基于有限单元法的隧道抗水压衬砌结构设计

研究目的：客运专线铁路隧道结构设计中往往会碰到水荷载作用计算难题，考虑抗水压衬砌结构设计仍然是隧道设计与研究热点之一。为检验隧道衬砌结构设计的安全性及防水性，有必要对抗水压衬砌设计结构进行内力计算。研究方法：针对金沙洲隧道特定地质条件和工程设计要求，采用基于有限单元法的荷载结构模型，对按围岩类别设计的3种隧道断面衬砌结构受力进行数值模拟。研究结果：研究得到了衬砌外水压力以及结构内力及分布特征，并验算了衬砌结构的安全系数。通过对计算结果分析验证，选出了各自围岩级别下合适的衬砌结构。研究结论：在全断面封闭排水的衬砌结构设计中，应着重考虑发挥混凝土的抗压性能；在富水区地下水头较大时。采用帷幕注浆法改善堵水圈的渗透系数，可有效降低衬砌的外水压力；选择仰拱外轮廓隅角半径、仰拱与曲边墙的连接处的半径以及仰拱厚度作为控制变量，可以改善衬砌结构受力特征。     

基于流固耦合的水底隧道仰拱受力分析与优化

目前,国内外学者对用于铁路和公路交通的山岭隧道断面形式做了不少研究,并得出一些有价值的结论。但是,研究结论应用于水底隧道是否同样能满足衬砌结构受力合理的要求,是值得研究的问题。矿山法修建大断面铁路和公路水底隧道,其断面形式主要采用马蹄形断面,并设置仰拱来控制围岩位移及改善衬砌结构受力。本文以厦门东通道海底隧道为工程背景,采用三维有限差分软件FLAC3D进行流固耦合分析,研究仰拱曲率半径及仰拱部位的防排水措施对围岩位移及衬砌结构受力的影响,优化水底隧道断面形式,以指导大型跨江海的水底隧道的设计和施工。     

地铁大跨度矿山法隧道断面优化设计研究

为解决地铁矿山法隧道设计施工中出现的大沉降和高造价问题，通过对广州轨道交通三号线番禺广场站折返线、八号线沙园-凤凰新村区间的双线断面隧道进行比较分析，发现矿山法隧道断面形状会对隧道受力和投资产生巨大影响，并结合五号线淘金-区庄区间矿山法隧道的设计，提出和验证了优化矿山法隧道断面的设计方法，改善了矿山法隧道设计中出现的大沉降和高造价现状。     

高风险地段特大断面矿山法隧道下穿地铁线案例分析

在地铁建设中，为满足越行线的设置要求，变断面甚至超大断面隧道越来越常见。城市中心区受限的周边环境和复杂的地质条件，也使得隧道结构的建设难度大大增加。以广州地铁某新线大断面矿山法隧道近距离穿越运营地铁线为例，施工前对高风险地段下穿施工风险源进行了辨识与分析，提出了适应性的设计方案；施工中为解决工期收紧、地层条件恶劣、地下水位持续下降引发的既有地铁隧道持续下沉问题，通过数值模拟、实时监测信息化施工等多重手段形成了针对性控制思路与措施，提出“风险全方位辩识、措施信息化调整、平衡动态性维持”的控制理念，保证了特大断面矿山法隧道的快速施工与既有地铁线路的安全运营。     

满足客运专线预制梁通行的隧道扩孔研究

根据哈大客运专线施工组织安排,大连附近的2座短隧道断面因通行运梁车而需扩孔,为此对扩孔隧道的断面内轮廓确定、施工工艺进行深入研究,以解决扩孔隧道的设计施工的关键技术问题。结合桥梁及运梁车规格和隧道断面的特点,进行综合经济技术比较研究,针对国内客运专线隧道工程首次考虑运梁车通行的工程需要,探索出一条有针对性的扩孔隧道设计施工思路;并得出扩孔隧道在二次衬砌施工完成后方可通过运梁车;仰拱填充分两次施工;扩孔隧道施工方法一般采取环形开挖留核心土法或台阶法的结论。     

深埋大断面土质隧道初期支护结构受力特征研究

研究目的:新奥法中初期支护结构作为承受围岩压力的主要结构有着重要的作用。为研究深埋大断面隧道复合衬砌中初期支护结构的受力特性,本文以银西高铁庆阳某隧道为工程依托,通过现场监测,得到深埋大断面红黏土隧道的围岩压力、钢拱架内力与混凝土内力变化规律,分析初期支护结构内力变化规律及分布特征。研究结论:(1)红黏土大断面隧道两侧的围岩压力大于拱顶和仰拱内的围岩压力;(2)初期支护结构内力呈现出上大下小的分布规律,且钢拱架承担了大部分围岩压力;(3)可考虑在边墙及拱顶增高钢拱架标号,仰拱内减少拱架截面积,以达到充分利用材料降低造价,提高衬砌结构可靠性;(4)本研究结果可以为类似地质条件下衬砌设计优化及隧道初期支护的施工组织提供参考。     

隧道仰拱全断面施工工艺

隧道仰拱施工是隧道混凝土施工的关键环节,仰拱全断面混凝土施工能促使隧道尽早封闭成环,减少力系转换,使结构尽早受力,为后续施工提供了安全保障。隧道仰拱全断面现浇适用于Ⅳ、Ⅴ级及Ⅲ级加宽带设置有仰拱的部位。结合十天高速甘肃段西秦岭隧道仰拱全断面施工,阐述了仰拱全断面施工工艺,为同类工程施工提供参考。     

大跨海底铁路隧道断面受力特点及优化建议

以甬舟铁路金塘海底铁路隧道矿山法施工段为依托，选其深埋段Ⅳ_b型衬砌参数，采用荷载-结构模型，基于内力分布特点研究仰拱加深、拱脚加厚及仰拱加深+加厚拱脚3种方案下的断面优化效果。结果表明，仰拱加深0.5 m可使断面弯矩分布更加均匀，可改善各关键节点安全性能并将衬砌可承受的最大水压由拱顶以上6 m提升至38 m;拱脚段加厚0.3 m对结构弯矩分布、底鼓挠度大小及整体安全系数的提升效果较小，可承受极限水压为拱顶以上23 m;仰拱加深0.5 m+拱脚加厚0.3 m优化方案与仰拱加深0.5 m方案优化效果大体一致，故建议断面优化优先考虑仰拱加深措施。     

不同断面形式双洞隧道开挖顺序对地表沉降的影响

地铁暗挖区间通常采用双洞双线相同断面的隧道结构形式,而当某条线路局部存在渡线、停车线等情况时,该段区间需采取大断面的结构形式,即左右线隧道采用2种不同断面,施工方法也不尽相同。若大断面隧道采用双侧壁导坑法施工,小断面隧道采取CRD法施工,不同的开挖顺序对地表沉降的影响不同。结合北京地铁14号线东管头站—丽泽商务区站工程实例,利用有限元计算软件对施工过程模拟计算,将地表沉降计算结果与现场施工监测数据对比分析;验证模拟计算结果与实际工程影响的符合程度;得到双洞隧道不同开挖顺序对地表沉降的影响趋势,提出调整开挖顺序的合理化建议。该分析对实际工程中施工顺序的选择具有一定指导意义。     

缓倾软岩地层隧道仰拱超挖对结构受力影响

本文以贵南铁路九万大山一号隧道为依托工程,为掌握缓倾软岩地层隧道仰拱超挖对结构受力的影响,运用现场测试技术手段分两种工况开展典型仰拱断面监测工作：(1)仰拱爆破后,直接架设拱架再喷射混凝土形成初期支护;(2)仰拱爆破后,先喷射混凝土填补超挖部分,使隧道仰拱精确成型,再架设钢架,确保钢架与围岩密贴,最后喷射混凝土形成初期支护。对两种工况分别测试仰拱围岩压力、钢架及混凝土应力以分析仰拱超挖处理前后结构受力特征,并对初喷工序在大断面缓倾岩层隧道修建中所起作用进行验证。     

大断面小净距隧道断面优化及其设计参数研究

对于大跨度小净距隧道而言,合理扁平率及双洞间距的设计对于节约成本,提高隧道线形规划具有至关重要的作用,因此,优化大跨度小净距隧道的扁平率及其间距是隧道设计施工面临的关键问题。以某双洞8车道隧道施工为研究背景,通过数值模拟及理论分析,对断面优化及其设计参数进行了深入研究。研究结果表明:随着高宽比的增加,拱顶位移逐渐减少,水平收敛逐渐增大,在高宽比为2.0时达到理想状态,这个时候的拱顶位移和水平收敛基本相同,此时断面有利于开挖。当高宽比取理想高宽比2.0时,这时应力较均匀,是开挖的理想断面,同时考虑行车通行的建筑界限,取高宽比为0.6333是合理的。隧洞埋深对塑性半径和周边位移的影响极大;弹性范围内的支护阻力与隧洞变形成正比;塑性半径随着围岩强度的增加而减小。     

膨胀性地层铁路隧道衬砌结构及防排水措施优化建议

结合膨胀性地层铁路隧道病害概况以及单、双线铁路隧道断面、防排水设计现状,提出相应的衬砌结构及防排水措施优化建议。衬砌结构的优化建议如下:对单线隧道而言,适当增大其边墙曲率、仰拱矢跨比,提高边墙、仰拱的强度和刚度;对双线隧道而言,适当增大其仰拱矢跨比,提高仰拱的强度和刚度;隧道仰拱处二次衬砌应采用钢筋混凝土,同时在隧道仰拱填充中增设格栅钢架或在隧道仰拱填充顶部增设钢筋。防排水措施的优化建议如下:将设置在仰拱填充内的中心水沟下移至仰拱下方,在仰拱下方设中心水沟或改设为排水渗沟,可将隧道衬砌背后积水均引入仰拱下方的中心水沟排出洞外;而改设的中心渗沟主要用于排出仰拱下方积水。     

高速铁路桥隧相连段结构设计

位于中西部山区的高速铁路需修建大量的桥隧工程,造成桥台(梁)伸入隧道内布置,隧道洞口段往往为土质地层或基岩风化层,地质条件比较差,桥隧相连段隧道断面大,结构受力复杂,设计、施工难度很大,处理不好,容易留下安全隐患。以西成客运专线工程设计为实例,采用工程类比与理论计算相结合的方法,对桥隧相连段的尺寸拟定、结构设计、排水设计方案等主要技术难点进行研究,成功解决了桥隧相连段的设计难题。研究结论:(1)隧道净空尺寸除满足建筑限界外,必需考虑桥台、梁的结构尺寸、检修高度、设备布置等综合因素;(2)桥隧相连段断面大,结构措施宁强勿弱、安全可靠;(3)隧道低洞口端要设置汇水井、转向排水管、引排管等设施,解决排水问题。     

西安地铁3号线通化门站——胡家庙站区间暗挖段工法比选

根据西安地铁3号线通化门站—胡家庙站区间暗挖段工程特点,提出了台阶法+临时仰拱、中隔法(CD法)和交叉中隔法(CRD法)三种可行工法。运用FLAC数值模拟方法对三种工法引起的地表沉降进行了预测分析,确定台阶法+临时仰拱法为最优施工工法。实测结果表明,暗挖施工引起的地表沉降满足变形要求,提出的暗挖段施工工法合理有效。     

锦屏引水隧洞底拱衬砌刮模施工技术

引水隧洞底拱衬砌施工,存在混凝土气泡排放困难、外观质量差的问题,特别对半径10m以上的大断面,尤为严重。通过对锦屏二级水电站引水隧洞底拱衬砌的研究、咨询和现场实验,从方案比选、模板设计、配合比优化、混凝土实体浇注等方面进行完善,总结出锦屏引水隧洞底拱衬砌刮模施工技术,该技术能够克服混凝土表面气泡问题,满足施工质量及工期进度要求,取得了较好的经济效益。     

广州地铁6号线明暗挖结合车站特点分析

针对广州市轨道交通6号线首期工程的复杂地段,因地制宜、勇于创新地进行明暗挖结合车站的设计实践,全线10座明暗挖车站中,有9种不同形式的明暗结合方式。利用三维建模技术,对各站明暗结合特点进行分析:文化公园左线采用暗挖以免影响地面古树;海珠广场站是国内首次采用上明下暗结合的车站,丰富了明暗结合的形式;一德路站、沙河站车站暗挖区间的施工确保全线的运营开通,突出了明暗挖车站的优点;团一大广场站,地面附属与广场景观融为一体;东山口站先隧后站,确保工期;区庄站超浅埋大断面暗挖,其难度为国内之最;黄花岗站地下站厅与周边环境的充分结合,做到地铁参与各方多赢的格局;燕塘站基底处理成为范例。     

铁路隧道底鼓段围岩蠕变参数反演方法研究

研究目的:某铁路隧道底部粉砂质泥岩蠕变导致仰拱结构持续底鼓,致使列车降速行驶,对铁路运行造成安全隐患。为较准确获取仰拱底鼓区粉砂质泥岩的蠕变参数,本文基于某隧道仰拱5年多的底鼓变形实际监测数据,建立室内岩石剪切蠕变试验与深度学习(GRNN)相融合的岩体蠕变参数确定方法,并对隧道仰拱蠕变变形进行长期预测。研究结论:(1)铁路隧道底鼓段粉砂质泥岩具有明显蠕变特性,该特性对隧道仰拱持续底鼓变形影响较大;(2)提出了基于深度学习的隧道底鼓段围岩蠕变参数反演方法,该方法结合底鼓段长期监测变形数据,能够有效获取隧底岩体蠕变参数,解决隧道围岩蠕变参数难以确定的难题;(3)反演得到的隧底岩体蠕变参数相应的底鼓变形值与实测值拟合度较高,验证了该方法的合理性;(4)本研究成果可为隧道围岩蠕变参数确定、仰拱蠕变变形预测和底鼓治理提供理论依据。     

广昆铁路秀宁隧道不良地质段综合施工技术

秀宁隧道为双线大断面铁路隧道,全长13 187 m,是在建广昆铁路的控制性工程。隧址地段的工程和水文地质条件极为复杂,施工非常困难。主要不良地质有隧道出口滑坡、富水断层破碎带、富水岩溶、高地温、高地应力、放射性、煤层瓦斯及有害气体、软岩大变形、岩爆等。结合秀宁隧道隧址地层的地质条件,从隧道掘进、施工通风、安全生产等方面介绍秀宁隧道的主要施工方法和对策;另外对超前地质预报及工程难点与对策也作了说明。秀宁隧道的施工实践对类似地区长大隧道的施工有较好的参考价值。     

富水砂卵石地层双层衬砌类圆形断面矿山法地铁隧道适应性研究

针对富水砂卵石地层条件下矿山法隧道下穿既有地铁盾构隧道,首先从工期要求与既有工程经验方面进行总体方案设计,明确矿山法隧道近距离下穿既有隧道的优势;随后基于规范要求与富水砂卵石地层特性,提出施工变形控制标准;最后对初期支护+双层衬砌结构型式下的沉降变形、结构内力等进行深入分析,并与常规初期支护+二衬结构型式进行对比分析,明确双层衬砌结构型式的优势。研究结果表明:类圆形断面在减小隧道开挖轮廓与改善结构受力性能等方面具有明显优势,同时本工程双层衬砌构造型式,围岩荷载主要由二次衬砌承担,永久结构(三次衬砌)承担的荷载较小,永久结构在承载力与稳定性,尤其是安全储备方面具有明显的优势。