某高速公路隧道施工初期支护参数分析与监测

针对某高速公路台阶法施工过程中具代表性的初期支护形式,建立了隧道工程有限元分析模型,考虑了初期支护力学参数的合理取值,采用有限元软件MIDAS/GTS进行了施工模拟分析,通过对比施工监控量测数据,对隧道初期支护参数进行了分析验证。     

高速铁路隧道支护参数的计算研究

为探索隧道初期支护安全系数的计算问题,并为高速铁路隧道支护参数优化提供理论依据,根据喷锚支护的性能与特点以及现代隧道力学的基本理论,建立初期支护荷载结构模型和对应的安全系数计算方法; 针对时速350 km高速铁路双线隧道提出的3种不同的初期支护方案（无系统锚杆支护、喷锚结合支护和以锚为主的支护方案）展开适应性研究,计算分析不同埋深（400 m和800 m）条件下初期支护的优化参数以及优化后的二次衬砌承载能力,在此基础上提出优化后的高铁隧道支护参数建议值,并对优化前后的安全系数进行计算与对比。主要结论如下： 1）提出了采用围岩压力代表值作为荷载结构模型设计荷载的方法,为解决设计中围岩压力不确定的问题提供了思路,且所推荐的围岩压力代表值计算方法具有安全性与经济性; 2）提出了3种初期支护计算模型,可以为初期支护构件的选择与量化设计提供一定的理论基础; 3）提出了时速350 km高速铁路双线隧道初期支护方案及优化后的复合式衬砌设计参数,并明确了不同围岩级别、不同埋深时的承载主体; 4）提出了按照不同埋深进行支护结构参数设计的建议。     

合理确定公路隧道支护参数的设想

针对目前隧道设计中初期支护参数取值范围过大,设计者在设计过程中难以把握,所选择的支护参数有可能与围岩实际不匹配,致使隧道要么不经济,要么不安全,或耐久性不足而存在安全隐患,提出了对围岩再分级的处理,以便更合理地选择支护参数设想。即对规范给出的各级围岩再分成若干个分级,对各分级围岩给以相应支护参数,缩小初期支护参数取值范围,使设计者在选择支护参数时更容易把握,从而选择出更符合围岩实际的支护参数,使隧道既安全又经济合理。     

复合式衬砌初期支护刚度及影响因素分析

针对正在建设的宝兰客运专线出现的大量超大断面黄土隧道,介绍了客运专线中黄土隧道的初期支护结构设计研究情况,对于隧道初期支护弹性模量的取法问题,采用折算法和模拟法分别计算隧道初期支护的等效弹性模量,通过对2种计算结果进行对比,结合围岩压力监测资料,分析了初期支护弹性模量的取值及初期支护压力。研究结果表明:运用模拟法计算的初期支护等效弹性模量更贴切,对今后类似工程的设计与施工具有一定参考价值。     

七官场隧道偏压段围岩稳定及初期支护结构数值模拟计算研究

偏压是山岭隧道施工中较为常见的一种现象,为了确保偏压段隧道施工过程中隧道衬砌结构、洞周围岩和边仰坡等结构的稳定,采用地层-结构法对偏压隧道围岩稳定性和初期支护结构安全系数进行数值模拟计算。结果表明:在施工过程中隧道偏压段围岩收敛变形、喷混凝土及钢架支护安全系数和锚杆锚固效果与现行公路相关隧道设计规范对比,偏压段隧道设计支护参数相对偏弱,并采取相应的加强措施对偏压段支护参数进行动态调整,确保偏压隧道施工的安全。     

山岭隧道浅埋盖挖段施工过程的数值模拟

为研究不同设计参数对山岭隧道浅埋盖挖段支护结构承载变形特性的影响规律,以宁波309省道改线工程中的杜鹃谷隧道浅埋盖挖段为依托,采用ANSYS分析软件进行隧道开挖支护数值模拟分析,探讨不同围岩特性、隧道埋深与盖拱拱脚底板尺寸等不同设计参数对盖拱内力、初衬与二衬内力以及拱脚底板沉降量的影响规律,揭示不同工况下隧道浅埋盖挖段支护结构的承载变形特性,获得各设计参数的建议取值范围,为今后类似工程设计提供借鉴。     

基于流固耦合的高水压隧道支护结构研究

高水压是山岭隧道建设的重要难题之一,抗水压衬砌是隧道穿越这些区段的常用措施,其衬砌结构断面厚度远大于标准断面。衬砌厚度过大施工相对不便,施工质量不能保证,且不能及时分担水压。针对广西某隧道高水压段,采用双层初期支护和二次衬砌组成的支护结构承受高水压,减小二次衬砌厚度。为了分析双层初期支护的效果与获得基于双层初期支护的支护结构参数,利用有限差分法研究了不同防渗等级的单层与双层初期支护、不同注浆范围及不同二次衬砌厚度对围岩的变形影响和对支护结构的力学状态影响。结果表明:在相同支护体系中,喷射混凝土的不同防渗等级对围岩变形、支护应力影响不大;初期支护的防渗等级相同时,相比于单层初期支护,双层初期支护体系使围岩变形、喷射混凝土应力、二次衬砌的轴力与弯矩均减小40%以上;当拱顶以上水头为90 m且采用防渗等级为P8的双层初期支护时,径向注浆能够有效减小支护应力。当径向注浆范围超过4 m后,注浆对减小支护结构受力的效果不明显;采用双层初期支护体系,注浆范围为4 m时,二次衬砌的厚度设计为40 cm就能保障支护结构处于安全状态;径向注浆条件下,采用双层初期支护+二次衬砌的支护体系能够有效保障隧道高水压段的安全。     

隧道台阶法施工中台阶长度的优化分析

为对比隧道台阶法施工中台阶长度对隧道施工的影响,选取合理的台阶长度,提高台阶法施工时的安全性,以云南省某隧道为依托,运用数值模拟的方法对比不同台阶长度下初期支护的变形及受力特征,最后通过现场实测结果与模拟结果的对比分析得出:当上台阶长度取值为1倍～2倍洞跨时,能够使初期支护的变形和受力更加合理,保证了初期支护结构的安全性和施工便利性,对类似地质条件下采用台阶法施工的隧道具有一定的借鉴意义。     

基于中条山隧道的台阶法几何参数优化分析

为提高台阶法在软岩条件下施工时的安全性,充分发挥其施工高效的固有优势,以中条山隧道为工程依托对该法施工时几何参数的选取进行优化分析。分析采取数值模拟结合现场监测数据的方法,以初期支护结构安全性、掌子面稳定性以及施工便利性作为优化选择的依据。根据研究成果可知:在软岩条件下隧道采用台阶法施工时,上台阶长度控制在4~5 m时隧道初期支护结构受力合理,施工机械操作便利;上台阶高度取值为0.6H(H为隧道高度)时能较好地兼顾隧道的施工效率以及掌子面的稳定性,但是在围岩条件较差如Ⅴ级围岩掌子面出水或浅埋情况下,其取值应适当提高但也不宜超过0.7H。     

单拱4车道公路隧道不同施工方法下初期支护力学特征研究

由于单拱4车道公路隧道通常采用扁平的拱形结构形式,从而导致隧道开挖后围岩的二次应力分布不均匀,初期支护的支护效果不佳。为了研究采用不同施工方法时各种初期支护手段的力学特征,采用有限差分软件FLAC3D对不同围岩条件下单拱4车道公路隧道的施工动态过程进行了三维数值模拟,得到了不同施工方法下初期支护的应力和位移特征。通过比较分析这些力学特征,提出了不同围岩条件下使初期支护达到最佳效果的施工方法。     

高地应力千枚岩地层斜井进正洞岔口地段施工技术

结合兰渝铁路西秦岭隧道高地应力千枚岩地层斜井进正洞岔口地段施工技术及变形处理的工程实践,分析千枚岩地层走向与变形的关系,总结径向注浆、临时支撑等变形处理措施,有效地抑制围岩变形,同时,对该类围岩的施工技术参数及断面设计提出建议,对类似围岩地段的变形防治提供参考。     

不同群桩设计参数下桩基荷载的简化分析

通过对隧道群桩-衬砌支护联合承载体系和无地基改良下关键部位的受力及变形进行对比,经分析后提出隧底群桩荷载简化模型。研究结果表明:群桩-衬砌支护联合承载体系下结构竖向位移明显减小,其中拱顶和仰拱的竖向位移得到明显控制,且在隧道纵向中部位置的竖向应力有明显减小,整体受力更趋于均匀。所以,群桩-衬砌支护联合承载体系对改善隧道基底深厚软弱地层下的沉降和洞室关键部位应力有显著作用,同时,给出不同关键设计参数(桩长、桩径、桩间距)下隧底群桩荷载简化模型分布函数,可利用该分布函数进行桩顶荷载估算。     

隧道开挖支护质量3DZI检测技术及应用研究

为解决钻爆法隧道施工过程中隧道围岩及开挖支护质量难以快速、完整、准确检测的难题,通过对三维重建与全景展开图技术的融合与改进,提出基于3DZI技术(3D Reality and Deep Zoom Image)的隧道开挖与支护质量检测方法。通过用参数化流线与迹线方程构建网格化的设计轮廓曲面,建立三维轮廓与二维展开平面之间的映射关系,实现三维实景与平面全景展开图的信息协同与辨识;通过网格曲面法线方程与三维实景模型求交,实现对空间距离测量和体积估算,并生成净空偏差云图和断面图;通过求交修正后的网格曲面实现对图像无视差矫正拼接,生成高质量的全景展开图,用于还原记录围岩和初支表面情况,实现对表面物体长度和面积的测量。结果表明:该方法设备成本低且作业灵活,仅需在现场布置若干控制点后自由设站拍摄照片,可实现隧道围岩地质编录、超欠挖与初支工程量等量化检测,以及隧道塌方体积与大变形量的快速测定,并可揭示各项作业效果之间的因果关联性。工程现场应用表明:该方法检测结果能直观全面地反映隧道开挖支护效果及围岩地质情况,同时获得超欠挖分布规律和初支材料用量信息,可为隧道施工开挖与支护质量控制、动态设计提供可靠的信息化检测结果和依据。     

深埋隧道围岩与支护结构相互作用的非线性动力学特性研究

为了充分了解围岩与支护结构动力系统的变化特征,根据现场实测数据分析深埋隧道的围岩稳定性,对提取的时间序列进行相空间重构,计算了关联维数,定性分析了系统的混沌动力学特性.进一步应用反演理论,建立了深埋隧道围岩系统的非线性动力学模型,通过模型逼近,获得待定参数和正演模型的各变量,定量的分析了系统的混沌动力学特性,结果表明,各变量计算与实测的分布曲线非常接近.利用该模型可较好地预测在高地应力条件下围岩与支护结构系统各特征变量的变化规律.     

锁脚锚杆控制隧道初期支护沉降的原理和应用

当前软岩隧道初期支护因沉降变形量大而造成的成本消耗高问题较突出，初期支护底脚作用力与锁脚锚杆抗力不平衡是隧道初期支护沉降的主要原因，其中建立支护底脚与锁脚锚杆之间力的平衡关系是控制隧道初期支护沉降变形的重要前提。以弹性地基梁柱原理和摩擦桩原理来计算分析锁脚锚杆的内力和位移及其与地基的反力关系，以此确定锁脚锚杆的承载能力；通过分析锁脚锚杆对支护结构的柔度，确定其与支护结构的相互影响，进而建立考虑锁脚锚杆对支护结构底脚影响的支护结构力学计算模型，计算其作用于锁脚锚杆端上的作用力作为锁脚锚杆的设计依据；按照上述原理，分析了Ⅴ级围岩当前流行的42锁脚锚管的不足，并示例计算分析了108锁脚锚管的承载能力；最后以Ⅵ级围岩风积砂隧道施工的实例来说明“分布式”加强锁脚锚管以及锁脚锚桩控制支护沉降变形的显著效果验证技术的可行性；结论认为软岩隧道初期支护可按照“荷载—结构”原理确定围岩与支护、支护与锁脚锚杆之间的作用力与反作用力关系，达成支护结构之间力的平衡稳定以实现控制支护沉降的目的。     

基于地质横剖面的隧道工程三维地质建模方法研究

为直观准确地表达地质与隧道工程之间的相互关系,对三维地质与隧道的建模方法进行研究。首先,提出一种基于地质横 剖面轮廓线的归一化三维地质体模型重构方法; 然后,以已建立的三维地质模型为基础,对基于隧道横断面的三维建模及隧道与 地质模型合并过程中的模型切割、分层进行研究; 最后,开发基于断面的三维隧道地质建模及可视化系统。通过建模实例显示: 采 用本文的方法能够取得良好的三维地质及隧道建模效果,直观展示隧道与地层间的相互关系,较为丰富地展现隧道的内部细节。     

基于爆破损伤隧道初支与掌子面合理距离研究

基于钻爆法,研究在围岩损伤条件下初期支护滞后掌子面不同距离时隧道稳定性。利用声波检测隧道爆破开挖后围岩的扰动损伤,将隧道支护时机与施工时初期支护滞后掌子面距离相结合,通过FLAC3D数值模拟分析不同初支滞后距离下围岩的位移量、应力大小,得到在该工程地质条件下,随着距离的增加,围岩位移量略有增加,围岩应力降低,并最终趋于稳定,根据其变化规律分析可得初期支护滞后掌子面12 m的情况下围岩能够自稳。实践证明,不仅取得了良好的光面爆破效果,而且有效地控制住围岩超欠挖,从而取得较大的经济效益。     

基于强度折减法的软硬不均地层隧道开挖方法转换时机研究

为确定隧道穿越软硬不均地层区段中隔壁台阶法向三台阶七步开挖法的工法转换时机,以某地下公路隧道为工程背景,考虑掌子面与软硬地层分界面不同相交位置关系,应用强度折减法对不同工况下隧道安全系数进行计算,获得掌子面与地层分界面相交位置改变时隧道安全系数的变化规律,通过数值计算,分析不同工况下隧道支护结构的变形及应力特征,进而确定隧道开挖及支护方法转换的合理时机。研究结果表明： 1）当基岩覆盖拱顶厚度达4 m后,隧道安全系数增长速率减慢并很快进入稳定状态; 2）基岩覆盖拱顶厚度达3 m后,支护结构变形及应力基本进入稳定状态; 3）确定当基岩覆盖拱顶厚度为4 m时由中隔壁台阶法转换为三台阶法,并通过工程实践对此转换时机的可靠性进行了验证。     

岩溶隧道突泥机制与防治技术研究

为规避和降低岩溶隧道的突泥风险,采用归纳分析方法总结岩溶与隧道的位置关系,基于力学分析方法揭示岩溶隧道的突泥机制和主要影响因素,并以贵都高速公路九条龙隧道突泥现场实例,对突泥事故原因、处理方案和防治措施展开论述。得出以下结论:1)岩溶与隧道的位置关系可划分为隧道周围存在岩溶、隧道整体穿越岩溶和隧道部分穿越岩溶3种类型;2)从宏观和微观2个方面揭示岩溶隧道的突泥机制,其宏观机制是指岩溶隧道不同的突泥类型,其微观机制是指地下水对地层的小尺度物理力学作用;3)针对岩溶隧道不同工程地质特征,应重视工程勘察和隧道施工作业中的超前预报,采用合理的开挖方法和超前支护措施,规范施工作业流程,预防岩溶隧道突泥事故的发生。     

重庆仰头山隧道区岩溶水系统划分与系统特征研究

为了查明黔恩高速公路仰头山隧道隧址区岩溶水发育特征，在分析工程地质环境的基础上，将仰头山隧道岩溶水系统进行划分，并对各系统的含、隔水介质、水文地质结构、岩溶发育情况及排泄量等进行了研究，揭示了各岩溶水系统与隧道的关系及对隧道施工的影响。