在役膨胀岩隧道多次病害宏微观分析与治理

隧道开挖改变了围岩的渗流场和应力场,致使围岩的含水量分布发生改变,若遇到膨胀岩体,吸水膨胀失水收缩,产生裂隙,降低膨胀岩强度,膨胀压力显著增加,导致衬砌开裂及渗漏水,随着时间增加越来越严重,给隧道安全运营带来隐患,不能准确把握膨胀压力的变化规律,病害很难得到控制。本文以马岭头隧道为依托分析膨胀性围岩隧道病害的微观宏观机理,通过SEM和室内试验及数值模拟研究,发现膨胀岩含水率随时间升高(13. 3～18. 6%)膨胀岩层间吸水导致体积增大,凝聚力减少(60～20kPa),内摩擦角基本变化很小,膨胀力增加(32. 7～72. 3kPa,随着时间推移出现流变软化,衬砌内力也相应地增大(34. 5～387kN,12. 2～109. 9kN·m);对比2004年、2015年的整治设计,其轴力和弯矩均低于安全系数,提出采用复合式衬砌的整治措施和预测膨胀岩长期变形规律,达到根治隧道病害的目的,结论可为膨胀性围岩隧道设计施工提供参考依据。     

马岭头隧道膨胀性围岩的工程地质分析与治理

马岭头隧道通车3年后,发现K40+700～K40+950段左侧墙出现裂缝,经调查和勘察,揭露该段存在一层全风化泥岩,为软弱夹层,具有膨胀性,全风化泥岩的空间分布和裂缝位置等相当吻合,随后的分析和计算证实了全风化泥岩是导致隧道破坏的地质因素.有限元计算证实,全风化泥岩产生的变形压力和膨胀力直接作用在衬砌上,使衬砌受力严重不均匀,导致了隧道破坏.膨胀性岩作为一类特殊性围岩,其软弱性和膨胀性往往给工程造成较大的危害,工程建设应做到预防在前,治理在后,避免遭受更大的经济损失.     

中老铁路膨胀性盐岩地层隧道结构体系优化及施工技术探究

为解决膨胀性盐岩地层隧道修建时出现的大量衬砌裂缝、仰拱底鼓开裂等问题,同时为保证隧道后续快速安全施工及长期健康服役,采用现场调查、数值模拟和监控量测等方法,对膨胀性盐岩地层隧道结构及施工技术进行深入研究。研究结果表明:1)含盐地下水对混凝土的侵蚀引起的膨胀压力是原马蹄形隧道衬砌开裂的根本原因。2)250 k Pa的地层膨胀压力可大幅度增大围岩变形,但对隧道掌子面纵向挤压变形基本没有影响,可减小拱顶处的最大主应力,但会大幅度增大仰拱处最小主应力。3)多层支护可对洞周围岩变形起到积极的约束作用,也可明显减小掌子面纵向变形,对初期支护最大主应力基本无影响;无膨胀压力时,会引起墙脚最小主应力集中;有膨胀压力时,可减小其他部位的最小主应力。综合考虑围岩稳定性、支护受力以及施工成本控制等,膨胀性盐岩地层多层支护隧道施工宜采用二台阶法。现场实测证明采用3层衬砌、2层防水、全环注浆并施作隧底阻水榫后,围岩变形量小,衬砌未开裂。通过指数函数对围岩变形进行拟合,证明数值计算结果基本可靠。     

含水率差异对膨胀性红黏土隧道施工力学行为的影响

膨胀性红黏土因其特殊的水敏性,使得自身遇水膨胀,是造成隧道围岩失稳的重要原因。 为建立含水率与膨胀率的关系,从 而明确含水率变化对大断面膨胀性红黏土隧道及支护结构受力变形的影响,以银西高铁庆阳膨胀性红黏土隧道为研究背景,通过 现场监测确定围岩含水率波动范围;结合室内试验建立含水率与膨胀性和抗剪强度的对应关系;将土体含水率变化条件下的膨胀 关系同材料受热膨胀特性进行联系,利用ABAQUS内置的温度应力场模拟湿度应力场,分析不同含水率作用下隧道围岩压力、衬砌 结构内力与变形量值的重分布规律。 结果表明: 开挖后不同含水率最终趋于饱和时,随着初始含水率的降低,围岩及支护结构受 力增大,仰拱与拱脚处相对位移提高,拱顶、拱腰与边墙处相对位移降低,整体安全系数逐渐降低;对开挖后洞周平均含水率20.7% 而言,最终趋于饱和时围岩压力安全系数为2.2,衬砌安全系数为1.1,围岩相对位移为0.97%;相比于围岩压力和衬砌结构受力, 含水率变化对洞周围岩变形影响最大;基于特殊地质情况,建议将隧道预留变形量提至150~180 mm。     

膨胀性软岩隧道致灾机制研究与应用

隧道建设的规模和数量迅速发展,相关理论研究却相对不足,随着隧道越来越多地穿越诸如软弱围岩、溶洞等复杂、恶劣地质区域,对施工技术和理论研究的要求也更高,如何做到规避灾害,安全施工是大家一直关注的问题。以重庆市某公路隧道为依托,对穿越膨胀性软岩段隧道,提出不良地质构造与围岩条件、水的因素、不规则地应力以及工程因素等导致隧道灾害的因素,不同因素相互关联、相互影响,根据分析结果采取相应的防治方案来规避灾害。利用Poyting-Thomoson模型计算隧道围岩变形,与现场监控量测数据相结合,对隧道膨胀性软岩段的围岩变形做出预测,得出最佳二次衬砌支护时间。同时从初支二衬间的应力角度对膨胀性软岩进行了持续监测,表明了膨胀性软岩隧道段防治方案达到了预期目标。从致灾机制来分析隧道建设,可以更好地为工程决策服务。     

杜公岭隧道工程地质特征及工程危害性分析

为查清杜公岭隧道工程地质条件与隧道病害间的关系,通过对杜公岭隧道工程地质条件的论述,分析了隧道工程地质特征,探讨了各类地质因素对隧道工程的潜在危害与风险。结合杜公岭隧道工程建成运营后出现的隧道病害与检测情况,系统地分析了多种工程地质因素对隧道工程产生危害的作用机理。研究表明:杜公岭隧道工程地质危害性是由地层岩性、地下水、岩溶、地质构造等多种地质因素共同作用的结果。在这些影响因素中,地下水显化并加剧了隧址区各种工程地质因素,促使隧道围岩产生软化膨胀、隧道衬砌支护结构附加荷载增加、隧道衬砌混凝土结构遭受硫酸盐侵蚀等;岩溶为地下水的流通与汇集提供的途径,使得大气降水对其快速补给,并在局部区域汇集;围岩中的石膏岩在地下水的作用下产生膨胀,并为地下水的腐蚀提供了硫酸根离子供给;各类危害行为相继出现、互相交织,对隧道衬砌结构从不同的方面造成了损害,使其隧道衬砌呈现出不同的病害表现形式。因此,隧道工程的安全性与稳定性常受控于隧址区工程地质条件,而由于现有技术与人类认知的局限,无法实现对隧址区工程地质信息的透明化获取与工程危害性的精准预判,使得隧道工程建设常面临较高风险。     

围岩冻胀对隧道结构影响及锚杆整治对策

根据最近文献资料统计,季节冻土区隧道衬砌边墙出现纵向裂缝的案例越来越多,给隧道运营安全带来极大危害.采用理论分析和数值模拟方法研究了季节冻土区隧道冬季边墙衬砌开裂的原因及相应整治对策.结果 表明:(1)仅考虑嗣岩冻胀力荷载时,当冻胀力达到一定量值时,边墙中间位置会产生较大弯矩,会导致边墙混凝土衬砌产生裂缝,当考虑冻胀力荷载和围岩荷载共同作用时,围岩荷载会进一步加剧衬砌裂缝的发展程度;(2)计算得到的边墙拉应力最大值对应位置通常在轨面以上2～3 m处,与现场某隧道由围岩冻胀荷载导致衬砌开裂现象位置吻合;(3)当既有隧道内轮廓没有富余,不允许侵限的情况下,利用设置"被动型"抗拉全长锚同锚杆整治冻胀隧道病害的措施,可以有效抵抗围岩季节冻胀力荷载,防止边墙衬砌开裂现象的发生,确保隧道的运营安全.     

膨胀性围岩公路隧道设计施工研究

膨胀岩隧道由于其特殊的工程地质特性,成为当今地下工程界最复杂的研究课题之一.结合依托工程大华岭特长隧道中出现的膨胀岩,提出了膨胀性围岩隧道的支护结构和施工原则.应用弹塑性模型对膨胀岩隧道支护结构和施工过程进行了数值模拟计算,结果显示支护结构的初期支护及二次衬砌主要应力均在安全范围之内.     

破碎泥质岩隧道滞后形变与衬砌刚度关系规律试验研究

为了解破碎泥质岩隧道滞后变形与衬砌刚度的关系,以云桂铁路小寨隧道工程为依托,通过室内模型试验对小寨隧道实际开挖、支护及支护完成后围岩的劣化过程进行模拟,对围岩劣化过程中二次衬砌的围岩压力、位移及内力的变化规律进行研究。研究结果表明： 衬砌刚度对于控制泥质岩隧道滞后变形有着重要的影响; 二次衬砌的刚度越大,其承受的围岩压力及内力越大,则最大弯矩越大,容易出现开裂;针对小寨隧道的实际情况,30 cm的初期支护+I25b型钢钢架+40 cm的C35钢架混凝土二次衬砌是较优的支护结构设置。     

大断面公路隧道二次衬砌受力特性模型试验

为研究大断面公路隧道运营期二次衬砌受力特征,开展室内相似模型试验,采用主动加载方式模拟隧道在运营过程中承受的围岩压力,对3车道和加宽带2种断面二次衬砌受力、变形及破坏规律进行研究。试验结果表明： 1）按规范设计的大断面隧道衬砌结构在设计荷载作用下内力和变形均较小,结构具有较高的安全储备; 2）衬砌各截面内力（弯矩、轴力）随围岩压力的增加呈现先慢后快的增加趋势,偏心距则呈现逐渐减小的变化趋势; 3）开挖断面越大,内力控制截面越多; 4）开挖断面大小对衬砌变形及破坏形态也有一定影响,断面越大,拱顶、边墙变形越大,衬砌各部位开裂荷载差异越明显,且衬砌开裂过程持续时间越长。     

膨胀土隧道围岩长期变形预测与控制研究

膨胀土的变形影响路基、边坡、隧道围岩,导致工程病害,因此预测其变形规律非常重要。本文建立了一种能预测隧道长期变形的模型,包含流变性和含水率等因素,能较好的预测围岩变形和隧道病害,计算发现在隧道施工阶段变形占30%,在运营阶段变形占70%,变形较慢、时间周期较长,因此在隧道支护时,增设橡胶混凝土层的组合结构能有效地减小支护内力非常有利。     

季节性寒区隧道施工期围岩温度影响深度研究

季节性寒区隧道在冬季通常气候条件恶劣,常面临冻害问题,进而对隧道的施工和运营的安全造成威胁。通过数值模拟探究了某季节性寒区隧道冬季施工期温度分布规律及围岩温度影响深度的影响因素。研究结果表明:隧道已施作二次衬砌区段和未施作二次衬砌区段的围岩温度影响深度分别为9m、10m,未施作二次衬砌区段围岩对温度变化较敏感。对于已施作二次衬砌区段,温度影响深度大致相同,并且随开挖长度增加而减小,随进口风速的增大而增大,随围岩与外界温差增大而增大。对于没有施作二次衬砌区段,围岩的温度影响深度随隧道开挖长度增加减小,随围岩与洞外温差增大而增大,但不受进口风速影响。     

城市高层建筑近接地铁隧道施工的影响研究

为研究近接地铁隧道高层建筑施工对既有隧道稳定性的影响,以重庆市某近接地铁隧道高层建筑为例,利用大型有限元计算软件Midas-GTS建立三维有限元计算模型并开展数值模拟。数值模拟中采用的施工工序与实际工程一致,着重分析高层建筑施工各个阶段围岩变形,衬砌位移、内力的变化规律。研究结果表明:建筑物修建对左线隧道影响显著大于右线隧道;隧道衬砌最大变形出现在基坑开挖阶段,最大水平、竖向位移分别为1.45、3.64 mm;由于建筑物与隧道斜交,左、右线隧道最大位移出现断面有所不同,但均出现在距模型正面40~60 m范围内;衬砌内力随建筑物施工呈先减小后增大的趋势,基坑开挖阶段左隧道衬砌内力较隧道开挖完成时降低了15.5%。研究结果可为类似工程提供一定的依据和指导。     

钻爆法双层隧道的衬砌结构设计与分析

以某钻爆法双层隧道项目为例,采用同济曙光、midas Civil结构设计软件对隧道二次衬砌进行建模分析。通过研究车道板、车辆荷载及围岩级别对衬砌结构的影响,得到主要结论:车道板及车辆荷载作用对双层隧道衬砌结构的影响不可忽略;对于围岩级别较差或浅埋隧道,车道板可有效控制衬砌边墙的变形,并大幅减小衬砌结构内力峰值;对于围岩级别较好或深埋隧道,车道板无法改善衬砌结构内力,甚至导致内力水平增加。     

围岩蠕变对运营隧道衬砌安全性的影响

为探究在软弱围岩隧道运营期间围岩蠕变效应对二次衬砌安全性的影响,以九景高速公路隧道为依托,以Ⅳ级围岩区段二次衬砌支护结构为研究对象,采用室内试验和数值模拟手段,首先对该围岩区段泥质粉砂岩在不同应力水平下的单轴蠕变特性进行了室内试验分析,并采用Cvisc模型对蠕变试验数据进行了非线性拟合,获得了Cvisc模型的蠕变参数。然后,利用FLAC3D软件建立了两车道公路隧道三维数值模型,研究了单考虑围岩蠕变作用和同时考虑隧道埋深对运营隧道衬砌结构安全性的影响。结果表明:非线性拟合相关性系数在0.92～0.96之间,可认为Cvisc模型能够很好地描述泥质粉砂岩的衰减蠕变和稳定蠕变关系;单考虑围岩蠕变作用,在同一支护时间,二次衬砌安全系数较高的位置支护结构承受的围岩压力相对较小,围岩的蠕变变形量较大,但过小的支护承载又会导致围岩蠕变变形而增加围岩压力,进而不利于运营隧道衬砌结构的长期安全;同时考虑隧道埋深的影响,二次衬砌支护结构的承载随着隧道埋深的增加而减小,即围岩自身能够承担较大部分的因蠕变变形而增加的围岩压力,从而对运营隧道衬砌结构的长期安全有利。     

家竹箐隧道煤系地层段病害特征及成因分析

家竹箐隧道自1997年建成运营以来,分别于2003年和2013年在煤系地层段发现有衬砌开裂、剥落、掉块、渗水等病害。对病害原因进行调查、分析,主要结论及建议如下:1)隧道的2次病害均发生在大变形处理与非处理的过渡段,病害以衬砌裂损为主;2)隧道区地应力是持续发展、聚集、提高的,既有大变形段的小里程端是地应力的主要聚集、作用区;3)区域构造产生的地应力作用是造成隧道病害的主要原因,围岩软弱、结构偏弱是次要原因;4)预计构造运动造成该隧道煤系地层段地应力的聚集、作用并导致病害的产生存在着6~10年的周期性;5)建议类似地质条件下软质岩高地应力大变形隧道设计及施工加强措施的地段应扩展到大变形两侧一定范围。     

扬州瘦西湖盾构隧道衬砌结构受力的现场试验研究

以扬州瘦西湖盾构隧道为背景,对管片衬砌结构在施工期和后期的结构荷载和内力进行现场追踪试验,探讨施工阶段同步注浆对隧道衬砌结构受力的影响,总结隧道衬砌结构荷载和内力在施工阶段随时间的变化规律。研究结果表明:现场测试方法可以较为全面准确地得到隧道衬砌结构荷载和内力在施工期的分布;衬砌结构荷载总体随时间呈先减低后趋于平稳的规律,施工期的注浆作用会使衬砌结构荷载大于稳定后的结构荷载;衬砌结构内力在注浆阶段不稳定,注浆作用对结构的轴力影响较大。     

某超小净距隧道施工过程分析及研究

该文通过模拟某超小净距隧道在V级围岩条件下的施工过程,针对主洞拱顶处、中夹岩处围岩变形值及支护内力值对拉锚杆内力值随开挖过程的变化趋势,提出了小净距隧道初期支护、中夹岩的设计思路及施工中的监测重点。此外,利用承载拱理论推导出小净距隧道中夹岩及二次衬砌的受力模型。共成果可为今后类似研究提供一定的借鉴。     

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。     

大干溪I号隧道衬砌水压力分析

在岩溶富水地段,隧道衬砌实际上处在围岩应力场和渗透渗流场双场之中,渗流场的存在会导致围岩自稳能力降低,从而增加了围岩对衬砌的压力,同时渗流场的存在也会对隧道衬砌产生了渗透压力,研究了大干溪Ⅰ号隧道衬砌水压力,探讨了在渗流场和围岩应力场相互耦合作用下衬砌内力的变化情况,对富水段隧道衬砌的设计和施工有一定的借鉴意义。