倾角对土砂互层地层围岩稳定性的影响探究

研究目的:全风化红砂岩和砂质黄土互层地层在我国有较广泛的分布,其敏感脆弱的工程地质特性严重影响隧道工程建设。本文以蒙华铁路阳城隧道为依托工程进行拓展性研究,采用室内试验、数值模拟、现场监测等多种方式深入探讨岩层倾角对土砂互层地层隧道围岩稳定性的影响。研究结论:(1)随着岩层倾角增大,拱顶及左、右拱腰位移呈现互异的变化规律,且具有不同的变形机理;对于拱顶而言,45°为破坏模式转换临界,位移取得最小值43. 7 mm;根据左、右拱腰变形差异性,分为非对称变形缓慢发展区、非对称变形快速发展区、非对称变形稳定区、非对称变形弱化区和非对称变形二次发展区五个阶段;(2)拱顶及左、右拱肩处支护结构在不同地层倾角下均有较大主应力,且波动幅度较大,左、右拱肩处应力差值的变化对隧道结构会产生不同程度的影响,当倾角为60°时,两处主应力差值取得最大值1. 01 MPa;(3)随着岩层倾角变化,张拉塑性区和剪切塑性区存在不同的分布规律,实际工程中应做好相应抑变措施;(4)本研究结论可为不同岩层倾角产状下的土砂互层地区的隧道设计和施工提供借鉴。     

新近系泥岩隧道初期支护受力特性研究

富水区泥岩隧道开挖后经常出现支护结构大变形乃至开裂现象,影响隧道的施工和长期运营安全。为掌握新近系泥岩隧道支护结构和围岩的变形动态,开展相应的室内试验与现场监控量测以及数值模拟。采用室内试验方法获得泥岩的物理力学参数;通过现场监测方法得到围岩压力、钢拱架应变;采用数值模拟的方法获得泥岩软化前、后拱顶及拱脚沉降量、围岩压力、径向位移值的大小。研究结果表明:泥岩呈弱崩解性,且具有一定膨胀性,是导致围岩变形持续时间较长的主要原因;多数测点钢拱架弯曲,导致初期支护承载力不足,进而引起初衬混凝土掉块脱落;泥岩软化后,隧道同一位置处拱顶、拱脚沉降量、围岩压力、径向位移值均远大于泥岩软化前的数值,泥岩遇水软化是导致隧道支护结构产生大变形的原因之一。研究方法和结论对新近系泥岩隧道的设计和施工有一定的参考价值。     

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.     

软弱围岩铁路隧道三台阶带仰拱一次开挖工法台阶高度优化研究

为进一步提高软弱围岩条件下隧道开挖的安全性及稳定性,本文依靠玉磨铁路新平隧道工程,利用有限差分数值模拟软件flac3D,对软弱围岩铁路隧道三台阶带仰拱一次开挖工法的台阶高度进行优化研究,主要对比了5种不同台阶高度开挖方案的初期支护位移及内力。结果表明:(1)采用工况4(上台阶高度4 m、中台阶高度3.2 m、下台阶高度5 m)的拱顶沉降值、拱肩收敛值、边墙收敛值均最小,分别为22.3 mm、3.17 mm、11.9 mm;(2)工况4的结构安全性最高,最小安全系数最大,为2.83;(3)综合结构位移及内力,新平隧道软弱围岩段建议采用工况4的台阶高度进行施工。研究成果可为类似工程施工提供参考。     

深埋大断面隧道土石复合地层塌方机制及处置措施评价

针对黄陵—韩城—侯马铁路如意隧道施工通过土石复合地层时隧道围岩塌方事故,分析塌方的影响因素及机制,提出"管棚+小导管注浆"加固围岩以及增大初期支护和二衬的施工参数等处置措施;通过现场监测和三维数值模拟方法评价处置措施的效果。结果表明:复杂地层、围岩软弱、地下水是引发塌方的主要因素;由于土石复合地层和地下水的影响,使隧道拱部产生了较大的附加荷载,导致拱顶岩体鼓起破坏,进一步发展为掌子面拱部大范围的失稳破坏;对塌方地段隧道处置后,实测的拱顶沉降和水平收敛位移分别为26和30mm,拱顶初期支护与围岩之间的压力为128kPa,数值模拟的拱顶沉降从662mm下降到47mm,洞周的塑性区减小到原设计方案的63%,表明采用该处置措施有效地控制了围岩的压力和变形,降低了施工风险;在隧道施工中应注重掌子面的超前加固。     

湿陷性黄土地区新建地铁对既有结构影响研究

研究目的:为研究湿陷性黄土地区隧道施工对临近既有隧道的影响,本文通过开展室内土工离心模型试验,采用控制新建盾构隧道拱顶下沉量的方法模拟隧道施工造成的地层损失量,并考虑新建隧道与既有隧道之间的间距,设置多组工况研究既有地铁隧道仰拱最大竖向位移以及围岩压力变化规律。研究结论:(1)既有隧道仰拱最大竖向位移随着地层损失率的增大及隧道净距的减小均呈线性增加规律,据此提出单线盾构穿越过程中新建隧道拱顶沉降控制标准:净距0. 5D、0. 4D、0. 3D、0. 2D工况分别为25 mm、19 mm、14. 5 mm、12. 6 mm;(2)既有隧道仰拱处比拱腰及拱顶处围岩压力减小明显,新建盾构隧道上部围岩压力有变大的趋势,新建隧道上部一定高度范围内的土层形成了拱效应;(3)研究结果与既有地铁结构仰拱实测数据进行分析对比以及优化拟合公式可为湿陷性黄土地区类似工程提供预测曲线。     

新人工填筑土地层超大断面隧道施工导致的地表沉降及其控制措施

以贵阳立体交通枢纽工程龙洞堡机场隧道工程为背景,综合运用现场测试、模型试验及数值计算方法,对超厚新人工填筑土地层超大断面隧道施工导致的地表沉降及其控制对策进行研究。基于实测的隧道拱顶沉降,根据既有的计算方法计算拱顶全部沉降;通过室内模型试验和三维数值模拟得到因地层损失引起的地表沉降占拱顶全部沉降的比率;根据拱顶全部沉降和比率计算得到隧道施工导致的地表沉降;再根据实测的地表总沉降,确定隧道施工和土体自身固结分别导致的地表沉降占地表总沉降的比例。结果表明:隧道施工导致的地表沉降是拱顶沉降的35%~36%,占地表总沉降的20%~34%,土体固结导致的地表沉降占地表总沉降的66%~80%,可见土体固结是导致地表沉降的主要因素。由此提出控制地表沉降的主要对策:通过地表钢管桩注浆加固,对土层进行改良;对拱部进行中管棚超前支护;采用大拱脚弧形导坑预留核心土台阶法开挖隧道;设置H175型钢钢架加强初期支护,二次衬砌尽可能地紧跟初期支护施作。     

硬岩地层中扁平大跨隧道拱盖法施工优化分析

以青岛地铁1号线人民广场站—衡山路站区间站前折返线为例,采用三维数值模拟方法分析了初期支护拱盖法分步开挖过程中地面沉降、拱顶沉降、初期支护受力和围岩应变的变化规律,进一步分析硬岩地层中扁平大跨隧道施工二次衬砌拱盖法优化为初期支护拱盖法的可行性,并通过现场监测结果加以验证。研究结果表明:硬岩地层中扁平大跨隧道采用初期支护拱盖法施工地面沉降、拱顶沉降、初期支护和围岩的应变满足规范要求,二次初砌拱盖法优化为初期支护拱盖法切实可行;拆撑是初期支护拱盖法开挖工序中的重要阶段,确定合理的拆撑长度是该工法成功应用的关键。     

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。     

雁门关隧道变形控制技术

研究目的:雁门关隧道处于恒山山脉,太古界变质岩地层,受多期构造运动影响,围岩稳定性差、大变形造成初期支护环纵向开裂,拱顶、拱脚喷混凝土剥落,钢架扭曲、折断,支护侵限甚至是二衬开裂等现象,给隧道建设带来极大的困难。通过隧道DK 121+203~DK 121+175段典型大变形处理案例,分析其大变形的原因,提出合理的控制变形技术。研究结论:(1)雁门关隧道变质岩地层虽属硬质岩,但复杂多变的地质条件加大了围岩变形破坏可能性;(2)根据现场施工及围岩量测情况采取信息化设计,对隧道各段采取针对性的措施,做到"岩变我变",确保施工安全,有效的控制了工程成本;(3)采用快封闭、快支护、设置临时横撑、长锚杆、大管棚、分层加强初期支护以及早施工并适当加强二次衬砌等措施可以有效的控制并稳定隧道大变形;(4)本研究成果在构造复杂变质岩地层隧道设计、施工中有较广泛的应用价值。     

破碎围岩条件下铁路隧道单层衬砌结构力学特征研究

研究目的:文章以合武铁路大别山隧道为背景,对Ⅳ级围岩条件下采用的单层衬砌结构的接触力学特征、不同施工阶段的受力特征以及围岩稳定性等进行研究,并对单层衬砌结构的力学特征进行探索,以期为类似工程的设计和施工提供参考。研究结论:(1)相对于复合式衬砌而言,单层衬砌接触压力普遍较大,最大压力易出现于拱脚处,最小压力易出现于仰拱处,而其二衬的内力显著小于复合衬砌。(2)单层衬砌结构内力在隧道施工的不同阶段,初期支护与二衬的内力先按时间分配,后按刚度分配。(3)隧道左右拱腰侧与拱脚处的围岩的YAI值较小,容易发生失稳,应加以防范。     

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。     

隧道初期支护钢拱架的应力分布规律研究

隧道开挖时,由于地质条件的不确定性和复杂性,导致支护结构受力状态发生变化,因此掌握支护结构应力分布规律对于隧道工程安全施工具有十分重大的意义。以下穿渝湘高速公路的凤咀江铁路隧道为背景,利用数值模拟和实际监测研究不同围岩和不同拱架间距下隧道初期支护钢拱架的应力分布规律,研究表明:(1)Ⅴ级偏差围岩最大拱架间距取0.8m,Ⅴ级偏好围岩最大拱架间距可增大至1.0m;(2)从应力分布角度看,钢拱架内外侧应力大部分为拉应力,且钢拱架最大拉应力出现在拱脚处,最大压应力在拱顶处;(3)当围岩质量状况变差时,钢拱架应力和应力梯度会迅速增大,钢拱架受力不均匀性也会显著增加;(4)在Ⅴ级偏差围岩条件下,当增大拱架间距时,钢拱架应力会迅速增加,因此要严格控制好拱架间距。     

黄土连拱隧道施工方案优化分析

为了优化双连拱隧道的施工方案,依托山西某黄土连拱隧道,利用ANSYS建立数值模型并导入FLAC3D中,模拟了三导洞法和台阶法的开挖,分析了两种施工方案下连拱隧道的拱顶沉降、地表沉降规律,拱顶和中隔墙大主应力变化以及压力拱范围,结果发现:台阶法施工该连拱隧道的拱顶沉降、地表沉降、应力影响范围比三导洞法小,台阶法施工连拱隧道使得中隔墙的偏应力条件较早得到纠正,形成了较好的受力体系。最终台阶法(三导洞法)形成的拱顶、中隔墙上部围岩压力拱为1.0D(1. 5D)范围,台阶法施工对围岩的扰动范围也更小。因此,为保证该隧道的整体稳定性,建议本隧道采用台阶法施工。     

大断面古土壤隧道围岩变形规律研究

古土壤形成时期、环境有别于黄土,因此,古土壤隧道围岩物理力学性质与黄土隧道存在一定差异。银西高铁早胜三号隧道作为国内首次穿越古土壤地层的长大隧道,为系统研究古土壤的物理力学性质及隧道穿越古土壤地层时关键施工技术研究提供了有利条件。本文以早胜三号古土壤隧道为研究背景,通过基础试验得到古土壤的物理力学性质,利用现场量测结果分析古土壤隧道的沉降变形收敛规律,然后通过数值模拟验证了现场监测结果。研究表明:古土壤具有密度大、比重大、抗剪强度较大和弱膨胀性的特点;隧道沉降变形分为快速增长阶段、持续增长阶段、平稳阶段,沉降主要集中在上台阶拱顶位置;围岩收敛主要集中在拱脚附近,且随着测点距拱脚位置的减小,收敛值逐渐扩大;同时,三台阶七步施工工法是造成左右围岩收敛值不同的主要原因;针对收敛主要集中在拱脚位置这一现象,建议进行仰拱曲率优化的研究。     

勐远隧道软弱围岩收敛变形控制技术研究

新建铁路玉溪至磨憨线勐远隧道进口端地层岩性为泥岩夹砂岩,围岩结构面发育、较破碎,围岩遇水软化现象明显。此外,隧道埋深较小(30 m以下),隧道内施工易受地表降水影响,围岩软弱,沉降及收敛较明显,为安全、有效、快速组织施工,根据施工现场实际情况,试验了双层钢筋网片、拱顶及拱墙径向注浆、调整锁脚锚管等一整套施工方法,根据监控量测数据间接反馈试验效果,以变形持续时间、拱顶最大沉降量、拱墙最大收敛量三个指标评判施工效果。结果显示,这些施工措施在抑制围岩变形方面效果明显。     

三台阶大拱脚临时仰拱法与微台阶法在砂质黄土隧道中的适用性对比分析

在软弱围岩隧道施工中常采用三台阶大拱脚临时仰拱法和微台阶法。针对蒙华铁路阳城隧道上覆砂质黄土下伏软弱围岩的典型工况,采用MIDAS有限元软件对三台阶大拱脚临时仰拱法和微台阶法的施工过程进行了数值模拟。结果表明:采用大拱脚临时仰拱法施工最大拱顶沉降、最大水平收敛、最大掌子面挤出位移和最大地表累计沉降均小于采用微台阶法施工,三台阶大拱脚临时仰拱法能更好地控制围岩变形,更适合于上覆砂质黄土下伏软弱围岩隧道施工。该工法已在蒙华铁路实际工程中应用,取得了良好效果。     

海底隧道施工过程中围岩稳定性的流固耦合分析

以厦门翔安海底隧道为工程背景,基于流固耦合理论,对穿越海域风化槽段施工过程中的围岩稳定性进行数值计算,研究不同施工阶段隧道围岩位移场和渗流场分布规律及支护结构的受力特征。研究结果表明:地下水的渗流作用对海底隧道的围岩变形影响很大,引起较大范围的海床沉降;超前导洞开挖对围岩渗流场的影响作用最为直接和明显,且由渗流引起的海底隧道围岩变形在向上传递过程中折减较小;海底隧道洞周变形和海床沉降主要集中在两侧导洞下部和中部核心土上部开挖过程中;海水水位变化对海床沉降、拱顶沉降、拱底回弹量及围岩塑性区分布范围均有一定影响;注浆圈加固效果直接影响海底隧道开挖后围岩位移场和渗流场的分布,且注浆加固区厚度及渗透系数存在1个经济合理值;海底隧道拱腰横向支撑节点的应力集中较大,出现较大的塑性破坏区;海底隧道支护结构受力分为3个阶段,且拱脚、横支撑支点处受力较大。     

亚黏土地层隧道台阶七步开挖施工现场测试研究

湖南省衡炎高速公路云阳山隧道进口段为亚黏土地层,由于该地层含水量高、可塑性强、自稳能力差,承载力低,给隧道施工造成困难。根据云阳山隧道亚黏土地层台阶七步开挖法实际施工情况,选取典型断面,进行了拱顶位移、钢支撑受力的量测,研究台阶七步开挖法各施工步骤对隧道围岩和支护结构稳定性的影响,同时进行了地表沉降和位移的监测,特别是对沿隧道纵向地表沉降进行了监测,获得了亚黏土地层条件下采用台阶七步开挖法施工围岩变形以及结构受力的特征,对于台阶七步开挖法的推广应用具有参考作用。     

复杂条件下超大跨地铁车站施工仿真技术研究

研究目的：研究复杂条件下超大跨浅埋暗挖地铁车站施工时,不同施工工序下开挖引起的地层扰动对地表沉降及拱顶下沉的影响规律。研究方法：以某超大跨浅埋暗挖地铁车站作为工程背景,利用ANSYS有限元软件作为开发平台,以浅埋暗挖隧道开挖支护理论为基础,采用平面应变模式,对双层两柱暗挖结构的三跨连拱隧道开挖支护全过程进行非线性仿真研究。研究结果：仿真计算结果与现场监测数据基本吻合,可以指导该类型隧道施工的地层沉降仿真研究、施工作业及信息化施工。研究结论：地表沉降影响范围约3倍洞径,最大沉降量为20.75 mm,拱顶最大下沉量为29.93 mm;超大跨隧道分部开挖“群洞效应”明显,在“上软下硬”围岩地层中,地层变形控制的关键工序是上部软岩断面的开挖支护,下部断面要减少爆破振动对地层变形的影响;大跨隧道开挖支护中,不同分部开挖引起的沉降量及沉降槽宽度是不同的。