基于流固耦合的高水压隧道支护结构研究

高水压是山岭隧道建设的重要难题之一,抗水压衬砌是隧道穿越这些区段的常用措施,其衬砌结构断面厚度远大于标准断面。衬砌厚度过大施工相对不便,施工质量不能保证,且不能及时分担水压。针对广西某隧道高水压段,采用双层初期支护和二次衬砌组成的支护结构承受高水压,减小二次衬砌厚度。为了分析双层初期支护的效果与获得基于双层初期支护的支护结构参数,利用有限差分法研究了不同防渗等级的单层与双层初期支护、不同注浆范围及不同二次衬砌厚度对围岩的变形影响和对支护结构的力学状态影响。结果表明:在相同支护体系中,喷射混凝土的不同防渗等级对围岩变形、支护应力影响不大;初期支护的防渗等级相同时,相比于单层初期支护,双层初期支护体系使围岩变形、喷射混凝土应力、二次衬砌的轴力与弯矩均减小40%以上;当拱顶以上水头为90 m且采用防渗等级为P8的双层初期支护时,径向注浆能够有效减小支护应力。当径向注浆范围超过4 m后,注浆对减小支护结构受力的效果不明显;采用双层初期支护体系,注浆范围为4 m时,二次衬砌的厚度设计为40 cm就能保障支护结构处于安全状态;径向注浆条件下,采用双层初期支护+二次衬砌的支护体系能够有效保障隧道高水压段的安全。     

公路隧道衬砌结构的相互作用分析

以特长隧道为研究对象,采用二维平面有限元方法研究了隧道衬砌结构的受力情况,建模中考虑了隧道坡度的影响.通过分析表明,衬砌中的初期支护和二次衬砌一般要共同承担荷载,二次衬砌的受力往往大于初期支护的受力,而且在初期支护与二次衬砌间存在不均匀压力,由此可对衬砌的合理设计与施工提供一定的参考价值.     

基于地质雷达的隧道工程衬砌无损检测及应用

利用地质雷达进行了钢筋砼试件保护层厚度检测试验,并将该无损检测技术应用到实际隧道工程施工监控中,通过钢拱架纵向间距、初期支护砼厚度、二次衬砌砼钢筋网保护层厚度检测及初期支护与围岩状况扫描,发现了其中存在的质量问题,进而加以修复和处治,为隧道工程施工质量提供保障。     

矿山法地铁隧道结构耐久性分析及二次衬砌结构计算

通过对地铁矿山法隧道结构耐久性分析,提出不同于以往二次衬砌结构计算的新方法,即是建立在隧道初期支护与二次衬砌结构共同受力的基础上,并考虑初期支护本身耐久性等因素,释放隧道初支端弯矩进行二次衬砌结构计算的一种计算方法。该方法简单方便,且更符合矿山法隧道二次衬砌结构的计算模型。     

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。     

隧道喷膜防水衬砌结构力学性能影响因素研究

为研究隧道喷膜防水衬砌初期支护、二次衬砌间的协同受力机制及其影响因素,提供合理的衬砌结构设计参数,结合防水膜的单轴拉伸、黏结拉伸及剪切试验,建立荷载-结构隧道计算模型,对喷膜防水衬砌结构力学性能的影响因素及其作用规律进行研究。在数值计算模型中,依据试验测得的数据,采用不同厚度的防水膜、不同的界面参数及二次衬砌厚度,对隧道衬砌结构进行建模计算。结果表明:1)防水膜厚度的变化不会对衬砌结构的力学性能产生显著影响;2)不同的界面参数会显著影响衬砌结构的应力和位移,随着界面参数的增大,初期支护应力减小,二次衬砌应力增大,两者的应力差减小,衬砌结构协同受力的能力增加;3)二次衬砌厚度的减小会降低其安全系数,但均符合规范,因此可以进一步优化隧道二次衬砌的结构设计。     

软岩大变形隧道二次衬砌混凝土回填量控制研究

结合兰渝铁路同寨隧道软岩大变形段施工实例,通过对典型段初期支护变形规律的研究,进而对初期支护断面进行优化设计,将初期支护断面预留变形量从拱顶到拱脚、由大到小渐变设置,使二次衬砌混凝土厚度既可满足设计要求,又不会由于初期支护预留变形量过大及实际变形不均匀而造成较大的二次衬砌混凝土回填量,从而达到降低施工投入的目的。     

地质雷达在双碑隧道衬砌检测中的应用

阐述了地质雷达在隧道检测中的原理及方法。以重庆市双碑隧道衬砌检测为例,用地质雷达对双碑隧道初期支护和二次衬砌进行扫描,对实际检测到的波形图进行比较和分析,通过钻芯取样,实际情况与检测结果基本相符,以此作为判断衬砌质量的依据。提出了一些影响地质雷达检测结果的因素。     

基于厚度检测的运营隧道二次衬砌安全评价研究

二次衬砌作为隧道复合式衬砌结构的重要组成部分和最后一道防水防线,其安全评价历来备受关注,而二次衬砌的厚度通常是评价运营隧道安全的重要指标。以运营中的代古寺隧道为工程依托,开展了二次衬砌外观质量及厚度现场检测;采用MIDAS有限元软件对衬砌厚度不合格段进行变形及受力分析,基于数值计算结果校核了二次衬砌的安全性状;针对不同等级的围岩,分析了二次衬砌厚度与其安全性的关系,并给出了相应的最小安全厚度。研究结果表明:二次衬砌最不利位置位于边墙和拱脚附近,衬砌厚度不足会使结构的轴力与弯矩减小,导致隧道结构的安全系数降低;对于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩,二次衬砌最小安全厚度建议值分别为31cm、36cm和41cm。     

复合式曲中墙连拱隧道衬砌结构内力测试

以常吉(常德—吉首)高速公路土江冲隧道为依托,采用应变计对初期支护钢支撑内力和喷射砼应力、二次衬砌结构的内力进行现场测试,分析了复合式曲中墙连拱隧道衬砌结构的力学特征,并对隧道二次衬砌的安全性进行了评价。     

深埋高水位山岭隧道支护与衬砌外水压力分析

为保护环境并尽可能降低隧道衬砌结构所承受的水压力,深埋高水位山岭隧道一般采取堵水限排的设计原则。在隧道力学和渗流力学的基础上进行数值分析和模型试验,研究渗流应力耦合作用下支护和衬砌的力学特性。研究结果表明:对于受排水影响明显的山岭隧道,作用于初期支护上的水压力不会随排水条件的改变而发生显著变化。当排水通道从围岩与初期支护的界面转变为初期支护与二次衬砌的界面后,会导致孔隙水压力从初期支护向二次衬砌转移,初期支护产生卸载并朝向围岩变形。隧道有效排水时,二次衬砌承受的水压力可忽略。随着排水系统退化导致排水受阻时,地下水流梯度逐渐下降,有效径向应力逐渐下降,朝向隧道的径向流量减少,且围岩变形减小,二次衬砌上的水压力增大。本研究为深埋高水位山岭隧道的初期支护和二次衬砌的初步设计提供了一个合理的方法,并有助于确定地面、水和支护间的荷载传输机制。     

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。     

一种无中导洞连拱隧道衬砌开裂原因分析及结构优化

为解决传统连拱隧道中导洞法施工工序繁琐、结构受力转换复杂等问题,云南某隧道采用了一种无中导洞连拱隧道,其后行洞钢拱架焊接于先行洞钢拱架,使初期支护相互搭接形成了连拱隧道中墙,从而避免了中导洞开挖,但在隧道施工中,先行洞二次衬砌左侧起拱线至左拱腰出现了大量纵向与斜向裂缝。结合隧道实际地质和施工状况,运用Flac3d建立了地层-隧道结构数值模型,研究分析了初期支护各自独立封闭成环和初期支护搭接处界面特性对无中导洞连拱隧道衬砌开裂的影响。结果表明:后行洞初期支护独立闭合成环时,即使初支结构之间产生了一定的滑移,隧道衬砌结构仍处于安全状态;后行洞初期支护未独立闭合成环时,搭接处会产生较大的相对滑移,初期支护承载力不能充分发挥,难以有效控制围岩变形和塑性区发展,先行洞二次衬砌承受了较大的围岩荷载,其左拱腰内侧边缘拉应力远超过了衬砌混凝土的抗拉强度,由此造成了左拱腰处衬砌开裂。因此,为避免无中导洞连拱隧道衬砌出现裂缝,建议在设计中应使连拱隧道初期支护各自独立闭合成环,合理加强中墙位置初期支护结构,施工中对关键施工环节、关键受力部位采取有效控制措施,保证支护结构的整体承载力。     

地质雷达在高等级公路隧道衬砌质量无损检测中的应用研究

研究了地质雷达进行高等级公路隧道质量无损检测的原理与方法，对衬砌围岩，初期支护及二次衬砌的施工质量进行分析讨论，并通过分析评价指出了应用前景。     

G112线波罗诺隧道结构加固方案比选

G112线波罗诺隧道经过约8年的运营,隧道衬砌出现严重开裂、渗水等结构病害。专项检测结果表明,洞身衬砌部分段落存在2次衬砌混凝土厚度不满足设计要求,与初期支护间脱空等质量缺陷,须进行结构加固,以保证结构承载能力。综合考虑隧道实际状态及养护规范推荐的整治方法,结合病害隧道的实际整治经验,从整治效果、安全性、经济性、工期等方面对在原2次衬砌外侧增设工字钢、钢带、换拱及套拱等4个方案进行比选,最终确定采用增设工字钢方案对波罗诺隧道进行结构加固。     

秦岭终南山特长隧道竖井衬砌的数值计算

选取建设规模居世界第一的秦岭终南山隧道1号通风竖井为研究对象,根据设计提供的支护参数,采用M IDA S/GTS真实模拟了竖井施工的全过程。通过对竖井初期支护、竖井二次衬砌的受力状态分析,评价了衬砌结构的安全性。结果表明:对于竖井二次衬砌,在距离送风道交接口边缘约5 m区域内,是高应力聚集区,是需要设计中重点加强的关键部位,普通素混凝土不能保证结构的安全,需要采取增配钢筋进行补强。竖井二次衬砌的其余地段和送风道排风道二次衬砌,设计时可以作为安全储备,仅需要按照构造要求进行设计。     

地质雷达在铁路隧道混凝土衬砌质量检测中几个问题的探讨

针对近年来使用美国GSSI公司生产的SIR-3000型地质雷达检测仪从事铁路隧道混凝土衬砌质量检测过程中积累的经验以及遇到的问题,从衬砌背后空洞检测、钢筋、钢拱架检测、衬砌厚度检测和仰拱厚度检测等方面分析问题产生的原因,探讨提高地质雷达检测精度的一些措施。对于衬砌背后空洞的规模大小以及一些沿隧道环向分布的空洞,受检测条件以及现有的无损检测技术条件的限制,只能通过结合锤击法和钻芯法来综合评判; 对于钢筋、钢拱架的检测,通常双层钢筋中第2层钢筋的数量受雷达分辨率的影响很难看清,因受电磁波趋肤效应的影响,钢筋混凝土的衬砌厚度、初期支护钢拱架和初期支护空洞等的检测情况都不理想,所以务必要在隧道二次衬砌施工前完成初期支护混凝土质量及钢拱架数量的检测及整改工作; 对于衬砌厚度的检测,由于隧道衬砌介质的不均匀性,使得相对介电常数无法得出一个精准的数值,故不应该过分依赖从雷达剖面提取出来的厚度实测值,应允许一定范围内的误差; 对于仰拱厚度的检测,一般需要结合设计、施工等资料,必要时候借助钢筋的埋深位置等对仰拱厚度进行初步判断,但很多时候因受分辨率影响,检测结果往往与实际结果有较大误差,这时还需结合钻芯法来进一步确认。地质雷达检测技术的关键是做好以下几方面的工作： 建立合理的检测机制,严格工作纪律,不断优化检测方法。     

松散地层隧道支护体系的力学特性

为明确松散砂卵石地层隧道支护体系力学特性,以青海循隆高速公路穿越公伯峡砂卵石地层隧道为工程实例,研究了砂卵石隧道初期支护刚度、强度的影响特征及二次衬砌施作时机的力学影响特点。通过研究隧道支护体系的力学行为,提出砂卵石隧道初期支护建议参数,明确了支护拱顶沉降、衬砌应力与二次衬砌施作时机的关系,可为砂卵石地层隧道及类似工程的支护设计提供参考。     

专利名称：隧道支护结构

本实用新型公开了一种隧道支护结构，旨在提供一种不仅能提高支护结构的整体承载能力，而且施工工艺简便且具有良好可维修性的隧道支护结构。它包括：1）初期支护喷射混凝土层，与隧道围岩相结合；2）二次衬砌模筑混凝土层，与初期支护喷射混凝土层的内壁相结合。本实用新型的有益效果：1）隧道支护结构的整体承载能力增强，可减小衬砌厚度，而且施工工艺简便，从而可有效地降低隧道建设成本；     

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。