比较全长砂浆与水泥基药卷这2种锚固剂在浅埋软弱破碎围岩中的锚固效果,以郑万高铁许良隧道为依托工程,采用现场试验的方法对全长砂浆锚杆与水泥基药卷锚杆的锚固效果问题进行研究,选取Ⅴ级围岩段分别设置全长砂浆锚杆段50m与水泥基药卷锚杆段50m进行对比试验,且改善了全长砂浆锚杆注浆工艺,使其注浆密实度达到90%。对比试验的项目有:锚杆轴力、初支钢架应力、喷混凝土应力、水平收敛和拱顶沉降。现场实测结果表明:全长砂浆段的拱顶沉降和净空收敛在边墙锚杆施做后得到了更好的控制,得益于注浆工艺的先进性及后期强度的迅速提高,全长砂浆锚杆受力较大,且使喷射混凝土和钢架受力较均匀。相比之下,水泥基药卷段的围岩变形持续发展,受限于锚固质量及后期强度的不足,水泥基药卷锚杆受力较小,导致喷射混凝土和钢架承担较大部分的围岩压力,且不均匀。结论:在当前施工工艺和地质条件下全长黏结砂浆锚杆锚固效果较好。     

大断面隧道施工监测分析及应用

针对梅关隧道Ⅴ级围岩在洞身开挖及初期支护过程中出现的拱顶下沉现象,通过监控量测,分析引起拱顶下沉的主要因素,并在施工过程中改进技术、提高支护参数,有效抑制了拱顶沉降速率,确保了隧道施工的安全性。     

拱部溶洞对隧道围岩变形的影响

以广东季洞隧道为研究对象,采用数值模拟和模型试验,研究隧道拱部不同大小、距隧道不同距离的溶洞对隧道围岩变形的影响。结果表明:隧道开挖时拱部溶洞的存在会使围岩变形增大,而且变形会向着无溶洞一侧移动;拱部溶洞与隧道距离不超过1/3隧道洞径时,溶洞对围岩变形的影响很大,超过此距离影响明显减小;不同部位和不同大小的溶洞均会使隧道围岩变形不同程度地增大,隧道开挖后周边收敛和拱顶沉降均随时间呈S形变化,最终趋于稳定。     

不同工法组合穿越断层隧道围岩变形规律研究

为研究断层处围岩等级变化条件下，采用不同工法组合开挖对隧道产生的影响效应，以海沧海底隧道为例，通过数值模拟，分析4种工法组合下隧道围岩变形规律。结果表明：采用不同工法组合穿越断层，变形控制关键部位在不同等级围岩交界处，应针对性采取加固及监控量测措施；Ⅲ级围岩全断面开挖和台阶法开挖围岩变形差距较小；Ⅳ级围岩留核心土环形开挖法对隧道围岩所产生的影响相较于台阶法要小很多；受断层倾向影响，隧道最大沉降并非发生在中央拱顶，而是更靠近断层一侧的左右拱顶处；与实测数据进行对比分析，证明了模拟结果的可靠性。     

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%。     

第四系富水红砂岩地层隧道围岩变形特征研究

研究目的:富水条件下砂岩地层隧道开挖极易产生大变形。本文以蒙华铁路阳城隧道第四系富水红砂岩地层围岩大变形段为研究对象,通过室内试验、现场试验及数值模拟等方法,对围岩变形特征进行研究,从而提出围岩大变形的整治措施。研究结论:(1)对地层围岩认识有限、支护与降水措施不到位,导致围岩背后脱空溜砂,是产生大变形的主要原因;(2)工法变更辅以加密降水能有效控制围岩变形,拱顶沉降、水平收敛降低60%～65%,掌子面挤出降低50%;(3)现场试验监测结果显示,大变形整治措施、工法变更辅以加密降水行之有效,围岩变形量皆在规范允许范围内,后续施工段拱顶沉降监测值与数值模拟值相差18%,拟合较好,数值模拟有一定可靠度;(4)本文提出的围岩大变形相关整治措施,可为类似地层隧道围岩大变形整治、控制围岩变形及隧道安全施工提供借鉴。     

铁路隧道施工围岩变形安全等级的研究与应用

研究目的:我国在建铁路隧道有4 000余座约8 000 km,近年来隧道塌方事故时有发生,造成了一定的人员伤亡、经济损失和社会影响。建立铁路隧道围岩变形安全等级,用于现场管理十分重要。通过调研国内外研究成果,分析安全监测数据,辅以理论计算,以初期支护的安全度为基础,制定了铁路隧道变形控制安全等级管理数值。研究结论:(1)现有铁路隧道围岩变形安全等级管理与国际基本不接轨;(2)利用规范建议的设计参数,采用数值模拟计算,Ⅳ级围岩隧道开挖支护后拱顶沉降为11 mm、V级围岩为19 mm,而现场实测远大于该数值,因此,隧道围岩变形主要受控于开挖工法、初期支护施作质量以及初期支护闭合的及时性;(3)按变形总量和变形速率对隧道围岩变形进行预警二级、预警一级管理,变形总量Ⅲ级分别为40 mm、80 mm,Ⅳ级分别为50 mm、100 mm,V~Ⅵ级分别为75 mm、150 mm,变形速率分别为5 mm/d、10 mm/d;(4)研究成果可用于铁路隧道施工围岩变形监控量测安全管理。     

黄土隧道拱顶沉降高分辨率数据分析

选取黄土隧道初期支护完成后一段时间,通过远程采集拱顶动态下沉数据和环境温度变化数据,对隧道沉降数据予以分析表明:拱顶沉降总趋势符合同类围岩隧道拱顶沉降特征,收敛变形趋于稳定。该类隧道沉降基本稳定后,微小的变形数据显示出和温度存在一定的相关性:一方面,由于静力水准仪液面受温度的影响所致;另一方面,隧道围岩受温度的影响,也产生极微小的变形,但均与热胀冷缩的物理过程有关。     

无中导洞连拱隧道施工方案优化分析

本文以云南香丽高速上长坪隧道为研究背景,利用有限元软件对无中导洞连拱隧道施工方案及施工工序进行二维计算分析。通过对不同工况隧道开挖后地表和拱顶沉降、围岩应力以及支护结构内力进行对比分析,结果表明:对于不同工法而言,左洞采用两台阶预留核心土,右洞采用CRD法开挖,地表沉降相对于其它工况而言最大能减小19. 86%,隧道拱顶沉降、仰拱隆起也比其它工况要小;对于不同开挖工序而言,先开挖远离既有洞部位,围岩位移控制效果明显;不同工法开挖,围岩应力、支护结构内力以及围岩塑性区变化差别在10%以内;连拱隧道左洞开挖完后,右洞的第一步开挖的位置对后续围岩位移的控制有很重要的影响。     

Ⅳ级围岩隧道两台阶法开挖进尺研究

以吉图珲高铁富岩1号隧道为工程实例,运用有限元分析方法对不同开挖循环进尺下的隧道两台阶法进行数值模拟,对比分析不同工况下隧道变形和应力的响应规律,得出工程适用的开挖循环进尺。研究结果表明:开挖进尺对围岩变形影响较大,两者呈线性正相关关系;在Ⅳ级较差围岩条件下,拱顶受拉破坏先于拱腰和掌子面的受剪破坏,拱顶掌子面后方1 m处第一主应力达到最大值;随着开挖进尺的增大,拱顶第一主应力和拱腰、掌子面处D-P值均增大,隧道更易发生破坏;Ⅳ级较差围岩,开挖进尺建议取2.0 m,Ⅳ级偏好围岩开挖进尺可增大至4 m。     

降雨对小净距大跨度隧道开挖松动区的影响

小净距大跨度隧道在洞口段易受到浅埋偏压作用,隧道开挖会造成上覆岩土体出现大范围松动区,在降雨条件下更易出现地表塌陷与拱顶塌方。本文改进了围岩切向应力扰动系数公式,依托广州龙头山双洞八车道隧道工程,利用有限差分软件FLAC 3D对隧道洞口段在是否考虑降雨2种条件下开挖产生的松动区进行分析。分析结果表明:运用工程实际采用的双侧壁导坑法模拟开挖,隧道围岩产生的松动区范围较大且在拱顶上部产生交汇区域,中部核心土开挖时影响较小;考虑降雨渗流场之后开挖,在流固耦合作用下左右2个隧道围岩松动区面积增长分别约为30%,42%;隧道围岩松动区不对称分布和雨水渗流作用加剧了隧道偏压变形,并导致上部地表沉降最大增长33%左右。     

既有隧道上方挖方承载拱效应模型试验研究

设计室内模型试验,改变模型中既有隧道的围岩级别和衬砌刚度,采用在既有隧道上方挖方的方式,考察挖方过程中既有隧道围岩压力、衬砌变形和结构内力的变化规律,研究既有隧道的承载拱效应。结果表明:衬砌刚度较大时Ⅴ级和Ⅵ级围岩的承载拱外边界分别位于覆跨比1.3～1.6和1.6～2.2范围内,衬砌刚度较小时Ⅴ级和Ⅵ级围岩的承载拱外边界分别位于覆跨比1.6～1.9和1.9～2.5范围内;衬砌刚度越大承载拱范围越小,围岩级别越差承载拱范围越大;在既有深埋隧道上方不断挖方时,会逐渐对承载拱产生影响,使既有隧道经历无影响(覆跨比大于2.9)、弱影响(覆跨比处于1.4～2.9)和强影响(覆跨比小于1.4)3个阶段;既有隧道上方挖方过程中,拱顶相对其他部位受影响最大。研究成果可为类似近接隧道工程的设计和施工提供借鉴与参考。     

暗挖隧道超前导管注浆对地层位移影响规律的研究

以深圳地铁施工资料为基础，利用三维模拟程序对暗挖隧道施工过程及支护结构进行了模拟分析。对于喷射混凝土和格栅钢架组成的隧道初支系统，考虑了喷射混凝土的时间效应及格栅钢架与喷射混凝土的不同刚度。在模拟过程中，研究了不同超前导管注浆范围对围岩变形的影响规律。从分析结果得出，尽管超前小导管对控制隧道围岩的变形有一定的效果，但注浆对地层的加固效果更加明显。     

软弱围岩隧道CRD法施工围岩稳定性评价指标研究

通过对新建铁路巴准线上十几座软弱围岩隧道CRD法施工过程中的现场监控量测,获取隧道围岩拱顶沉降和周边收敛数据,运用Matlab对监测数据进行统计分析,发现隧道施工过程中围岩变形特性,得到围岩变形稳定时拱顶沉降值和周边收敛值,以此确定软弱围岩隧道CRD法施工阶段围岩稳定性评价指标,可为同类隧道施工围岩稳定性评价提供参考。     

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。     

地层倾角对浅埋偏压隧道拱顶沉降的影响研究

借助FLAC~(3D)有限差分软件,着重考虑地层倾角,结合现场量测,对重庆黔江蒲草沟Ⅴ级浅埋偏压隧道进行结构稳定性分析,探讨不同地层倾角下隧道的拱顶沉降特征。研究表明:所构建的数值模型对拱顶沉降的预测值与现场实测值变形规律基本吻合,且最大差值仅为0.87 mm,验证了本次数值模拟的正确性;随着砾岩夹砂岩层倾角增大,拱顶沉降呈加速增大趋势,开挖面处拱顶沉降变化率也显著提高;砾岩夹砂岩层倾角与地形一致导致的误差为16.4%,倾角为水平导致的误差为11.9%,误差均较大。由此可知,在砾岩夹砂岩层倾角变大的情况下,应提高隧道结构的强度,在数值计算中简化地层倾角会导致较大的计算误差。研究成果可推广应用于砾岩夹砂岩层的浅埋偏压隧道。