郑万高铁大型机械化施工隧道位移控制基准研究

依托郑万高铁湖北段大断面隧道洞群,针对其开挖断面面积大、软弱围岩占比高、采用大型机械化大断面法施工的特点,开展初期支护位移现场监控量测,对监控量测数据进行分类统计、包络回归分析,得到Ⅳ、Ⅴ级围岩深、浅埋不同大断面法（全断面法、微台阶法）开挖下初期支护位移沿隧道纵向的函数表达式及各工况下分段位移占极限位移的比值。最后结合 Q/CR 9218-2015《铁路隧道监控量测技术规程》中初期支护极限位移值,给出郑万高铁大型机械化施工隧道各工况下初期支护位移控制基准建议值。结果表明： 郑万高铁隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩采用深、浅埋不同大断面法开挖时,按距掌子面距离的分阶段位移控制基准相差较大,现行Q/CR 9218-2015《铁路隧道监控量测技术规程》中统一规定不合理;围岩级别、埋深及开挖方法相同时,拱顶沉降和洞周水平收敛规律基本一致。     

漫谈矿山法隧道技术第九讲——隧道开挖和支护的方法

强调对隧道开挖和支护关系的基本认识： 开挖和支护是隧道施工的2大基本工序,开挖的基本原则就是把对周边围岩的松弛降低到最小限度,弹性变形和少许塑性变形是容许的,超过围岩极限应变变形（过度变形或松弛）的场合需要依靠各种支护对策。开挖和支护有先挖后支和先支后挖2种模式,一般采用前者,当开挖后隧道围岩不稳定时,采用后者。随着施工技术的进步、采用大型施工机械的要求和大断面隧道的出现,对隧道开挖方法选择的观点有了极大变化： 1)在选定开挖方法时,要以大断面开挖为指向,围岩条件不是唯一的决定因素; 2）尽可能不采用施工中含有需要废弃的和临时性作业的分部开挖法; 3）把机械开挖法与分部开挖法相结合,如TBM导坑超前扩挖法,在欧洲和日本等国已经成为大断面隧道施工的基本方法; 4）在同一座隧道,开挖方法频繁变化,既不经济也不安全,主张在全隧道中（除洞口段外）采用同一种开挖方法--全地质型开挖方法,如全断面法或台阶法,当围岩条件剧烈变化时,采用注浆、超前支护等应对措施。介绍日本、美国和欧洲等国规范、指南推荐的隧道开挖方法概况： 1）日本从隧道围岩级别、洞口段和洞身段等方面分类,给出隧道相应的开挖方法,基本以全断面法和台阶法为主;在断面比较大、比较长的隧道,采用TBM导坑超前扩挖法。2）美国把围岩分为岩质围岩和土质围岩2大类,其推荐的开挖方法基本相同,即全断面法、台阶法和中隔壁法,仅采用的支护方法不同。3）欧洲各国由于围岩条件总体比较好,多采用全断面法和台阶法。归纳选择开挖方法的基本条件： 施工条件、围岩条件、隧道断面面积、埋深、工期和环境条件。     

超大断面隧道小导洞先行与台阶反扩挖施工技术研究

针对隧道埋深大、节理裂隙较发育等不良工况下的超大断面隧道施工难题,为避免常规双侧壁导坑加临时支撑八步开挖方案所存在的断面开挖支护完成后衬砌跟不上、整体工期目标难以实现等风险,优化设计出了小导洞先行与台阶反扩挖施工方法。结合紫之隧道某标段北匝道隧道与主线两车道隧道交叉口位置处的超大断面隧道工况特点,从施工风险、施工进度、施工成本等方面模拟验证了小导洞先行与台阶反扩挖法相对于传统的双侧壁导坑法具有显著的优势。最后对小导洞先行与台阶反扩挖法的小导洞先行控制爆破施工技术、台阶反向扩挖施工技术等关键施工技术进行了研究分析。     

胶州湾海底隧道右线与匝道交汇洞段施工技术

以胶州湾海底隧道右线与匝道交汇洞段为背景,采用工程类比和数值模拟分析,对小净距隧道的施工顺序,超大断面隧道的开挖方法及支护参数进行了研究,结果表明:小净距隧道采用匝道先行,衬砌跟进,主隧采用CD法开挖可最大限度控制围岩塑性区;大断面洞段在进行超前注浆加固后,加强支护可实现台阶分部开挖。     

不同TBM导洞位置对洞周围岩变形的影响研究

采用翠屏隧道的建筑内轮廓、围岩参数及支护参数,运用MIDAS GTS NX模拟研究TBM导洞+上下台阶扩挖法开挖公路隧道时,TBM导洞在建筑内轮廓的顶部、上部、中部、下部及边墙处等5个不同位置处对隧道洞周围岩变形的影响。结果显示:导洞在下部时,隧道拱顶及拱底的位移值相对导洞在其他位置时最小,对控制拱顶及拱底位移变形最有利;导洞位置在边墙处时,洞周左右边墙位置处的位移变形量最大;导洞沿拱顶、上部、中部、下部等4个位置逐渐往下,洞周左右边墙位置处的位移变形量逐渐减小,即导洞在下部时洞周左右边墙位置处的位移变形量最小。即导洞在下部时,位移变形量在洞周左右边墙、拱顶及拱底位置处时位移变形量最小。推荐在采用TBM导洞+上下台阶扩挖法开挖公路隧道时,导洞布置在建筑内轮廓的下部。     

不同地表倾角下台阶法施工对大断面隧道变形的影响分析

依托简浦高速公路长秋山大断面隧道工程,运用有限差分软件FLAC3D对该隧道采用三台阶工法的动态开挖进行了模拟,分析了不同地表倾角下台阶长度对隧道洞周位移的影响规律。结果表明:浅埋大断面公路隧道三台阶法施工,隧道洞周位移大小顺序为:仰拱隆起 拱顶沉降 水平收敛;不同地表倾角下,隧道拱顶沉降及仰拱隆起变化主要发生在台阶长度为4~6 m之间,说明短台阶或超短台阶法能够较好地控制隧道的洞周变形,更为适合软弱围岩大断面隧道的施工;台阶长度从10 m开始,隧道洞周位移逐渐收敛,可作为浅埋大断面隧道台阶法施工下洞周位移的"起始收敛点";隧道地表倾角对隧道洞周位移的变化影响较大,因此,实际施工中应根据地表的不同倾角,选择更为合理的台阶长度进行施工,确保软弱围岩大断面隧道的安全施工。     

大跨扁平极软岩隧道大变形结构处理分析

牛头山隧道为双向6车道大跨度隧道,当开挖至绿泥石云母片岩段时发生了严重的大变形,拱顶最大下沉达1.6 m。为解决极软岩隧道大变形问题,通过对大变形围岩和初支变形特征、发生原因的分析,确定了"分台阶大预留、快开挖、双层强支护、早封闭"的大变形处理原则和方案。施工期间通过对双侧壁、单侧壁法和三台阶法施工的现场实践,证明依托工程采用短台阶开挖工法控制围岩大变形具有十分显著的效果。在确定采用三台阶开挖方法后,对拟定的应力释放层扩挖+双层H型钢初期支护和双层H型钢初期支护+108锁脚钢管两种支护方案,在左右洞进行了平行试验,结果发现采用双层H型钢支护+108锁脚钢管对于控制大变形效果良好,最终采用该方案顺利完成了绿泥石片岩段施工。     

TBM导洞扩挖法在高地应力软岩隧道施工中的应用效果分析

运用MIDASGTS有限元软件,分析了TBM导洞扩挖法在高地应力软岩环境中隧道开挖的应用价值。通过对某公路隧道分别采用TBM导洞扩挖法、预留核心土环形开挖法和两台阶法三种施工方法进行数值模拟,主要以拱顶沉降、拱腰水平收敛和拱底隆起等围岩变形指标进行对比分析,得出TBM导洞扩挖法高地应力软岩隧道施工时的围岩变形控制效果最好的结论。同时分析了在富水等复杂地质情况下,TBM导洞扩挖法在排水、探明前方地质情况等方面更具有优势。     

小净距隧道开挖空间效应分析

依托某隧道的设计及施工,建立小净距隧道的三维计算模型,对小净距隧道IV级围岩段台阶法开挖进行数值模拟计算,对其开挖过程中位移场、应力场、喷射混凝土初期支护随空间变化规律进行分析,结果表明:小净距隧道施工过程中存在先行洞和后行洞相互扰动的现象,量测断面的位移主要产生于隧道开挖至量测断面及通过后;边拱和仰拱所受弯矩大,在拱腰位置出现较大的正负弯矩容易造成初期支护混凝土开裂。     

地下风机房施工过程中应力应变模拟分析

隧道通风问题是长大隧道建设和运营中亟待解决的重要问题之一。在实际工程中,长大隧道通常采用地下风机房作为辅助通风巷道。以山西省和榆高速公路云山隧道为背景,利用大型有限元分析软件模拟地下风机房在不同工况下斜井进入主洞的施工过程,分析研究不同工况下主洞与斜井交叉部位的围岩位移场和应力场的变化,揭示了不同工况下隧道洞周围岩的位移和应力变化规律,提出了采用台阶法开挖隧道的根据,指出了斜井两侧的主洞采用两个工作面同时开挖与分别开挖对交叉部位的围岩位移和应力的影响,为优化施工工法提供了依据,可为类似工程设计和施工提供参考依据。     

公路双连拱隧道开挖方法的数值模拟研究

应用有限元数值方法,对双连拱隧道的三导洞法、中导正洞台阶法和中导正洞全断面法3种开挖方法,分别进行了施工数值模拟,给出了这3种开挖方法施工过程中围岩和支护结构的应力和变形规律.经过比较分析后,认为三导洞法是Ⅱ级围岩中修建连拱隧道的较好开挖方法.     

隧道穿越断层破碎带施工过程围岩位移特征研究

以试刀山隧道改扩建工程为依托,选取软弱破碎带围岩段,通过三维数值模拟对隧道动态施工全过程进行弹塑性计算分析,选取该区域内某一特定横断面,主要围绕断面各监测点围岩位移随动态施工的变化特征和数值大小进行初步研究和分析。通过对计算结果分析归纳得出:从纵断面上看,对其拱顶沉降及拱底回弹影响最大的是前后6 m范围内的掌子面施工,约占总位移量的60%;对指定断面拱腰水平位移影响较大的是指定断面前后3 m范围内的掌子面施工,约占总位移量的60%~70%;从横断面上看,上台阶开挖所引起的指定断面拱顶沉降大于下部台阶开挖的影响,隧道施工对围岩塑性区的影响主要集中在洞壁外3~4m范围。此外,该数值模拟的分析结果对于该段隧道的施工监测具有一定的指导意义。     

分岔隧道连拱段施工数值模拟分析及其方案优化

为进一步研究分岔隧道施工过程中的围岩力学性态,以某正在施工的分岔隧道为工程背景,采用FLAC3D有限差分软件对隧道施工过程进行了数值模拟,研究了分岔隧道施工过程中连拱段围岩及中隔墙的应力、位移分布和变化规律,在此基础上,对隧道施工方案进行了优化分析。研究结果表明:该隧道开挖过程关键工序为上台阶开挖,侧导坑开挖对围岩稳定性有较大影响,隧道采用中导洞台阶法直接开挖仍可以保障围岩稳定性,同类工程采用中导洞台阶法开挖是安全可行的。     

大跨分岔隧道分岔段施工方法研究

大跨分岔段隧道跨度大且分岔段形态复杂多变,支护结构与周边围岩的受力特性采用常规的二维平面应变研究方法已不能反映围岩与支护的真实特性,需要结合施工方法进行三维数值分析进行地层结构分析。本文结合莲塘大跨分岔隧道,使用有限元分析软件MIDAS-GTS对隧道施工进行全过程动态三维数值模拟。分析结果表明,莲塘隧道超大断面段采用双侧壁导坑法施工,连拱段采用中导洞法施工,小净距隧道左洞采用上下台阶法开挖,右洞采用CD法开挖为最合适开挖方案。     

胶州湾隧道浅埋分岔段的设计及施工关键技术

在胶州湾隧道工程中,为满足城市交通规划和区域交通疏导要求,采取设置地下分流匝道的设计方案。双车道匝道隧道与3车道主隧道在地下小角度交汇,形成分岔隧道。由于该分岔隧道段埋深浅、地层条件差、地面环境复杂,给设计和施工带来了不小的难度。通过工程类比、数值模拟分析等方法确定小净距隧道段范围,对变净距并行隧道中夹岩分区段采取扩挖换填混凝土、对拉锚杆等措施;在特大断面隧道段通过预注浆加固地层、加强初期支护,采用台阶分块开挖方案;施工中采用微震爆破技术,较好地保护了围岩,最终成功实现了此浅埋分岔隧道的快速施工。通过现场监控量测数据反馈分析,所采取的支护参数、工程措施、施工方案合理,确保了工程的安全、顺利建成。     

大断面黄土隧道三岔口区域前期变形分析及开挖优化

为提高大断面黄土隧道关键部位的施工安全,通过监测数据分析,总结宝兰客专14标多个三岔口的变形规律,指出主隧道中台阶开挖和仰拱浇筑分别是变形发展和变形控制的关键时期,由此预测了古城岭隧道3#斜井三岔口的最大变形,并优化了开挖方法,最终较好地控制了变形。     

单跨5车道公路隧道过渡“3+2”小净距隧道施工力学研究

厦门芦澳路与海沧疏港通道交叉处拟建一座地下互通式立交隧道,隧道分岔处由单洞5车道大跨段直接过渡至主洞3车道及匝道2车道的"3+2"小净距段,采取直接过渡的方式不设置连拱段,最大开挖跨度达到30.46m,最大开挖面积达450.41m~2。分岔隧道由大跨段直接过渡到小净距段决定了施工过程中非常复杂的工序转化,施工力学机制难以把控,分岔隧道围岩应力受隧道净距和断面形式的影响,分岔隧道的施工与支护结构设计面临诸多难题。通过三轴试验结合数值分析的方法对大跨段与小净距段交界处以及小净距隧道的施工力学进行研究,得出如下结论:1)现场取得的花岗岩试样属于弹脆性岩石,岩石处于三向受力状态时岩石强度和稳定性远大于双向受力状态,花岗岩试样弹性模量与围压呈正相关,结合Hoek-Brown强度准则以及Mohr-Coulomb强度准则对三轴试验结果进行修正得到现场岩体的物理力学参数。2)分岔隧道大跨段过渡至小净距段施工时,应及时对大跨段与小净距段交界面处围岩进行封闭,建议采用高性能喷射混凝土和工字钢支护,保证围岩尽快处于三向受力状态。3)小净距段隧道开挖对大跨段末端断面位移的影响主要是竖直方向,同时也会引起大跨段隧道末端初期支护不同程度的内力变化,其中左右拱脚处内力变化最为剧烈。主洞隧道施工对大跨段隧道内力和位移影响范围为掌子面后16m,匝道则为掌子面后12m。4)小净距段施工时,主洞和匝道隧道最佳纵向开挖间距为16m;当主匝隧道净距大于6m时,可作为独立单洞进行设计和施工。     

软土地层大断面矩形隧道结构施工力学行为监测与分析

为确保软土地层大断面矩形下穿隧道施工时的安全,以昆明轨道交通3号线区间浅埋暗挖隧道为依托,采用中导洞法,将全断面分成6个导洞按照先中间后两侧、先上面后下面的顺序施工,并采用现场监测和理论分析的方法对隧道支护结构受力进行全过程监控与分析。监测分析结果表明:在矩形隧道顶部与侧面设置超长大管棚条件下,隧道初期支护内力变化较小,因受不同导洞开挖扰动影响,隧道结构底部出现受拉现象,导洞(2)(中下导洞)、导洞(4)(左下导洞)和导洞(5)(右上导洞)对整体结构安全起决定性作用,需要重点监控;最大围岩接触应力出现在导洞(4)(左下导洞)底部,隧道4个角的围岩应力明显大于其他部位,需要加强隧道底部基础注浆,以提高地基承载力;临时支护应力受不同导洞开挖影响出现明显的波动,很好地反映各导洞施工过程中围岩应力释放的特征。     

大跨度无中导洞分岔隧道反挖施工关键技术研究

结合深圳东部过境高速公路连接线工程实际情况,提出了一种地下互通立交分岔节点矿山法隧道的反挖施工方法,用于不具备由大断面隧道段往分岔小断面隧道段施工的条件时,对隧道的地下互通立交分岔节点采用矿山法施工.该方法包括无中导洞连拱隧道施工、先导洞扩挖施工、主隧道反向开挖施工技术,可为类似的地层分岔隧道施工提供经验指导.     

软弱围岩双连拱隧道施工力学行为研究

建立了隧道穿越V级I型围岩地段的二维弹塑性有限元模型,进行施工力学的平面数值模拟,结合信息化施工监控信息及对大量的实测数据分析整理,探讨了上下台阶开挖方式对隧道中墙应力和衬砌的内力值影响。结果表明,现场各种量测数据可有效地指导施工,左右洞的施工顺序和上下台阶开挖方式均造成了中墙明显偏压,衬砌支护体系的锚杆最大拉力出现在隧道拱顶,软弱围岩应力场和位移场处于不间断的调整过程,研究成果为类似重要工程具有借鉴和指导意义。