隧道“关门”塌方原因的力学分析及预防对策

为向施工技术管理人员解释隧道初期支护随施工的应力变化规律,进而找出发生“关门”塌方的原因,首先说明“关门”塌方发生时的施工状况,一般采取钢架+锁脚锚杆+喷射混凝土的支护结构,塌方时松散荷载已形成; 然后按荷载-结构模型,在初期支护承担全部设计荷载的条件下,通过施工三台阶法对上、中、下3个断面采取结构力学力法分别进行内力计算及承载能力分析。结果表明: 在围岩完全松散的极限情况下,上台阶绝对安全,中台阶基本安全,下台阶开挖尤其是仰拱开挖时塌方的风险极高。针对上述问题提出预防“关门”塌方的相应对策。结论认为采取钢架+锁脚锚杆+喷射混凝土的支护形式,支护结构处于极限应力平衡状态,很容易破坏而造成隧道坍塌。     

直接弹性抗力法及其在隧道初期支护结构计算中的应用

为更加直观地证明隧道初期支护具有单独承载能力的事实,提出直接弹性抗力法原理。直接弹性抗力法以拱(圆曲梁)和弹性地基拱(弹性地基圆曲梁)2段函数分别反映拱部支护结构脱离围岩以及侧壁支护结构压向围岩2段结构的内力及位移,能极大地简化计算过程,较为真实地反映隧道支护结构的应力状态;并结合链杆支座拱、铰支座拱模型,分别模拟实际施工的无分布锚杆影响、有分布锚杆影响但锚杆无切向力、有分布锚杆影响且锚杆有切向力3种支护应力状态,比较全面地概括隧道支护施工可能产生的应力状态,充分证明隧道初期支护具有单独承载能力的理论事实。强调"先柔后刚,先放后抗"属于概念,初期支护变形的主要原因是地基承载力不足造成沉降,锚杆锚固力和喷射混凝土早期强度等严重影响初期支护单独承载;再根据隧道支护结构各种可能的应力状态,提出对隧道初期支护结构细节设计的改进建议,如锚杆与钢架的连接、钢架之间的连接、钢架底脚的处理、锁脚管桩、型钢钢架与格栅钢架的组合结构等,通过实践证明隧道初期支护具有单独承载能力的理论。     

初期支护组合形式有效性现场试验研究

初期支护组合形式的有效性一直存在较多争议。依托蒙华铁路在建隧道,针对初期支护不同组合形式有效性问题开展大量现场试验,量测内容包括拱顶沉降、水平收敛、系统锚杆轴力、喷射混凝土应力及钢架应力。通过对花岗岩、板岩、砂泥岩、黄土4种地层进行试验,分析具有代表性的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级花岗岩和Ⅴ级黄土试验段数据,研究深埋岩质和土质隧道初期支护中钢筋网喷射混凝土、钢架及系统锚杆不同组合形式的有效性。结果表明： 1）现阶段“网喷+钢架+系统锚杆”的初期支护组合形式未充分发挥其作用效果,有效性差,措施过于保守,存在很大优化空间; 2）在土质或浅埋破碎岩质隧道初期支护中,系统锚杆无明显作用,可以取消,而只采用“网喷+钢架”组合形式; 3）在深埋岩质隧道初期支护中,采用“网喷+钢架”或“网喷+系统锚杆”2类组合形式之一即可。考虑到目前现场系统锚杆施作机具和施工质量,采用“网喷+钢架”的组合形式是合理和可行的。     

软岩隧道初期支护沉降变形分析及控制方法

目前存在对软岩隧道初期支护变形的错误认识,造成施工成本的浪费、安全风险的增大、进度被严重制约等不利影响,所以非常有必要对隧道初期支护变形进行研究分析并控制。首先以“矿山法”工程实践证明软岩隧道预留变形量是不必设置的,再通过各种权威文献说明以容许变形来实现围岩自承的观念是对“新奥法”的曲解,是错误的,需要找出支护变形的真正原因并控制。通过总结分析隧道支护常见的6 种位移及其组合,得出为控制初期支护变形需要解决支护底脚地基承载力和支护结构强度2 方面问题。于是建立以“分布锚杆+钢架+喷射混凝土且系统分布锚杆模拟为具有法向和切向作用力的链杆支座的结构力学模型”,可计算出支护结构底脚应力及截面最大应力等值,由此可得出对地基承载力和支护结构强度要求的明确标准,或对改善支护底脚抗力提供数值依据。计算结果表明: 系统分布锚杆能极大地降低支护结构的弯矩、轴力内力和底脚应力,从而增强支护结构的承载力和降低基底应力,使变形和沉降得以有效控制。     

黄土隧道网喷支护结构中锚杆的作用

为了检验锚杆在黄土隧道中的作用,在某黄土隧道中设置有系统锚杆和无系统锚杆2个长为30 m的试验段,对隧道初期支护的净空收敛、拱部下沉、围岩压力、钢架应力、喷射混凝土应力、锚杆轴力和纵向连接筋应力进行监控量测。研究表明:2个试验段无论从变形还是受力上讲,同类数据均处于同一量级,说明系统锚杆对结构的稳定性作用不大;网络钢架、喷射混凝土、钢筋网共同组成的支护结构是合理的黄土隧道初期支护结构;取消系统锚杆,可以及时喷射混凝土,有利于围岩稳定,从而大大缩短工期;以Ⅳ级围岩为例,取消系统锚杆可降低工程造价10.6%。     

深埋软弱破碎围岩初期支护荷载承担比重研究

为了研究软弱破碎围岩隧道联合支护各构件的作用效果,以四川省宝兴水电站引水隧洞工程为背景,采用有限差分数值计算软件对隧道围岩注浆加固圈、喷射混凝土和型钢支撑3种支护措施的围岩荷载承担比重进行了研究。通过采用固定支座等效代替某种支护的方式,设计了3种支护方案,每个方案仅采用2种支护方式,计算至平衡,提取支护反力并转化成应力,从而得到该支护结构的荷载分担比。研究表明:型钢支撑起到及时强支护作用,可有效控制围岩变形;随着时间推移,当喷射混凝土达到一定的强度后,发展为主要承载结构,喷射混凝土面层承担更大比率释放荷载,喷射混凝土承载荷载比重最大,注浆加固圈次之。计算得出宝兴水电站引水隧道型钢支撑、注浆加固圈和喷射混凝土3种支护荷载承担比重为1∶1.25∶1.6。     

浩吉铁路黄土隧道初期支护格栅钢架应用研究

为验证重载铁路黄土隧道初期支护推广应用格栅钢架的可靠性,通过全环格栅钢架混凝土1∶1模型试验,现场初期支护变形收敛、围岩压力、格栅钢架和喷射混凝土力学性能测试,以及基于大数据的初期支护变形收敛数据统计分析等方法进行研究。研究结果表明:1)全环格栅钢架混凝土结构表现出较高的承载能力兼顾较大的变形协调能力,H180型格栅钢架混凝土结构在极限状态下可承载相当于32.56 m的黄土自重; 2)格栅钢架可应用于Ⅳ、Ⅴ级围岩大跨度黄土隧道,能保证围岩稳定及初期支护结构的安全; 3)大跨度黄土隧道初期支护采用格栅钢架,初期支护拱顶下沉及水平收敛值控制良好,总体在开挖预留变形量控制值内。     

高含水量土质隧道不设系统锚杆的试验研究

鉴于土质隧道施工方法、支护时机、施工工艺等对系统锚杆支护效果的影响,及高含水量土层中锚杆成孔困难、注浆效果差、抗拉拔力低等缺点,提出在高含水量土质隧道中不设系统锚杆,初期支护采用“型钢拱架＋喷射混凝土＋钢筋网＋锁脚锚管＋纵向连接筋”组成的新型支护结构。为了评价这种新型支护结构的受力、变形特性以及衬砌结构的可靠性,在天恒山隧道Ⅵ级围岩段设置了两个监测断面,对隧道初期支护的拱部下沉、净空收敛、围岩压力、喷射混凝土应力、型钢拱架应力、纵向连接筋应力等进行监控量测。监测结果表明,不设系统锚杆时,隧道支护结构的变形和受力均在允许范围之内,初期支护工作状态良好。不设系统锚杆,可缩短工期和降低工程造价,具有着显著的经济价值和社会效益。     

蒙华重载铁路矿山法隧道设计与施工关键技术

为解决铁路隧道施工中存在的忽视围岩的承载主体地位、过分强调支护作用和过度使用支护手段等问题,进一步提高隧道建设技术和管理水平,蒙华铁路公司组织参建各方和科研院所采用科研先行、试验验证、专家论证的技术路线,综合运用模型试验、现场试验和数值模拟等方法对隧道初期支护优化和隧道限阻耗能型支护结构的研发等关键技术进行了研究,形成了适合蒙华铁路建设条件和地质条件的矿山法隧道初期支护体系:在试验表明不设系统锚杆也能满足隧道稳定性要求的前提下,蒙华铁路有钢架的Ⅳ,Ⅴ级围岩地段隧道取消了系统锚杆;隧道喷混凝土结构普遍为小偏心受压状态,格栅钢架代替型钢钢架能够保证隧道的安全,蒙华铁路矿山法隧道的初支钢架全部采用格栅钢架;经全线229座隧道推广应用,支护优化成果得到了充分验证。研发了钢板式限阻耗能型支护新结构,有效解决了老黄土地层和高地应力水平岩层隧道结构开裂破坏的难题,全线推广应用达7 km,取得了显著效益。通过以上矿山法隧道关键技术,实现了全线隧道按时贯通和“0”重伤及以上人身安全事故的总目标。     

小净距隧道施工的平面数值模拟

结合九岭隧道的设计及施工实践,建立小净距隧道的平面计算模型,对小净距隧道进行开挖支护数值模拟计算,并着重对其位移场、应力场、喷射混凝土初期支护、锚杆轴力进行数值分析,结果表明:由于围岩较好,开挖后整体稳定性较好,变形主要集中在拱顶与仰拱底部,应力主要集中在隧道的拱脚处,喷射混凝土的最大弯矩值以及支护锚杆的最大轴力值都出现在隧道拱脚处,塑性区较少,主要分布在中间围岩部位,因此要重点加固此部位.     

软弱围岩隧道机械化全断面爆破开挖初期支护受力特性研究

软弱围岩隧道开挖后自稳能力差,易发生大的变形、钢架扭曲等现象。为降低安全风险,依托郑万高铁高家坪隧道进口机械化全断面爆破施工,对支护体系下的围岩压力、钢架应力、初喷混凝土应力、锚杆轴力、围岩内部位移、掌子面挤出变形等进行系统试验研究。试验结果表明： 围岩压力、钢架应力、初喷混凝土应力受岩性条件、施工扰动等因素影响显著,随时间推移均呈现“急剧增大、缓慢增大、波动变化、稳定收敛”的变化规律; 通过锚杆轴力峰值位置可以初步判定围岩塑性区范围约为距洞壁3.0 m。基于现场试验监测,通过数值模拟分析了初期支护结构压应力、轴力和弯矩的分布情况,与现场量测数据相符,较好地反映了初期支护受力特征。本次试验的相关方法、手段和结论对隧道机械化大断面施工软弱围岩变形与支护体系受力研究具有借鉴作用,同时也为建立科学合理的支护结构体系提供了参考。     

高含水量土质隧道新型支护形式变形与受力分析

鉴于高含水量土层中锚杆成孔困难、注浆效果差、自进式锚杆抗拉拔力低等缺点,提出在高含水量土质隧道中取消系统锚杆,初期支护采用"型钢拱架+喷射混凝土+钢筋网+锁脚锚管+纵向连接筋"组成的新型支护结构.为了评价这种新型支护结构的受力、变形特性,以天恒山隧道为工程依托,通过现场试验和有限元数值分析两种方法,对隧道拱部下沉、净空...     

黄土隧道洞口段支护结构的力学特性分析

为了解浅埋偏压黄土隧道洞口段支护结构的受力状况,对刘家坪2^#隧道洞口段围岩压力、钢架应力、喷射混凝土应力、纵向连接筋应力、锚杆轴力及拱部下沉进行施工监测,并采用有限元法对隧道支护结构进行计算分析。结果表明：在浅埋偏压条件下,黄土隧道拱部发生了平面偏移,拱顶下沉量大于净空收敛量;围岩压力分布呈不对称猫耳状;钢拱架左侧轴力大于右侧轴力,总体受力很大,在支护体系中作用很明显;拱部和边墙喷射混凝土处于受压状态,而底部多为拉应力;拱部系统锚杆对结构的稳定性作用不大,而锁脚锚杆对结构的稳定性有一定的作用;纵向连接筋受力非常大,对隧道整体的稳定性很有利;应取消黄土隧道洞口段系统锚杆,采用由钢拱架、钢筋网、锁脚锚杆、喷射混凝土、纵向连接筋组合形成的初期支护结构。     

软弱岩层隧道取消拱部系统锚杆模拟研究

采用FLAC3D建立软弱围岩隧道模型,通过对比多种工况下的隧道支护效果,提出由超前支护和"钢架+钢筋网+两翼锚杆+喷射混凝土+锁脚锚杆+纵向连接筋"组成的初期支护形成联合支护结构。取消拱部范围系统锚杆,不仅未影响隧道围岩稳定,而且可以缩短了工序循环时间,有利于及早封闭围岩以形成完整的支护结构,具有一定的经济效益和社会效益。     

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。     

考虑岩体蠕变特性的片岩大变形隧道初期支护力学效应

以某隧道V级围岩试验段为工程背景,采用现场测试和数值分析手段,对比支护形式进行基于黏弹塑性的三维变形、受力分析,获取了锚杆、喷射混凝土及钢支撑等初期支护结构的受力特征以及围岩变形规律.分析表明:在云母片岩地层隧道中,大变形主要表现为剪切破坏特征,3种支护形式对围岩的变形都有一定控制作用,但顶部系统锚杆对控制塑性区的影响作用甚微;锚杆及其他初期支护受力最大的区域均位于边墙下部和拱脚位置,提高喷层厚度和钢架刚度能减缓变形速率,但过大的刚度也使得结构内力大大增加.因此,为控制云母片岩隧道过度变形,应增强边墙与锁脚锚杆以提高初期支护成环效应,适当的提高钢架的刚度,必要时提前施作二次衬砌.     

内蒙古地区马兰黄土隧道围岩及支护特性研究

通过对窑沟隧道周边收敛、拱顶下沉、围岩压力、钢拱架内力、喷射混凝土应力和锚杆轴力进行监控量测,了解隧道开挖过程中马兰黄土隧道围岩变形特性及支护结构受力特性。结果表明:施工过程中拱部沉降的量值远大于净空收敛的量值;围岩压力分布不均匀;钢架支护在隧道支护体系中起着非常重大的作用;拱部系统锚杆对结构的稳定性作用不大;水对拱顶沉降的影响非常严重。     

软岩隧道初期支护沉降机理及其工程措施研究

为解决软岩隧道开挖过程中初期支护整体下沉普遍较大的工程难题,依托郑州至西安高速铁路大断面黄土隧道及成昆铁路第三系昔格达地层软弱围岩隧道工程,通过理论计算及现场实测,对软弱围岩隧道初期支护普遍沉降较大的原因以及采取的工程措施的可靠性进行分析,得到以下成果： 1）软弱围岩隧道下沉量往往超过20 cm,现场实测的拱脚承受最大荷载为897.4 kN,初期支护整体下沉大的主要原因是拱脚压力较承载力大一个数量级; 2）锁脚锚杆靠近钢架位置的轴力最大,为55 kN。大拱脚的承压特性显著,其压力极值达到0.9～1.7 MPa; 3）增设锁脚锚杆（管）、扩大拱脚和及时闭合仰拱是控制软岩隧道初期支护沉降的关键措施。     

挤压性大变形隧道分层初期支护适应性分析

针对挤压性大变形隧道支护参数、支护时机在设计工作中难以量化的现状,在考虑围岩流变效应和支护弹塑性本构的基础上,结合数值模拟手段,对各类支护的等效支护抗力和不同等级大变形隧道分层初期支护量化参数及适应性开展研究。得出主要结论： 1）基于抗压强度控制,提出不同组合参数下的喷射混凝土和型钢拱架等效支护抗力;基于位移等效原则,提出不同直径、不同长度砂浆锚杆和不同长度预应力锚索的等效支护抗力。2）基于监控量测曲线,对考虑流变效应的围岩物理力学参数进行反演,以此计算围岩特征曲线,实现围岩变形量值、不同支护时机所需支护抗力与时间的关联。3）根据既有案例,取单边15 cm作为单层支护极限变形值,构建支护抗力曲线;基于极限变形控制原则,提出轻微大变形可选用单层初期支护+短锚杆的支护形式、中等大变形可选用2层初期支护+短锚杆的支护形式、强烈大变形可选用圆形隧道+3层初期支护+短锚杆+长锚索的支护形式的建议,并提出不同等级大变形隧道的支护时机及预留变形量建议值。4）兰渝铁路木寨岭隧道工程应用分析结果表明,采用该方法选取的支护参数是合理的。〖JP〗     

基于现场实测的隧道初期支护受力模式分析

为研究隧道初期支护的受力模式,以蒙华铁路在建隧道为工程依托,开展隧道洞周位移和初期支护受力状态的现场测试。结果表明:1)初期支护普遍受压,结构处于小偏心受压状态;2)隧道洞周位移收敛值较小,且隧道整体向净空侧变形,与初期支护普遍受压的受力模式一致;3)洞周位移、锚杆轴力和初期支护的受力状态均不符合塌落拱式的受力模式,而符合围岩与支护相互作用而产生的形变压力特征;4)格栅钢架对结构的抗压-剪承载力贡献非常小,初期支护斜截面的抗剪强度主要由混凝土控制,格栅钢架的作用仅是在混凝土开裂后提供峰后韧性。