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。     

承担全部设计荷载的隧道初期支护的设计计算方法

针对当前隧道初期支护设计存在不能承担全部设计荷载、以初期支护仰拱闭合的有利结构而不是以仰拱未闭合的最不利结构为最终设计目标而造成结构存在安全隐患以及给不出锚杆锚固力设计值和现场围岩变形很大使得采用岩体力学进行设计初期支护不具备条件的问题,提出按照“荷载-结构”的计算模型,采取结构力学力法对隧道初期支护承担全部设计荷载、对应施工“三台阶”法、对型钢钢架和喷射混凝土按变形协调条件确定各自承担荷载的比例系数、就钢架和喷射混凝土承载能力分别进行计算分析,明确在各部施工时对喷射混凝土强度以及锚杆的锚固力的要求。计算结果表明： 1）采取除中心夹角60°范围外其余均匀布置分布锚杆、采用“型钢钢架+分布锚杆+喷射混凝土”支护型式的隧道初期支护完全具有承担全部设计荷载的能力,且仰拱开挖不会威胁支护的稳定; 2）应将锚杆作为支护结构的链杆支座来确定锚杆锚固力; 3）锚杆和喷射混凝土3 h的强度对支护结构的承载能力影响很大。     

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。     

软弱破碎围岩隧道锚喷钢架联合支护参数优化模型及工程应用研究

初期支护以锚杆、喷层、钢筋网与钢拱架联合支护的方式在软弱围岩和不良地质隧道建设中已经得到广泛运用,但目前对于这种联合支护的力学承载机制和多支护参数的选择缺乏深入研究。根据围岩与支护相互作用特点,针对隧道围岩中锚喷网和钢架联合支护的特点,建立基于隧道滑移线理论的联合支护参数优化模型;并结合云南省打堡寨2#隧道,对联合支护参数进行优化,通过有限元模型对联合支护的力学效应进行验证。该优化方法对今后类似的软弱破碎围岩隧道工程中锚喷钢架支护参数的合理选择具有一定的借鉴与指导意义。     

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。     

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。     

超大跨度隧道上台阶CD法中隔壁力学计算模型及施工力学行为研究

为研究超大跨度隧道分部开挖法施工中隔壁结构的施工力学行为,以山东滨莱高速公路改扩建工程双向八车道乐疃隧道为依托,基于初期支护钢架与中隔壁钢架之间的内力传递、变形协调及拱脚变位,将支护体系等效为支座可移动的三次超静定无铰拱-梁固接结构,建立了上台阶先导初期支护钢架-中隔壁钢架共同承载变位力学计算模型,采用理论分析、现场测试和力学模型计算相结合的方法,对超大跨度隧道上台阶CD法施工时中隔壁的力学行为进行分析。研究结果表明:拱顶沉降和周边收敛主要经历急剧增长、缓慢变形和趋于稳定3个阶段,且各变形值均小于设计预留变形量150 mm;受施工工序和结构约束条件变化的影响,钢架内外侧应力整体呈现出先急剧变化后逐渐趋于稳定的规律,各测点应力小于型钢屈服强度235 MPa;力学模型计算结果和现场实测数据的平均相对误差为12.6%,且规律基本一致;钢架轴力在上台阶施工过程中始终为受压,且最大值均在钢架拱脚处,受后导开挖影响,中隔壁钢架轴力增大,初期支护钢架轴力减小;先导开挖时钢架弯矩大部分部位为正,拱顶部位为负,受后导开挖影响,中隔壁钢架正弯矩值及正弯矩区域减小,同时初期支护钢架正弯矩区域减小,钢架拱脚附近弯矩出现负值;钢架结构整体处于偏心受压状态,受后导开挖影响,中隔壁钢架和初期支护钢架小偏心受压区域均发生移动,且两者钢架小偏心受压长度占比增大。     

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%。     

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。     

丽香铁路黄山哨隧道下穿岩堆段设计施工关键技术

以下穿岩堆段的丽香铁路黄山哨隧道为工程依托，对岩堆段地表开裂及洞内初期支护边墙严重变形的问题进行研究。地表埋设6根测斜管监测地表位移情况，洞内布置3个断面进行围岩压力、钢架内力、二次衬砌内力、初期支护与二次衬砌间的接触压力、锚杆轴力量测。在分析现场岩堆段洞内外受力机制及原因的基础上，根据数值计算结果优化二次衬砌断面型式及进一步加大二次衬砌厚度及配筋。采取以下措施控制隧道岩堆段变形： 1）地表岩堆土石接触面开裂处增设截排水措施； 2）加大隧道初期支护钢架型号及加长岩堆侧边墙径向系统锚杆； 3）加大隧道边墙轮廓曲率并优化隧道二次衬砌型式为圆顺型； 4）隧道预留变形量加大至30 cm； 5）隧道二次衬砌内净空预留50 cm补强空间； 6）隧道拱部设置42小导管超前支护。现场岩堆段采取以上措施后已顺利施工通过，根据洞内外监测结果显示，结构在安全可控范围内。     

极高地应力软岩隧道双层支护技术

兰渝铁路两水隧道洞身主要通过炭质千枚岩软岩地层,隧道为极高地应力状态,最大水平主应力值为6.5~11.3 MPa。施工前期,隧道初期支护结构变形较大,部分钢拱架扭曲、断裂,支护结构失稳,初期支护结构侵入衬砌净空,拆换拱情况频繁发生,局部地段二次衬砌开裂。针对前期施工中出现的问题,分别开展双层初期支护和双层衬砌试验,对试验段初期支护变形、围岩压力、接触压力、钢架应力、钢筋应力、混凝土应力等进行现场试验研究,掌握试验段设计及施工参数条件下,隧道支护和衬砌结构受力和变形规律。主要研究结果如下:1)双层初期支护变形相对较小,喷混凝土应力、钢架应力、二次衬砌混凝土应力及二次衬砌钢筋应力均未超过材料的容许应力,工作状态良好;2)双层初期支护可减少绑扎钢筋的工序,不需要再另增衬砌台车,在工序组织上更加便利,工效性相对较高。     

基于复合拱理论的大断面隧道初支体系承载力分析

隧道工程的性质决定了隧道支护结构的特殊性与复杂性,特别是大断面公路隧道在穿越不良地质段落时由于开挖断面大,其初期支护结构受力更为复杂,本文以云南省在建的大断面特长公路隧道-杨林隧道为工程背景,应用复合拱理论结合现场监测对大断面公路隧道初期支护体系的承载能力进行分析并求解出锚杆、钢架与喷层各自构件的承载力及比例,通过工程实例显示喷层与钢拱架形成的内层支护拱在大断面公路隧道初期支护体系中起决定性作用;本文提出的方法可为大断面隧道初期支护的承载力分析和后续施工提供一定的借鉴和技术支护,并积累有益的经验。     

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.     

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。     

石膏质岩隧道新置换衬砌结构受力特征研究

为分析石膏质岩隧道衬砌结构置换施工后的受力特征,依托杜公岭隧道病害处治工程实例,在隧道病害处治施工阶段和运营阶段对6个不同病害现象的典型断面新置换衬砌结构的初期支护变形、初期支护钢架应力、初期支护-围岩接触压力、初期支护-二次衬砌接触压力等进行为期2.5年的现场测试。测试结果表明:在新置换初期支护单独承载的3~5个月时间内,初期支护的变形速率和变形量均较小,其中5个测试断面的拱顶沉降和周边收敛量最大,其分别为6.8,6.4mm;新置换初期支护钢架应力较小并且在二衬浇筑后较短时间就达到稳定状态,其中64处测点(总计72处)应力小于100 MPa;边墙芯样发现石膏、硬石膏成分的断面在二次衬砌浇筑后的26个月内,其边墙或拱顶测点的初期支护-围岩接触压力和初期支护-二次衬砌接触压力仍有明显变化,其中个别测点经过10~20个月才能达到峰值,另有个别测点在3~8个月到达峰值后受干湿交替环境影响会出现变化;综合分析认为,杜公岭隧道衬砌结构主要受到围岩中硬石膏的膨胀作用,石膏的吸水软化作用不明显,其围岩压力具有缓慢发展的特点,新置换二次衬砌承担了主要的围岩压力,新置换初期支护安全性较高;建议石膏质岩地层隧道二次衬砌不宜过早施作或者初期支护与二次衬砌间设置缓冲变形层,以充分发挥初期支护的承载力、减小二次衬砌承担的围岩压力。     

软土地层中浅埋暗挖交通隧道施工技术

重点介绍了软土地层中浅埋暗挖交通隧道的主要施工技术和施工方法,包括:洞口段施工、大管棚(小导管)超前支护、开挖方法、格栅钢架和喷射混凝土初期支护、结构混凝土和防水等内容.并结合广东地区交通隧道工程施工实例,介绍了主要工序及技术参数.对类似工程施工和监理均有一定的参考作用.     

绿泥石片岩地层大跨度公路隧道大变形控制及合理支护形式现场试验

为了探索绿泥石片岩地层大跨度公路隧道大变形控制技术及合理支护形式,以陕西省宝(鸡)汉(中)高速公路连城山隧道工程为依托,针对采用单层I22b、双层I22b和双层HK200b钢架的3种初期支护形式,通过对围岩变形和支护结构受力进行现场量测,对比分析了不同初期支护形式的变形控制效果,提出了大跨度公路隧道软岩大变形控制方法和支护体系。研究结果表明:“大预留+双层HK200b钢架分次强支护+大管径长锁脚锚管+深仰拱”联合支护体系能有效控制隧道大变形灾害,避免初期支护变形侵限及频繁拆换拱;该支护体系中第1层初期支护钢架的刚度不宜太弱,以避免因其刚度不足导致的局部失稳和局部拆换问题;试验断面第2层初期支护的接触压力约占第1层初期支护围岩压力的61%,二次衬砌接触压力约占第1层初期支护围岩压力的40%;调整仰拱曲率对于优化结构受力和防治仰拱底鼓作用显著;基于对连城山隧道试验断面围岩压力和径向位移的统计分析,建立了不同支护阶段和不同刚度下的围岩-支护特征曲线,揭示了围岩与支护的相互动态作用机制和“多层分次强支护”大变形控制方法的支护作用机制;结合连城山隧道大变形处置实践,总结提出了“三台阶留核心土法+大预留、多层、分次支护+大管径长锁脚锚管+深仰拱”的大变形控制技术、“不侵限、不换拱、不破坏压密区”的大变形防控理念及“大断面、少分步、快挖快支”的施工原则。研究成果可为类似软岩隧道大变形控制提供重要借鉴。     

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。     

隧道初期支护钢拱架早期承载性能试验研究

为系统分析隧道格栅钢架和型钢钢架支护初期的力学性能,针对三肢格栅钢架、四肢格栅钢架和14号工字型钢钢架开展室内加载试验研究;同时,引入钢材性能系数以直观比较不同类型钢架的综合性能。研究表明： 1）在支护初期,格栅钢架与混凝土的结合性能比型钢钢架好,并且在受到集中力影响时,型钢钢架的安全隐患大于格栅钢架; 2）钢拱架在实际使用中会受到偏心荷载的不利影响,其中四肢格栅钢架受到的影响最显著,设计时应增加四肢格栅钢架跨中抗扭钢筋布置。     

大断面铁路隧道塌方处理过程中初期支护结构安全评估

为评估隧道塌方处理过程中初期支护结构的安全稳定性,首先对某大断面铁路隧道Ⅳ级围岩塌方处理方案进行描述,通过涌入隧道内的塌方量预估隧道上方坍塌空腔高度,并初步探测出塌体位于隧道上方的高度,加上混凝土填充高度,同时考虑一定的安全系数,计算松散体岩土柱作用于隧道初期支护结构上的垂直荷载强度;然后采用荷载-结构模型,运用ANSYS软件对处理后的初期支护结构进行承载内力模拟,同时结合《铁路隧道设计规范》对其进行安全性评估,为施工方案的确定提供理论依据和决策支持;最后在安全评估的基础上,选择合理的初期支护结构,确保后续隧道施工安全及结构稳定,同时给出塌方段施工安全措施。