黄土隧道三台阶施工预制临时仰拱技术及应用研究

为解决隧道临时支护结构施作耗时长、拆除后难以利用的难题,提出一种可重复使用的预制临时仰拱设计与施工方案,并在黄土隧道三台阶七步法中进行应用试验。通过对比现场光纤光栅传感器测试数据和数值模拟结果,对预制临时仰拱实施效果进行研究。研究结果表明:1)预制临时仰拱制作简单、拼装快速并可重复应用,可在大断面隧道三台阶临时仰拱七步施工方法中快速形成临时仰拱,使中台阶开挖后初期支护体系临时封闭成环;2)与传统三台阶七步开挖施工方案相比,采用"三台阶七步开挖+预制临时仰拱"方法可以有效改善大断面黄土隧道施工中初期支护结构受力与变形,其中初期支护结构最大主应变降低约72%,拱顶沉降降低约78%;3)设置预制临时仰拱使中台阶封闭成环,可以很好的改善初期支护结构与围岩的相互作用性能,有效减小隧道开挖后围岩塑性变形范围,保证隧道施工安全。     

基于正交试验的软岩隧道围岩稳定性影响因素敏感度分析

基于某供水专用软岩隧道,采用正交试验法对其围岩稳定性影响因素进行敏感度分析,确定影响拱顶沉降、仰拱隆起和水平位移的主要因素,分析各因素对软岩隧道围岩稳定性的影响。结果表明：提高支护结构混凝土等级和厚度可减小拱顶沉降量,支护施工距离的增加会导致拱顶沉降量、仰拱隆起量逐渐增加,采用全断面法开挖可使拱顶沉降和仰拱隆起最小化;混凝土等级是影响水平位移结果的最显著因素,支护施工距离和开挖方案的影响次之,混凝土厚度是影响水平位移结果的较弱因素。提出优化施工方案,建模分析并通过现场监测进行验证。     

CD和CRD法施工下超大断面隧道围岩变形控制数值计算研究

为研究超大断面隧道围岩变形控制机制,系统开展CD及CRD开挖工法下不同支护方式的数值计算,研究了不同支护方案随围岩强度等级变化对隧道拱顶位移、围岩塑性区应变的影响规律,明确了CRD开挖工法下不同临时支护拆除顺序对隧道围岩稳定性影响规律。通过对结果进行对比分析可知:采用CRD开挖方法比CD法、I22b型钢拱架支护比I18拱架都具有更好的围岩控制效果,且围岩等级越差,控制效果差异越大;考虑到拱顶沉降安全值,采用I18型钢拱架在经济性和施工安全性及便捷性方面具有良好的可行性;采用先临时仰拱,后临时支撑拆除顺序对整个隧道围岩稳定性效果最好。     

浅埋暗挖隧道下穿既有高速公路数值分析

基于南翔西路隧道下穿既有全三高速公路工程,采用FLAC3D数值分析手段对隧道三导洞开挖法施工过程中围岩应力场和位移场、初期支护内力分布情况、地表沉降情况进行了分析研究,得到了隧道施工完毕后,初期支护大管棚起着良好的支护效果,围岩应力集中区局限在拱部一定范围内。隧道三导洞法施工对拱部影响较大,各个分部开挖后周边围岩均有应力集中现象,但应力变化梯度不大。隧道临时支护拆除前地表沉降最大值23mm,临时支护拆除后地表沉降最大值45mm。隧道仰拱向上隆起30mm。隧道开挖后,隧道周边围岩位移不显著,满足规范要求。地表沉降最大值位置为隧道中线,对应地表沉降槽宽度为50m,影响范围为隧道中线左右各25m。初期支护拱部素混凝土安全系数满足施工安全要求。相关结论对类似工程的设计、研究具有一定的指导作用。     

超浅埋大断面滨海软土隧道施工工法研究

拱北隧道为一座滨海软土隧道,开挖断面达340 m2,采用超前管幕预支护下的多台阶分部开挖方案。采用ANSYS软件对五台阶15分区方案和四台阶8分区方案的隧道结构受力规律及安全性进行了数值研究。研究结果表明:1)采用五台阶15分区方案和四台阶8分区方案都能够满足结构安全要求,但在临时支撑拆除过程中,2种方案的施工安全性差异较大;2)四台阶8分区方案在下半断面临时支撑拆除后、三次衬砌尚未施作时,下半断面边墙及仰拱处的初期支护和二次衬砌受力较大,施工安全性较低;3)各部开挖后应及时施作初期支护,并应尽快施作第2层衬砌结构,以减小拱顶下沉和地表沉降。     

大断面隧道双侧壁导坑法数值建模及力学特性分析

依托广西百色达康隧道实际工程,简化隧道施工模型,通过FLAC 3D数值模拟软件构建了隧道施工动态三维模型,模拟了大断面隧道采用双侧壁导坑法施工流程,得到在不同施工步骤时隧道围岩应力、变形,以及隧道衬砌的轴力、弯矩变化情况,探究动态施工过程中围岩变形规律和支护结构受力变化规律,并且分析了隧道向前掘进时距掌子面不同距离的断面拱顶、拱底的变形量,分析了其变化规律,对双侧壁导坑法施工时超前支护与施工量测具有参考作用。数值分析结果表明,隧道开挖过程中隧道拱顶底达到竖直位移极值,左、右拱腰处产生水平位移极值;隧道开挖对前方围岩影响范围大约为隧道跨度;隧道衬砌轴力与弯矩最大值均出现在左侧导洞初期支护中期支护中部偏上,二衬拱脚两侧和隧道洞室顶部和仰拱处,所受内力较大。     

宝兰铁路苏家川大断面黄土隧道三台阶施工变形控制技术

为研究第三纪砂质黄土条件下的大断面隧道施工变形控制技术,以宝兰铁路大断面黄土隧道施工为依托,通过midas数值模拟软件对比分析不同仰拱封闭距离引起拱顶沉降实测数据,阐述大断面黄土隧道施工变形规律,以确定其合理的仰拱封闭距离为35 m;采用三台阶临时仰拱法,合理控制开挖步距:上台阶为0.6 m,中台阶和下台阶为1.2 m;辅以注浆小导管超前支护和锁脚锚杆加固等技术措施,达到了很好的变形控制效果,最大沉降控制为50~160 mm;通过分析不同隧道断面净空变形规律,总结第三纪砂质黄土地质条件下,大断面黄土隧道施工预留变形量可取120~160 mm。     

高地应力软岩隧道圆形断面扩挖施工围岩及支护受力特征研究

针对高地应力软岩隧道开挖时围岩大变形问题,以某隧道圆形扩挖段为背景,采用三台阶法施工和3层初期支护+小导管注浆+二次衬砌的复合结构支护,并通过现场监测、数值模拟和理论计算研究开挖过程中的围岩变形及支护结构受力。结果表明:上、中台阶开挖时的隧道围岩变形速率较大,在仰拱封闭和第3层初期支护施作完成后,隧道变形趋于稳定;采用3层初期支护结构可有效改善隧道周边围岩应力,3层初期支护基本都是受压结构,拱腰和边墙处竖向应力最大,拱顶处水平应力最大;二次衬砌拱腰、拱顶、拱脚和边墙处安全系数均大于规范要求,保证隧道结构安全。     

大断面黄土隧道台阶法施工数值模拟研究

针对新建忻州隧道工程,运用有限元通用软件ANSYS,对大断面黄土隧道采用台阶法施工的过程进行数值模拟,探讨了采用台阶法施工隧道的围岩、初期支护及二次衬砌应力场和位移场随施工步的变化规律。在此基础上,研究了隧道初期支护、二次衬砌的支护效果以及隧道开挖对已施作初期支护受力及变形的影响。结果表明:①隧道施作初支有利于降低地层压应力,减小隧道变形;施作二衬能有效降低地层和初支的主应力,对隧道变形影响不大;②隧道的进一步开挖将导致已施作初支的压应力及位移值增大,使初支处于更危险的状态。     

特大断面隧道原位扩建的施工力学特性分析

以金鸡山特大断面隧道原位扩建工程为背景，介绍了核心五步法的原位扩挖方案，并通过数值模拟与现场监测手段，分析了特大断面隧道原位扩建的施工力学特性。结果表明:目标断面附近掌子面右上、左上部围岩开挖，以及临时竖撑拆除、仰拱回填，使得拱顶沉降显著增大。同时临时竖撑的支承作用，使得作用在衬砌拱顶与拱底处的围岩压力较集中，而先右后左的扩挖方案使得衬砌右侧围岩压力明显大于左侧。金鸡山隧道原位扩建施工过程中，对目标断面的拱顶沉降和水平收敛进行了长期跟踪监测，其结果与数值模拟较为吻合。     

米拉山隧道凝灰岩开挖与支护力学特性研究

通过对实测数据分析可知,米拉山隧道凝灰岩遇水软化对围岩的变形影响很显著,为此,采用数值模拟方法对米拉山隧道凝灰岩开挖与支护力学特性进行了研究,获得了在不同时期围岩遇水软化和各分步开挖阶段围岩的位移、应力场变化规律,支护衬砌结构的变形、应力分布及内力分布情况。围岩遇水软化后,由于隧道的变形,锚杆与围岩发生相对滑动,锚杆嵌入隧道围岩,隧道变形大的部位也是锚杆受力大的部位,同时该部位锚杆与围岩的相对滑动也最大。隧道下台阶一次性开挖后施作的锚杆受力左右成对称分布,下台阶左右分步开挖施作的锚杆受力成不对称分布,后面施作的锚杆受力小于前面施作的锚杆受力。隧道围岩遇水软化后初期支护发生整体下沉,沉降量由拱脚向拱肩逐渐增大,拱顶沉降相对小于拱肩沉降;通过对不同阶段隧道围岩遇水软化下二次衬砌和仰拱的受力分析,发现在围岩软化的情况下进行隧道的开挖时,下台阶一次性开挖、仰拱一次性施作对隧道的安全性和稳定性方面都有提高,并得出不同阶段隧道围岩遇水软化隧道在后期运营阶段均处于安全状态。     

浅埋偏压软弱围岩隧道施工技术

浅埋偏压软弱围岩隧道若围岩为全风化岩,土体较为松散,围岩自稳能力较差,隧道开挖后容易出现塌方、冒顶等灾害,施工中隧道预留沉降量极难把控,即使开挖完成后也容易出现初期支护变形量较大,导致二次衬砌断面不足。京福铁路闽赣五标段金岭头隧道和童游隧道洞口段地质条件为全风化云母石英片岩,呈砂土状,地下水为孔隙裂隙水,施工中合理选用六部CD法、三台阶临时仰拱法和加强临时支护、反压回填等措施,控制了围岩和初期支护变形,保证了盾构能安全地通过风险地段。     

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。     

基于数值模拟的隧道仰拱优化分析

为了确定在III2级围岩隧道中是否可以取消仰拱的设置,采用FLAC3D有限差分软件,对III2级围岩情况下的平底隧道(模型1)和仰拱隧道(模型2)这2种隧道底部支护形式进行了数值模拟和研究,通过对隧道开挖支护过程结束后目标断面的围岩竖向位移、围岩竖向应力特点、二次衬砌变形这3个方面进行分析比较,结果表明,III2级围岩隧道取消仰拱,采用平底结构,隧道二次砌衬能够保持稳定性,也满足隧道对二次砌衬安全储备的要求。     

岗岭隧道穿越破碎带的衬砌结构性能研究

小净距隧道穿越破碎带时引发的围岩大变形给衬砌等支护结构的性能带来了严峻的挑战,亟需开展施工过程中的衬砌性能评价研究。基于此,采用基于收敛-约束法的纵向位移剖面(LDP)法和强度校核法等理论分析方法,并结合数值模拟技术研究了岗岭小净距隧道穿越破碎带时围岩稳定与衬砌支护性能。结果表明：采用基于收敛-约束的LDP方法,可有效确定围岩衬砌合理支护时机对应的破碎带和完整岩体的不同反力系数,使得破碎带围岩的开挖变形量值从24 mm降低至7 mm,且避免了小净距隧道中夹岩塑性区贯通破坏;针对破碎带和完整岩体分界处出现的衬砌拉弯和压弯破坏现象,提出了临时素混凝土仰拱的施工支护优化方案,使得衬砌混凝土弯矩从0.1 MN·m减低到0.06 MN·m,约减少了40%,有效改善了衬砌的受力状态,提高了衬砌混凝土的安全性能,安全系数从1.0增加到1.25;提出了岗岭隧道安全施工的衬砌初凝强度阈值为60%的最终强度,此时衬砌混凝土的安全系数约为1.03。相关研究成果可为小净距隧道的施工工艺和支护设计提供参考。     

复合式衬砌隧道总安全系数设计法修正与应用研究

为评价复合式衬砌这一整体结构的安全性，对以往所建立的复合式衬砌隧道总安全系数设计法的不合理之处进行修正，并再次分析不同铁路隧道的安全性，同时与挪威Q法支护参数进行对比，最后结合案例说明该方法在断面形式比选方面的应用。结果表明： 1）所建立的总安全系数设计法可以为初期支护和复合式衬砌的支护构件选择、量化设计和整体优化设计提供一定的理论基础。2）采用总安全系数设计法对不同铁路隧道安全系数计算的结果与现场实际施工情况、既有隧道病害情况基本相符。3）挪威Q法提出的支护参数如果用于我国时速350 km的高速铁路双线隧道，Ⅲ、Ⅳ级围岩总安全系数满足要求且较为经济，但Ⅴ级围岩安全系数偏低；采用耐久性锚杆有利于充分发挥锚杆-围岩承载拱的支护作用，从而可以减少喷层和二次衬砌的强度，提高经济性。4）总安全系数设计法可以用于隧道断面形式与支护参数的精细比选。     

杜公岭隧道衬砌结构加固方案优化研究

针对杜公岭隧道既有初期支护出现的碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀现象,采用数值计算方法分析了该腐蚀现象对病害处治措施安全性的影响,并通过测试隧道病害处治范围内衬砌结构与围岩的矿物成分确定了衬砌结构优化加固方案的范围。计算结果表明:在既有初支发生硫酸盐侵蚀失去承载能力条件下,仅置换二衬时,二衬结构拱脚、边墙关键位置的安全系数较小(最小1.44)、裂缝宽度较大(最大1.23 mm);采用二衬嵌拱方案时,二衬嵌拱结构拱脚、边墙、拱腰、墙脚等位置的安全系数很小(最小0.14);当二衬结构和初期支护同时置换,且新施作初期支护不出现腐蚀劣化时,新施作二衬结构的安全系数(最小2.23)和裂缝宽度(最大0.14 mm)。衬砌结构和围岩的矿物成分测试结果表明:碳硫硅钙石在既有衬砌结构中已广泛分布或正在侵蚀。依据数值计算与矿物成分测试成果,杜公岭隧道病害处治区段内的二衬与初支全部采用置换为抗硫酸盐混凝土结构,围岩采用锚杆进行加固,对于未设仰拱断面均增设仰拱支护。经施工后检测与长期监测,杜公岭隧道衬砌结构加固方案的处治效果良好。     

黄土塬区浅埋大断面隧道施工变形分析与控制技术

针对黄土塬区浅埋大断面隧道开挖过程中，地表水沿着裂隙、黄土节理下渗导致地表沉陷、纵横向地表裂缝及初期支护结构破坏等问题，基于三维地质仿真模型方法，进行初期支护受力特征和变形规律分析，并模拟分析地层改良效果。结果表明： 1）隧道拱部为支护结构受力最薄弱区，表现为拱顶衬砌下表面拉应力和剪应力值大，当埋深为10～15 m时下台阶至仰拱开挖阶段随含水率增加拱顶沉降变形量剧增，且累计沉降量＞250 mm时隧道结构最不安全，易产生环向张拉裂缝； 2）地表注浆能有效改善黄土的结构性能，有效控制地表沉降和围岩变形。     

暗挖大断面隧道临时支撑拆除及衬砌施工方法

由于深圳地铁8号线一期工程的深外高中站采用明、暗挖结合的方式施工,其中暗挖大断面隧道采用双侧壁导坑法进行开挖支护,但是在施作仰拱和二衬时,拆除临时支撑的工序繁杂,体系频繁转换,使结构受力复杂多变,且施工效率极低,因此在保证施工质量和安全的前提下,优化临时支撑的拆除顺序及衬砌施工方法,形成了一套暗挖大断面隧道临时支撑拆除及衬砌施工工艺。     

导坑在大跨度隧道施工中的影响分析

结合某大跨度城市交通隧道建设,通过二维弹塑性有限元数值模拟,对大跨度隧道施工中采用单侧壁导坑法时，导坑断面形状及大小对隧道地表沉降、拱顶沉降、仰拱隆起及支护受力的影响进行了研究,为隧道设计和施工提供了科学依据。