交通/水工隧道中基于预应力锚固系统的及时主动支护理念及其技术实现

为实现新奥法充分调动围岩承载能力这一核心理念,能够实现及时主动支护的锚固体系是关键。基于此,从及时主动支护技术的内涵及作用机理分析入手,对预应力构件及早施加主动支护阻力,以增强岩体自承载能力,从而实现变形控制的作用机理进行了阐述;以滇中引水工程楚雄段柳家村隧洞为依托,对比分析了主、被动支护作用效应,验证了主动支护对于围岩位移及塑性区发展的有效控制;针对具有长期服役要求的交通/水工隧道,结合不同岩体状况,提出为实现及时主动支护,在一般岩体中建议采用端头机械锚固+自由段水泥砂浆锚固的锚固形式,在软弱破碎岩体中则建议采用端头树脂锚固+自由段水泥砂浆锚固的锚固形式。上述2种锚固形式一方面通过临时性端锚及早施加预应力以实现及时主动支护,另一方面在洞室变形基本稳定后进行后期注浆,在有效防止预应力损失的同时,使得锚固体系具有良好的耐久性,为基于预应力锚固体系的及时主动支护理念在交通/水工隧道工程中的成功应用奠定了坚实的基础。     

小孔径预应力锚索合理支护参数研究

为探讨软岩隧道小孔径预应力锚索合理支护参数，以甘肃渭源至武都高速公路木寨岭隧道为依托，在对不同围岩条件进行分类的基础上，通过现场试验研究了小孔径预应力锚索的变形控制效果，并结合现场试验与数值模拟分析结果，建议了不同围岩条件下小孔径预应力锚索的合理支护参数。结果表明：木寨岭隧道围岩可分为以炭质千枚岩为主、以炭质千枚岩和砂质板岩互层为主和以砂质板岩为主3种情况；围岩以炭质千枚岩为主时，隧道变形最大；以炭质千枚岩与砂质板岩互层为主时，隧道变形次之；以砂质板岩为主时，隧道变形最小；现有预应力锚索支护方案适用于以炭质千枚岩和砂质板岩互层为主的围岩，支护参数可维持不变；围岩以炭质千枚岩为主时，锚索锚固效果往往难以达到设计要求，建议采用5 m+12 m长短锚索组合，环向间距取0.8 m,排距取0.6 m,预紧力不宜超过200 kN;围岩以砂质板岩为主时，现有支护方案偏于保守，建议锚索长度全部采用5 m,环向间距取1.2～1.6 m,排距取0.8 m,预紧力可施加至300 kN以上。成果可为类似地层隧道小孔径预应力锚索支护参数选取提供参考。     

地下水对深埋软弱围岩隧道初期支护结构破坏及其控制措施研究

针对隧道施工期间砂质板岩、炭质千枚岩及绿泥石片岩等软弱围岩在地下水作用下发生软化、剥落、坍塌,继而引发支护变形侵限、喷射混凝土软化剥落、钢架扭曲失稳等灾害,以木寨岭公路隧道2号为依托工程,通过现场试验、监控量测等手段,分析地下水对深埋软弱围岩隧道初期支护结构失稳及破坏的影响,并提出了在地下水富集区,采用高强预应力锚索支护体系代替传统约束锚杆、环向注浆锚杆以及超前小导管注浆加固围岩的支护方法,降低了混凝土注浆压力及施工难度,避免因锚杆注浆不到位形成渗流通道而影响开挖围岩及初期支护强度,并通过采用高强预应力锚索加固措施,从而提高围岩自承能力及初期支护稳定性。     

基于锚杆受力分析的软岩隧道变形规律及柔模支护技术

研究支护状态下围岩变形范围及其位移量将为合理确定软岩隧道开挖的预留变形量及其支护方案提供重要的理论依据。通过将隧道围岩简化为理想弹塑性介质,在围岩中布设全长锚固锚杆。基于锚杆与围岩的协调变形原理,建立杆体与其周围岩体相互作用的力学模型,分析锚杆表面摩阻力及轴力的分布规律,并根据杆体的静力平衡条件,推导出杆体与岩体相对位移为0的中性点位置及其最大轴力值,讨论初期支护条件下隧道围岩的塑性区及破裂区的厚度计算公式及其影响因素;综合考虑隧道表面围岩变形过程中的塑性位移和破裂区岩体的碎胀变形位移,提出隧道表面围岩的位移公式及预留间隙柔模支护技术,进而定量分析榴桐寨软岩隧道的围岩位移及其预留变形量。结果表明：通过锚杆轴力可以反演分析隧道围岩的变形范围,确定围岩稳定后的最终位移量;柔模支护结构能够大量吸收大变形软岩的变形能,且具有适当的刚度抵抗围岩的有害变形,研究成果可为合理设计软岩隧道的开挖及支护方案提供新的思路。     

让压预应力锚索在软岩隧道大变形控制中的作用机制研究

为解决高地压、高流变条件下软岩隧道围岩及支护结构大变形控制难题，通过理论和数值分析，研究让压预应力锚索在隧道大变形控制中的作用机制。研究内容包括2个方面，一是研究新型让压锚垫板在低预紧力及低围压下的力学性能，满足支护结构先柔让压的要求； 二是让压结束后，预应力锚索在高预紧力条件下改善支护结构受力性能，实现后刚强支的作用。结果表明： 1）预应力锚索通过施加预紧力，增大洞壁径向阻力，提高围岩稳定性； 2）预应力锚索在让压结束后对支护结构的主要作用是减跨，由此提高支护结构刚度和承载能力； 3）围岩、支护结构和让压预应力锚索变形协调，力学上相互耦合，构成“先柔后刚”的支护体系。     

高速公路软岩隧道复合支护机理的FLAC解析

结合软弱围岩隧道工程地质和支护设计特点 ,应用有限差分方法 ( FLAC)模拟研究了软岩隧道受力变形特征和围岩收敛曲线 ,并分析了复合支护结构中一次支护和二次支护结构的作用机理及作用效果。研究结果表明 ,软岩隧道开挖和一次支护后围岩支护压力随拱顶位移增加而连续减小 ,预测的最大位移均发生在隧道拱顶。但是 ,在同样支护压力下 ,考虑软岩流变特征的收敛曲线的拱顶位移要大得多 ,必须及时设置二次支护。另外二次支护结构还将起到承受流变压力的作用     

高地应力软岩隧道围岩大变形NPR锚索控制方法研究

为解决高地应力软岩隧道建设过程中支护结构破坏、围岩大变形等问题,依托地处炭质板岩地层，具有地质构造复杂、断层发育、埋深大、地应力极高等特点的木寨岭特长公路隧道工程，对隧道围岩NPR锚索支护方案进行研究。首先，采用原位试验、现场勘察和室内试验方法，对其地质条件及破坏成因进行分析；然后，利用自主研发的高预紧力恒阻大变形锚索（NPR锚索）材料，设计出一种能够控制公路隧道围岩大变形的NPR锚索综合控制体系；最后，使用该控制体系在现场进行工业性试验，通过对NPR锚索加固区的围岩变形量、钢拱架应力和NPR锚索受力进行实时监测，分析NPR锚索支护方案的围岩控制效果。试验结果表明： 采用NPR锚索“非对称布设和长-短锚索组合搭配”的综合控制体系，能有效控制隧道围岩初期支护大变形难题，最大变形量从2 936 mm控制到240 mm以内，消除了初期支护侵限、开裂等破坏隐患，控制效果显著。     

仰拱步距和台阶长度对软岩大断面隧道稳定性影响分析

在软岩大断面隧道施工过程中,围岩稳定性控制难度很大。依托宝兰客专古城岭隧道的勘察设计资料、施工工艺和监测数据,建立符合工程实际的基本数值模型,分析软岩大断面隧道的变形特点,揭示仰拱步距和台阶长度对初期支护变形的影响规律。根据模拟试验结果指导古城岭隧道大变形区段施工,将初期支护累计变形减小了70%。     

铁路隧道施工主动控制变形技术研究与实践

针对隧道施工中对加固围岩、充分发挥围岩自身承载能力方面重视不够,致使隧道开挖分部较多、工效低以及软弱围岩发生大变形等问题,通过对煤矿行业主动控制变形、国内外主动控制变形技术进行调研和部分铁路隧道施工实践、研究,得出如下结论： 在隧道施工中主动控制围岩变形,可充分发挥、调动围岩的自承载作用;采用主动控制围岩变形技术,可实现软弱围岩大断面机械化快速施工,解决超大断面设计施工技术难题,有效控制高地应力软岩隧道变形,避免大变形的发生; 锚杆、锚索以及注浆加固地层等是主动控制围岩变形的关键技术措施,必须配置大型机械设备,掌握成套施工工艺,确保锚固的及时性和有效性。     

涨壳式预应力中空锚杆在机械化开挖大断面隧道中的施工应用研究

为了解决软弱围岩隧道机械化开挖后快速支护的难题，采用三臂凿岩台车、风动扳手等配套机具施作涨壳式预应力中空锚杆对围岩进行快速支护。通过在郑万高铁高家坪隧道软弱围岩段大断面机械化施工条件下涨壳式预应力中空锚杆的应用研究，总结出涨壳式预应力中空锚杆工作原理、工艺流程，通过注浆试验对比分析，提出适合的隧道锚杆注浆比例，并结合锚杆轴力监测和地层位移监测结果，表明该锚杆具有快速约束围岩、形成应力拱、减少围岩松动圈、保证围岩稳定的优势，能够有效保障隧道机械化施工的安全，并提高隧道机械化施工效率。     

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。     

兰渝铁路两水隧道高地应力软岩大变形控制技术

兰渝铁路两水隧道地质条件极为复杂,洞身围岩为千枚岩及炭质千枚岩,属极软岩,受高地应力影响,施工时发生了挤压性大变形,变形和破坏极为严重。以现场测试和理论分析为手段,结合隧道变形特征,探索和研究了适合两水隧道的软岩变形控制技术,并得出以下结论:1)软岩隧道的变形特性及稳定性(塑性区)取决于地应力、围岩的力学特性、开挖断面等,且与围岩的支护条件密切相关;2)通过采用加大预留变形量、加大支护刚度、多重支护,优化施工方法、适时施作二次衬砌等手段有效地控制了大变形,较好地解决了两水隧道高地应力软岩施工问题。在此基础上,提出了软岩隧道大变形分级标准及其对应的支护参数。     

软弱围岩隧道变形及其控制技术

根据软弱围岩隧道变形的基本规律,系统总结了国内外,尤其是日本控制隧道开挖后变形的基本对策,包括：1）控制先行位移的技术--超前支护;2）控制掌子面挤出位移的技术--掌子面补强;3）控制脚部下沉的技术--脚部补强;4）加强初期支护的对策。     

软弱围岩大跨隧道合理预留变形量分析及初期支护刚度优化

针对正在建设的成贵铁路四川段大部分隧道位于红层砂泥岩软弱地层的情况,根据现场实测数据,对10座隧道共407个断面1 213个拱顶沉降及边墙收敛监测数据进行统计分析,研究分析红层砂泥岩软弱地层隧道的变形特性及变形量。同时,结合现场实测统计数据,对目前红层砂泥岩软弱地层隧道V级围岩隧道采用的初期支护刚度体系进行多工况数值模拟分析,针对不同的初期支护结构进行变形及应力分析。研究结果表明： 现行TB 10003-2016《铁路隧道设计规范》给出的预留变形量参考值偏大,建议红层砂泥岩软弱地层浅埋大跨隧道（V级围岩地段）预留变形量按50~60 mm设置。     

隧道软弱围岩挤压大变形非线性流变力学特征及其锚固机制研究

介绍围岩大变形的工程实例、隧道围岩挤压性大变形的定义及其工程特征。系统总结国际上隧道围岩挤压性大变形的3种预测方法,即： 经验法、半经验半理论法和试验判定法。将Hoek（1999）对围岩挤压大变形的预测和判定方法（半经验半理论法）应用于乌鞘岭隧道岭脊段F7断层带开挖施工中的围岩稳定性判别,并对这种预测方法进行了可靠性评价,认为有支护情况下比无支护情况下变形预测失效概率要小得多,也就是说毛洞围岩变形收敛率的大小更难以掌控。介绍作者团队对隧道围岩挤压性大变形问题按三维非线性流变的理论分析、相应专用软件的研制;并将理论研究计算成果与现场实测数据进行对比,结果按大变形三维问题的计算值比按小变形二维平面问题的计算值更接近工程实际;同时,指出了有待进一步深化研讨的若干问题。最后,提出了管控/约束隧道围岩大变形持续发展的锚固技术措施--一种新型大尺度让压锚杆/预应力长锚索,分析其机制和优势,介绍其构造类型,并提出下一步的研究思路。该方法已在几处工地不同程度地成功实施,取得了应有的经济效益和技术成果。