隧道抗水压衬砌结构数值仿真模拟

以龙潭隧道抗水压衬砌结构为工程实例,针对不同的施工阶段,重点讨论了不同结构形式的衬砌力学性能,对抗水压衬砌结构进行了数值仿真模拟,并得出了抗水压衬砌结构的最优设置形式.     

高外水压山岭隧道衬砌结构安全性分析

基于中国在高外水压地区修建长大山岭隧道增多的现象,就涉及隧道衬砌结构在高外水压作用下的力学响应相关问题进行了研究.运用荷载结构法,采用三维有限元模型,以白芷山隧道工程为依托,对白芷山隧道在无外水压、均匀分布的高外水压和不均匀分布的高外水压影响下衬砌结构最大弯矩、轴力值大小及发生位置的变化进行研究；并根据外水压最大断面处衬砌结构的实际配筋情况计算其在外水压分布均匀和不均匀条件下的安全系数.分析结果表明:在高外水压作用下隧道衬砌结构的最大弯矩和轴力值都显著增加,且发生位置也在发生变化；水压最大断面处的安全系数大小在水压分布不均匀情况比水压分布均匀情况整体降低.     

春天门隧道地下水保护设计研究

针对复杂水文地质条件下隧道开挖可能加剧地下水疏干,引发居民生产生活地表用水困难的问题,系统地总结了隧道地下水保护设计经验和存在的不足,改变传统山岭公路隧道"以排为主"的设计理念,在春天门隧道设计中首次完全按"以堵为主"的有压隧道进行设计,通过多形式注浆堵水、根据水压分类设置抗水压衬砌、地表水体防渗和引水回灌等综合措施,地下水保护取得了较好的成效,为山岭公路隧道地下水保护设计提供了示范。     

高水压富水隧道地下水控制技术探讨

高水压富水隧道施工中地下水的作用容易引发涌水突泥和坍塌,造成施工安全事故和破坏周围环境,甚至给运营带来安全隐患。文章通过理论公式、工程案例及规范规定等方面的分析,主要探讨了2方面的内容:1)通过分析地下水的渗流规律,从地层加固和止水、限排降压、抗水压衬砌等方面介绍了隧道涌水量和水压力;2)隧道排水量分级、水中泥砂含量及粒径控制问题,提出了一些控制参数和标准。并以中天山隧道为例,介绍了高水压富水区的地下水控制,促进高水压富水隧道的设计和施工水平的进一步提高,并供类似工程参考。     

高压富水岩溶隧道底鼓变形演化机制及防控对策研究

当隧道穿越高压富水岩溶地层时，易发生衬砌开裂、底鼓及渗水等灾害。为探索隧道底鼓变形演化机理，建立高压富水岩溶隧道底鼓变形控制体系，采用现场测试、室内实验、数值模拟相结合的方法，分析了贵州省德江隧道高压富水段底鼓病害成因及孕育过程。研究发现：围岩中大型隐伏溶腔通过地层中复杂的岩溶管道网络与上伏暗河水源连通，导致隧道结构承受高达2.1 MPa外水压力；隧底基岩在水岩作用下劣化严重，饱和状态下基岩抗压强度仅为27.7 MPa,且其强度随浸泡时长增加而显著降低。数值计算揭示了高水压力是诱发隧道底鼓破坏的主要因素；基岩软化对隧底变形存在一定影响，但与高水压叠加效应不明显。基于此，总结提出以“限排、泄压”为主，“主动加固”为辅的高压富水岩溶隧道底鼓防控基本思路，具体为“预留控制砼室+集水管引排+注浆加固基底围岩”的联合控制程序。实现深部溶腔岩溶水的可控排放，消解隧底水压力，辅以注浆重塑隧底基岩，从而改善隧道结构应力环境。长期监测结果表明：隧道衬砌背后水压力较处治前减少了97%,隧道结构稳固。研究结果可为类似岩溶隧道底鼓病害控制提供参考。     

水下隧道大跨分岔结构设计与围岩稳定分析

长沙市营盘路湘江隧道主线与匝道分岔段为大跨扁坦结构,最大开挖跨度达21m,与单洞4车道相当,应作为特殊节点进行设计。通过调研与分析,从最小覆盖层厚度、净空断面、结构型式、支护参数等多方面分别对分岔隧道的最优设计方案进行论证,并采用地层一结构力学模型予以验证。研究表明,隧道东汉大跨结构最小覆岩厚度可按不小于12m进行控制;通过优化下半断面矢跨比可进行抗水压衬砌的内轮廓断面设计;江底隧道的抗水压支护结构体系应包含内、外2个层次;初步设计方案合理,技术先进。研究成果对于大型越江交通隧道工程具有参考意义。     

金门隧道岩溶涌水处治技术

金门隧道是G78汕昆高速公路龙怀段的控制性工程之一,是广东省目前最长的高速公路隧道,下穿滑水山自然保护区。该隧址区水文地质复杂、富水、岩溶发育。在施工过程中,揭露多处溶洞、数次遭遇岩溶大量涌水,严重影响施工安全及周边环境。在涌水处治过程中,探查涌水源及涌水特性,采取"超前帷幕注浆""径向后注浆""抗水压衬砌"等多种处治措施。工程实践表明,项目所采用的岩溶涌水处治技术切实有效,对粤北山区富水岩溶涌水条件下的隧道建设具有一定的借鉴意义。     

不同水头作用下双层初支的隧道结构分析

为研究不同水头作用下双层初期支护加二次衬砌防护体系的受力情况，以永福屯隧道为依托工程，通过FLAC 3D软件研究不同水压作用下隧道支护结构的受力规律，通过设置拱顶上方30 m、60 m、90 m、120 m等4种水位为4种不同水压作用下抗水压衬砌支护形式的支护结构的分析得出，拱顶位移、二衬弯矩轴力随着水头升高增大；当水压高到一定限值时，位移增长百分比不会变化；由于隧道的排水作用，隧道周围的水压力有不同程度的下降。     

高水压过海盾构隧道建设关键技术可行性初探

过海隧道在我国发展迅速,拟建的琼州海峡通道、渤海海峡通道等跨海通道将面临超长距离、超高水压隧道掘进安全等技术难题的重大突破。根据目前的研究和实践,盾构隧道掘进水压在0. 8 MPa左右,一次掘进距离在8 km以内。为解决高水压条件下过海盾构隧道安全掘进和运营期间安全服役的难题,以琼州海峡中线盾构隧道(水压1. 2 MPa、掘进长度12 km)为工程背景,采用工程类比、施工阶段关键技术分析的方法,对高水压长距离过海盾构隧道关键技术可行性进行分析,提出盾构主动换刀+被动饱和潜水带压换刀+非常状态冻结加固脱困的综合换刀技术以及可更换密封综合技术,可保障盾构超长距离掘进;提出超高水压盾构复合式管片衬砌和内外结合的多道防水结构,可保障超高水压条件下盾构管片结构的安全服役。     

链式衬砌节段长度对隧道抗错断效果的影响研究

针对活动断裂带引起的隧道结构安全问题,依托四川棋盘石公路隧道,基于链式衬砌的抗错断设计理念,分析在逆断层错动时不同链式衬砌节段长度下,隧道结构围岩压力、塑形应变及最大主应力的变化规律与分布特征,探讨合理的衬砌节段设计长度,可为同类工程抗错断设计提供参考。     

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。     

超高水压越江海长大盾构隧道工程安全

随着中国交通建设和城市建设的迅猛发展,越江跨海盾构隧道工程大量增加,而且工程规模(隧道的直径和长度等)和水压条件也在增加。现阶段,仍未明确定义高水压,但一般以0.5 MPa作为高水压的分界线。近期,中国在长江、黄河以及珠江等所建设的高铁、公路以及地铁等盾构隧道工程水压均超过了0.5 MPa,正在筹划建设的琼州海峡隧道等水压更大,将高达2.0 MPa,面临巨大挑战。为此,国家决定针对超高水压(2.0 MPa)越江海长大盾构隧道工程安全问题展开“九七三”计划基础研究。研究采用理论分析、物理试验(室内、室外试验和模型试验)、数值模拟分析和监控测量等多种手段,针对其中涉及的多元、多相和多场耦合物理本质,对高水压水土与结构静动相互作用机理、盾构掘进中的动静力学机理、隧道结构特性及防水特性动态演化机理等核心问题进行深入系统的基础研究,提出了高水压下考虑渗流条件下的水土荷载计算理论和深水盾构隧道地震分析方法,建立了“机-土”动态作用力学模型,提出了盾构姿态、刀具磨损、开挖面稳定和高压成膜及闭气控制方法,提出了高水压大直径盾构隧道衬砌结构设计理论和高水压盾构隧道接缝长期防水安全与监控技术,最终形成超高水压越江海长大盾构隧道工程安全控制理论体系。为确保超高水压越江海长大盾构隧道工程安全提供设计理论依据,为实现大直径泥水盾构在超高水压等复杂条件下安全长距离施工提供理论支持。     

隧道穿越富水断层围岩稳定性流固耦合研究

围岩稳定性和结构安全一直是富水区山岭隧道修建过程中的热点问题,长期受到学术界和工程界的关注。以罗汉坡公路隧道穿越F5富水断层为依托,建立三维流固耦合数值力学模型,模拟施工全过程,研究围岩变形特性、力学响应、渗流场、能量集聚,以及衬砌结构位移。研究结果表明:掌子面前方围岩出现高水压积聚现象,应进行超前1D(D为隧道跨度)钻孔排水,降低掌子面前面水压集聚程度;掌子面前方有效影响挤出变形的距离为0.5D。由于断层及其前后围岩刚度差异,衬砌沿纵向发生不均匀变形,断层前、后10 m范围内衬砌应加大配筋,防止结构压剪破坏,提高衬砌整体稳定性及降低运营阶段风险。研究成果直接指导罗汉坡隧道F4断层的施工,也可为今后富水地层类似隧道及地下工程设计、施工提供参考和借鉴。     

高压富水区山岭隧道施工注浆堵水技术研究

为了保障高压富水区山岭隧道施工安全,现场经常采用注浆堵水措施,而目前隧道注浆堵水时地下水渗水量和支护结构外水压力变化特性尚有待于进一步研究。依托南大梁高速公路华蓥山隧道工程,基于复合式衬砌山岭隧道"堵水限排"的防排水理念,采用理论分析和数值模拟方法,分析了高压富水区复合式衬砌山岭隧道围岩注浆堵水时地下水渗流场特征,推导了高压富水区山岭隧道采取注浆堵水时隧道渗水量和支护结构外水压力的计算公式,得到了隧道渗水量及支护结构外水压力与注浆圈厚度、围岩和注浆圈渗透系数之比及围岩和初期支护渗透系数之比间的关系。研究结果表明:高压富水区山岭隧道注浆堵水时,隧道渗水量和支护结构外水压力的主要控制因素为:注浆圈厚度、注浆圈及初期支护的渗透系数;隧道渗水量和支护结构外水压力随着注浆圈厚度的增加及其渗透系数的减小而降低,综合考虑注浆堵水效果及施工成本,建议注浆圈厚度为6～8 m、围岩与注浆圈渗透系数之比为100～200时较优;高压富水区山岭隧道防排水系统设计,需要考虑注浆圈和初期支护堵水作用以及横纵向排水管排水效果,即综合防排水设计才可以减小排水量,有效降低支护结构外水压力。研究所得隧道注浆堵水的相关参数成功应用于实际工程,为高压富水区隧道工程注浆堵水设计与施工提供了一定的参考。     

富水隧道突水处置及结构受力特性研究

依托武靖高速洞头山隧道工程,对工程中富水岩溶带引发的突水涌砂问题进行分析,提出采用洞内管棚结合径向注浆处置方案;通过流固耦合数值分析,对富水条件下衬砌结构受力特性和安全性进行研究。结果表明采用该方案能保证该地质条件下施工顺利进行,并可保证在运营时衬砌结构较高安全性,研究可为类似工程提供参考。     

考虑接头非线性的壳-接触盾构隧道衬砌计算模型研究

处于低轴力水平、复杂受力过程的盾构衬砌,如输水盾构隧道、联络通道以及盾构法车站等工程施工全过程对应结构形式,其模型计算对隧道环纵缝接头刚度和强度随衬砌内力的非线性变化提出更高的要求。为解决上述具有特殊使用功能的盾构隧道衬砌内力计算中接头刚度非线性变化明显的问题,提出一种盾构衬砌管片计算模型——壳-接触模型,该模型考虑环纵向螺栓在管片厚度方向的空间分布,在管片接头处采用"压剪耦合"的设计理念。以接头抗弯数值模型与室内抗弯试验结果对比反映模型对接头弯曲特性模拟的合理性;通过与壳-弹簧模型分析结果对比,由管片错台差异体现模型接头整体抗剪刚度、抗剪强度的非线性特征,由环向螺栓力学差异确定模型在接头处于压弯力学组合状态下螺栓对衬砌刚度的实际贡献,由此验证壳-接触模型对衬砌力学行为模拟的合理性。     

富水黄土隧道地下水处治技术研究

为解决富水黄土隧道在施工过程中出现的各种病害,基于穿越富水黄土地层的乔原隧道工程,通过理论计算和分析,得出了衬砌水压力与围岩渗透系数之间的关系,在此基础上提出了利用二重管无收缩双液注浆法和防股流涌水型防排水结构形式结合的处治方法,在现场得以应用并取得了良好的效果。研究结果表明,利用"荷载-结构物模型"把渗透力的作用问题等效为孔隙水压力表面力的作用问题,从而可通过建立关于水压力的等式,得出水压力的折减系数;通过控制注浆圈渗透系数,可将衬砌水压力控制在合理的范围内;采用二重管无收缩双液注浆法和防股流涌水型防排水结构形式,既可减小地下水排泄量、保护地下水环境,又避免了过大水压力对隧道衬砌结构的危害。     

寒区隧道冻害成因与若干防治新技术

对寒区隧道冻害进行了分类并探讨了其成因,特别是对衬砌结构因冻损伤的原因进行分析,并将其分为衬砌结构因壁外冻胀损伤和因壁内冻胀损伤两种类型。分析表明,前者对结构的影响较小,后者对结构的威胁较大。针对寒区隧道衬砌结构容易发生裂缝的现象,提出了减少温变过程中的不利约束,预防衬砌出现较大温度应力,进而预防衬砌裂缝发生发展的工程措施。在寒区采用背贴式止水带预防衬砌施工缝渗漏的方法存在不足,宜以中埋式可排水止水带取代。环向排水管应直通中央排水管,在围岩富水且衬砌壁后中、下段环向排水管易冻的隧道区段,沿环向排水管宜设置条带状局部保温层。在隧道潜在冻害威胁较大的区段,通过在衬砌壁后设置电热带穿线管,可提供电热融冰的隧道防冻预案。试验工程表明,可排水止水带、直通中央排水管的环向排水管、电加热融冰等技术在寒区隧道中应用效果良好。     

漫谈矿山法隧道技术第十四讲——隧道涌水及其控制方法

分析制定隧道控制地下水对策的基本观点:既要考虑隧道施工对地下水的影响,也要考虑地下水对隧道施工的影响。指出控制地下水的对策必须符合3个条件:1)确保施工作业安全、顺利地开展;2)不对周边环境产生有害的影响;3)以合理的工费和工期来实现。隧道涌水视其发生位置、涌水量、发生时期、涌水量的历时变化等是各种各样的,应对隧道涌水进行合理分类,以便有的放矢地采取相应的对策。介绍了日本统计的地质构造和涌水现象的分类。涌水处理应达到3个基本目标:1)确保隧道施工在无水的条件下进行,或者是在可以接受的渗漏水条件下进行,或者是在对周边环境"可接受干扰"的条件下进行;2)二次衬砌原则上不承受水压作用,不得已时把水压控制在二次衬砌容许的范围内;3)运营中的隧道洞内不能成为地下水流经的通道,隧道衬砌背后必须形成一个纵横交错的、不易堵塞的、通畅的排水系统。达到上述目标的基本方法是:充分利用和提高围岩的隔水性能,合理地处理好"排"与"堵"的关系。针对涌水处理的3个基本目标,分别介绍了国内外相应的经验和措施。1)一些国家的指南、标准对隧道的涌水量进行了分级,认为涌水量≤2.5 L/(min·m)时基本上可以认为是在无水条件下施工;一般的线状流水、经常涌水可以用自然排水法排水;而针对突发大量涌水,则需要采取特殊的地下水对策予以解决。2)按照二次衬砌是否承受水压,隧道可分为3种情况:1衬砌不承受水压,即所谓的完全排水型隧道;2衬砌承受全部水压,即所谓的非排水型(防水型)隧道;3衬砌背后设置注浆域,分担衬砌承受的水压,衬砌只承受部分容许的水压。从目前的隧道设计实际来看,在山岭隧道中多数采用方案1,在城市隧道中多数采用方案2,在高水压和突发大量涌水的极端情况下采用方案3。介绍了日本、美国的设计经验。3)我国铁路隧道采用把地下水引入隧道,再从洞内两侧边墙附近设置的排水沟排出地下水的做法是值得商榷的;特别是在可能发生冻害的地区,更不可取。在国外,日本、德国、法国等国家的铁路、公路隧道基本上是把中央排水管设置在仰拱内或仰拱下方,而在隧道两侧只留有用于排出流入隧道内的雨水或隧道清洗水的排水沟;因此,建议立项研究取消洞内排水沟,设置中央或两侧脚部排水管的问题。最后指出,实现涌水处理的3个基本目标我们尚需努力,特别是"目标"的定位问题,尚需进行基础性的研究才能解决。在隧道施工中,涌水是不可避免的、客观存在的现象,我们积累的经验非常丰富,但缺乏系统的、认真的总结和归纳。     

隧道衬砌结构在水压力作用下受力计算分析

对某隧道建立有限元结构分析模型,研究隧道初衬结构安全性及衬砌内力。结果表明,隧道衬砌结构在长期峰值水压力作用下安全度满足规范要求,结构安全稳定。计算隧道二衬结构内力值,并将数值模拟结果与实测数据对比分析,得出应力分布规律,两者一致,边墙和仰拱处为受力最不利位置。