高水压富水山岭隧道设计浅谈及工程实例

通过对地下水渗流场的理论分析,结合宜万线齐岳山隧道高水压富水地段现场具体处理情况,得出高水压富水隧道设计应注意的主要原则:"以堵为主,限量排放"是高水位富水隧道设计应遵循的基本原则,限量标准应根据隧道区域内具体情况类比确定;地层注浆是实现限量排放的主要方式,确定注浆加固圈范围时应确保注浆帷幕体自身的稳定;排水系统是衬砌结构设计中不可缺少的一部分,在完善可靠的排水系统下,衬砌结构承受的外水荷载能较大幅度地进行折减。     

地层注浆加固对隧道与地下水相互作用过程中的“双赢”影响效应分析

目前山岭隧道大多采用的"半包"防水方式,可较为有效地降低衬砌背后水压荷载作用,但同时造成地下水资源的大量流失。文章通过建立隧道瞬态渗流模型,分析了"半包"防水条件下隧道施工及运营过程中隧道排水流量及水位变化规律,以及运营过程中衬砌背后水压力分布规律;研究了帷幕注浆和径向注浆两种方式不同工况下不同注浆范围及参数对排水流量、水位变化及衬砌水压荷载的影响效应。数值分析结果和工程实践表明,地层注浆加固既可降低衬砌背后水压荷载,又可减少地下水资源流失量,从而可以实现隧道与地下水相互作用过程中的"双赢"影响效应。文章最后对"半包"防水条件下仰拱是否设置排水系统进行了分析探讨。     

高水位富水隧道衬砌结构设计刍议

文章应用渗流理论建立岩体渗流计算模型,推导了隧道衬砌外缘剩余水头的计算公式,介绍了荷载-结构计算模型、理论解析计算和有限元计算三种抗水压隧道衬砌结构设计方法.     

高水压单线铁路隧道二次衬砌水压设计限值研究

随着我国高速铁路建设的快速发展,深埋长大山岭隧道的修建数量明显增加,隧道遭遇高水压的问题也更为突出。如何合理地进行高水压隧道的衬砌设计,是目前隧道工程界重点关注的问题之一,其中二次衬砌水压预测及设防等级的确定是制约设计的关键环节。文章通过对已建典型高水压隧道的分析及理论计算,研究了高水压隧道二次衬砌水压设计的限值。研究表明:(1)高水压隧道衬砌的设防等级应有一个上限;(2)二次衬砌厚度取值以不超过1 m为宜,继续增大厚度对提高结构安全性效果不明显;(3)单纯通过提高混凝土强度来达到提高二次衬砌结构承载力的目的并不是很理想,高水压隧道二次衬砌合理强度等级以取C40~C50为宜;(4)从衬砌安全性综合考虑,高水压隧道抗水压的最大限值以取1.2 MPa为宜,不宜过大。当实际预测水压超过此值时,应采取综合措施将衬砌水压调整在合理范围内。     

高压富水隧道断层破碎带突涌水分析与工程对策

长大山岭隧道施工过程中不可避免地要通过断层破碎带等不良地质,在断层带地下水发育、导水性较好、补给充分的情况下,极易发生突泥涌水等地质灾害,会严重影响施工安全.文章对青云山隧道F高压富水断层破碎带突涌水的特征及原因进行了综合分析,详细论述了穿越该断层所采用的超前地质预测预报、全断面超前预注浆、超前大管棚、加强型抗水压衬砌及全包防水等综合工程措施.施工中由于采取了这些工程措施,有效地控制了隧道施工造成的地下水流失,达到了预期效果,保证了施工安全.     

抗水压多层衬砌分析模型及其应用研究

隧道穿越岩溶多发地段时易承受较大水压荷载作用,相对传统的复合衬砌,抗水压多层衬砌可设置二道防水板,保证了衬砌的施工质量。基于此,文章提出了抗水压多层衬砌的分析模型,通过实例分析得出,内、外层衬砌间仅压弹簧的弹簧刚度系数增加时,内、外层衬砌弯矩基本不变,外层衬砌轴力减小,偏心距增大;内层衬砌轴力增加,偏心距减小。当水压荷载增加时,衬砌拱顶由大偏心受压状态变成小偏心受压,再逐渐逼至抗压极限承载状态,安全系数先增后减;拱腰、边墙处逐渐逼至抗压极限承载状态,安全系数逐渐减小;拱脚、仰拱处由小偏心受压状态变成大偏心受压状态,安全系数逐渐减小。     

附加荷载引起大跨扁平隧道变形破坏的模型试验研究

文章以深圳大跨扁平马峦山隧道为工程背景,采用模型试验法研究了Ⅳ级、Ⅴ级围岩条件下隧道结构在附加荷载作用下的破坏过程,分析了围岩压力、衬砌变形和结构内力的变化规律。研究结果表明:(1)拱顶围岩压力先增大后减小,当附加荷载达到至某一值时,拱顶围岩压力最大,且衬砌变形较小;(2)随着附加荷载的增加,衬砌变形均经历弹性阶段、塑性阶段、破坏阶段三个阶段,且Ⅴ级围岩衬砌变形较大;(3)随着附加荷载的增加,衬砌结构内力增大,衬砌弯矩分布形状近似呈"蝴蝶型",轴力分布形状近似呈"菱形",且分布不均匀性增大。     

基于荷载-结构模型的隧道衬砌结构可靠性设计与研究

文章以秦东黄土铁路隧道为工程背景,以"荷载-结构"模型和蒙特卡罗有限元为基础,结合围岩相关参数的数理统计特征值,并应用统计学知识对其隧道结构稳定性进行了研究分析;通过10万次的结构计算,对其进行了假设检验,建立了隧道衬砌结构可靠性设计的计算模型,得出了大断面黄土隧道结构轴力的统计特征和分布类型,从而提出了可用于隧道衬砌结构可靠性设计的计算手段。研究结果对今后结构可靠性理论在隧道衬砌结构可靠性设计的实际应用方面有重要的理论指导意义。     

隧道涌水量及水压计算公式半理论推导及防排水应用建议

作者应用半经验、半理论方法详细推导了有帷幕注浆时隧道涌水量及衬砌水压计算公式,并根据"断源开流"原则提出利用系统锚杆进行帷幕注浆、增加衬砌背后环向排水管、施工缝排水处理等措施.作者还举例说明了抗水压衬砌水压力计算方法,以及限压阀门的使用和抗水压施工缝的构造要点.     

苏通1000 kV交流特高压综合管廊工程盾构隧道接缝防水试验研究

淮南—南京—上海1 000 kV交流特高压苏通GIL综合管廊工程是大直径盾构法隧道与特高压输电线路的首次结合,穿越长江,隧道结构承受的最高水压达到79.8 m,是国内水压最高的盾构法隧道。结合大直径盾构隧道接缝防水实践经验和本工程特点,设计拟定了接缝防水构造与密封垫备选断面形式;分别开展通缝拼装及错缝拼装方式下管片衬砌结构防水性能数值模拟和室内试验,得出了不同错缝量、不同张开量情况下的抗水压值和装配应力,判定能否满足本工程的防水要求;最终确定了防水材料性能指标及密封垫断面结构。     

隧道分区防水模型试验及工程应用研究

文章针对复合式衬砌在防水方面存在的问题,通过结构模型实验,对隧道复合衬砌卷材防水板分区防水的关键技术进行研究,对其防水效果进行综合评价,提出了分区防水的原则、设计参数和确保分区成功的拱顶注浆参数,同时为隧道分区防水的施工工艺提供确切的试验依据.阳宗隧道富水段工程运用分区防水技术,实现了隧道富水段不渗不漏目标,防水效果优异.     

水下隧道复合式衬砌水压特征研究

水下隧道无论在施工期还是运营期,时刻都处于有无限水源补给且水头恒定的水体下,因此水压是水下隧道衬砌结构设计的主要荷载之一。文章通过理论分析、模型试验和对厦门海底隧道现场实测数据的分析,研究了水下隧道复合式衬砌的水压特征。研究表明:(1)仅在考虑隧道排水时,注浆圈才能发挥减小对衬砌水压的作用。随注浆厚度增加,衬砌水压减少,且注浆效果越好,衬砌水压降低越明显,而相应注浆圈分担的水压也就越高,但是注浆圈厚度的无限增大对减少衬砌水压作用甚微,合理的注浆厚度在3~8 m范围内;(2)随着初期支护抗渗性的加强,衬砌水压明显增加。设计时必须考虑初期支护承受一定的水压。初期支护水压主要取决于注浆层与初期支护渗透系数的比值;(3)不论注浆水平如何,不论初期支护、二次衬砌渗透系数如何,二次衬砌水压折减系数的大小关键取决于进入初期支护的水量能被多大程度地排出,即取决于隧道排水量与进入初期支护水量的比值。在确定二次衬砌水压时,还应考虑初始渗流场的影响。研究可为水下隧道和高水压山岭隧道的结构设计提供参考。     

基于ANSYS的公路隧道衬砌结构安全分析

文章基于大型通用软件ANSYS,以深埋条件下隧道为例,采用荷载结构法,对考虑仰拱作用的各级围岩两车道公路隧道衬砌结构进行计算,求解其强度安全系数并进行相关安全分析,所得结论可为工程人员参考。     

百丈隧道穿越流塑状富水破碎带施工措施及其安全性评价

百丈隧道左洞ZK152+433~ZK152+463段穿越流塑状富水破碎带施工时反复出现变形侵限、塌方等情况,给工程施工带来前所未有的挑战。文章详细阐述了施工过程中采取的各种处治措施,总结了不同处治方案和效果,并采用数值分析方法对隧道结构安全性进行了分析。结果表明:(1)对于流塑状富水破碎带,加密超前支护是防止开挖时围岩出现较大变形或者坍塌的最有效措施。百丈隧道流塑状富水破碎带最终采用了每榀钢架(钢架间距50 cm)都打设一环3.5 m长?51自进式锚杆的超前支护方式,即每个断面都有7层超前支护,最终有效控制了开挖后围岩变形,避免衬砌侵限与塌方;(2)对于流塑状富水破碎带,加固围岩尤其是边墙与基底处围岩非常重要,可有效减少开挖过程中衬砌的整体式下沉。采用抛石挤淤+注浆的方式进行边墙与基底围岩加固,其效果比采用单纯注浆方式好得多;(3)对于外部荷载较明确的隧道,采用计算分析结合工程经验的方式确定衬砌支护参数,既能保证隧道结构安全,又使其经济合理;(4)在双车道隧道施工中,采用三台阶法施工,应尽量缩短台阶长度,使初期支护及时封闭成环,从而可以较好地控制围岩变形。     

隧道高压富水裂隙注浆堵水施工技术

结合现场施工实际,根据不同地质条件、水压和涌水量等实际情况,可分别采取径向注浆、周边帷幕注浆、全断面帷幕注浆、超前管棚注浆等多种注浆堵水方案。实践证明,针对高压富水裂隙,麦积山隧道斜井施工中采用"多种浆材结合、排水泄压开放式注浆"的思路在理论和实际操作上是可行的,为后续正洞施工及类似隧道工程突涌水施工提供参考。     

快速接头盾构隧道衬砌结构设计参数研究

管片接头受力性能是影响盾构隧道衬砌结构设计参数的关键因素,而采用快速连接件的接头受力性能尚不明确。文章参考国外盾构隧道衬砌快速连接件的研究和应用情况,结合上海市天然气管线过江隧道工程,通过管片接头荷载试验,对快速接头的纵缝转角刚度、纵缝抗剪刚度、环缝抗剪刚度进行研究。结合试验结果建立了基于梁弹簧法的三环错缝分析模型,给出了该模型关键参数的具体取值范围。最后通过计算对比提出了该种快速接头盾构隧道衬砌结构的修正惯用模型设计参数——刚度折减系数、弯矩传递系数。     

富水砂卵石条件下大断面市政隧道浅埋暗挖法研究

文章以成都市人民北路北延线隧道为工程背景,在深入分析富水砂卵石地层特性的基础上,以洞口小净距段为重点,采用有限元法对大断面浅埋暗挖法隧道各区段进行数值模拟分析,获得了地层、初期支护和二次衬砌的受力特征以及一些可供类似工程参考的有价值的结论。     

大直径盾构隧道双层衬砌管片结构计算

目前,大直径盾构隧道的运用日益增多,常用的盾构隧道多为单层衬砌结构。鉴于单层衬砌管片结构存在一些缺点,双层衬砌管片结构的设计与使用逐渐引起人们的注意。文章针对大连地铁5号线跨海段盾构隧道双层衬砌结构,运用Abaqus软件并考虑围岩压力、地震荷载作用、溶洞以及施作方式对于结构的影响,计算分析不同工况下盾构隧道双层衬砌管片结构的变形以及受力特征。研究结果表明:基本荷载下结构受力的主体为初衬,二次衬砌的作用应更多考虑为耐久性和安全储备。地震荷载作用下二次衬砌结构内力显著增大,相对于基本荷载,初衬内力增幅为8.57%～44.1%,二次衬砌内力增幅为123.6%～332.4%,二次衬砌结构将在抵抗地震等偶然荷载作用时发挥较大作用。地震荷载作用下溶洞对双层衬砌结构内力及变形影响很大,相对基本荷载工况,初衬内力增幅为11.0%～216.5%,二次衬砌内力增幅为192.4%～353.1%,轴向变形增幅为58.9%～81.34%,水平向变形增幅约为143.6%。因此,建议对溶洞进行合理加固,以保证隧道安全。     

高水压作用下深埋隧道双层叠合衬砌稳定性影响因素研究

随着国民生态资源保护意识的逐渐增强,结构工程师对全封堵防水设计的呼声也越来越高,高水压隧道防水形式逐渐由"主排"向"全防"转变,结构模筑时不得不面临大体积混凝土施工难的困境";双层叠合衬砌"方案即是通过"拆分"的方式削减结构厚度,可有效缓解水泥水化热在结构内部产生的有害变形,增强大体积混凝土结构的可实施性和可操作性,同时还能兼顾提高隧道的防水质量和效果。文章以青岛地铁1号线过海区间为工程背景,采用ANSYS有限元分析软件,对双层叠合衬砌的稳定性影响因素进行研究,结果表明:(1)考虑衬砌间防水层的影响,结合面接触力学行为仅考虑径向弹簧压缩刚度即可,可忽略切向弹簧剪切刚度的影响;(2)当结合面径向弹簧刚度与两侧结构弹性模量等数量级时,安全系数曲线走势基本收敛,结构发生破坏的顺序依次是内层衬砌仰拱、内层衬砌拱脚、外层衬砌仰拱、外层衬砌拱脚、内层衬砌拱顶、外层衬砌拱顶;(3)围岩基床系数越高,叠合结构安全系数越大,设计与施工过程中应注意提高劣质围岩、维持优质围岩的基床系数;(4)叠合结构安全系数随着各层衬砌刚度的增加而增大,内层衬砌结构具有提高、改善外层衬砌结构安全性的作用。     

深埋蓄排水盾构隧道衬砌结构力学性能试验及数值分析

深埋蓄排水盾构隧道承受高内水压力及较大的外部水土荷载,与公路、地铁盾构隧道在计算理论、建造技术及运营维护等方面有很大不同。鉴于蓄排水隧道衬砌结构承载模式的变化,文章开展了整环力学行为试验及三维数值分析,研究了内水压作用、错缝拼装及接头螺栓安装方式等对蓄排水盾构隧道力学性能的影响。研究结果表明:通缝拼装的蓄排水盾构隧道从隧道内空水变化至隧道内满水时,隧道的变形大幅增加;内水压0.6 MPa时隧道的竖向和水平收敛变形分别为空水时的2.2倍和3.2倍。与通缝拼装的蓄排水盾构隧道相比,错缝拼装时衬砌环的收敛变形减小15%～25%,最大接头张开量及螺栓拉力减小25%～40%。内水压增大会造成蓄排水盾构隧道接头螺栓屈服,最先出现螺栓屈服现象的接头位于衬砌环最大负弯矩荷载作用位置附近;由于盾构隧道的破坏多源于接头螺栓屈服,该接头位置为蓄排水盾构隧道的薄弱点。对于采用双排螺栓连接的蓄排水盾构隧道,拱顶、拱底90°区域范围内靠近接头外弧面位置的螺栓可以不拼装;但两侧拱腰90°区域内靠近接头内弧面位置的螺栓必须安装,否则会造成最大负弯矩荷载作用位置附近的接头螺栓拉力增大5%～14%。