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。     

黄土公路隧道富水段支护结构的受力特性分析

为了解黄土公路隧道浅埋富水段围岩压力及衬砌受力的特性,对甘泉隧道富水段一次衬砌和仰拱围岩压力、钢拱架应力、一次衬砌和二次衬砌接触压力以及仰拱和二次衬砌混凝土的应力应变随时间变化规律进行施工检测.结果表明:围岩与一次衬砌接触压力分布不均匀,边墙底部表现出了较大压力,钢拱架受力分布不均,但总体上受力很大,最大应力已接近钢材...     

石林隧道支护结构破坏特征及其机理分析

石林隧道位于永宁高速公路的永安段,地质条件复杂,构造应力偏高,富水,断层褶皱发育,岩体软弱破碎,隧道基底强度低,围岩自稳能力极差。当隧道开挖后,围岩产生强烈变形、主要表现为拱顶沉降大,累计沉降达1.2 m;支护结构被严重破坏,喷射混凝土层出现开裂和剥落,工字钢拱架被压变形;同时,仰拱出现上拱现象,并伴随较大面积的裂缝出现;同一隧道段,二次衬砌还发生了严重的纵向和横向开裂。从围岩强度条件、地下水作用、构造应力条件以及隧道变形破坏特征等方面,分析了隧道支护结构变形破坏的根本原因和机制,并进行了相关的理论计算,认为它是隧道开挖卸荷后,围岩强度低、纵向承载力差异、塑性流动与膨胀等共同作用的结果。基于对隧道围岩变形破坏机理分析后,针对病害采取了一系列的治理措施,确保隧道顺利贯通,同时也可为类似工程的处置提供参考借鉴。     

高地应力深埋层状围岩隧道非对称变形受力机制研究

为深入研究高地应力层状围岩中隧道和支护结构的非对称变形受力特性和机制,以绵茂公路篮家岩隧道为工程背景,采用现场监测和数值模拟相结合的方法,研究不同层理角度和地应力方向下隧道变形、钢拱架应力以及二次衬砌弯矩和轴力的变化规律。结果表明： 1）层状围岩中隧道结构受力的最不利位置常出现在层理面法向方向; 2）隧道的非对称变形机制在于地应力对层理面产生的法向挤压作用和切向滑移作用,当层理面角度缓倾时,隧道拱顶和拱底承受较大挤出变形,当层理面角度陡倾时,地应力方向与层理面夹角越小,隧道衬砌在主应力作用位置产生的滑移变形越大。最后,根据层状围岩隧道变形和衬砌受力特征,提出合理的支护优化措施。     

特大断面隧道软弱钙质板岩大变形处治研究

以玉楚高速齐云特大断面隧道左幅K32+126～K32+210段软弱的灰色、深灰色钙质板岩大变形处治为背景,采用现场测量隧道拱顶下沉和围岩与初期支护间压力的方法,对特大断面隧道软弱的灰色、深灰色钙质板岩大变形处治技术进行探讨。结合国内外先进施工理念和施工经验,通过在已发生大变形段的初期支护外侧增设间距60 cm的I18工字钢,在左右侧拱腰部位各打设3根6 m长的?42 mm×4 mm的注浆小导管,挂设间距15 cm×15 cm的双层?8 mm钢筋网片,喷25 cm厚的C25混凝土进行封闭的护拱,阻止了初期支护大变形的发展;将未施工段初期支护参数中工字钢由I22b调整为I25a工字钢,开挖采用环形开挖留核心土法,适合软弱的灰色、深灰色钙质板岩隧道围岩的施工。换拱时对换拱部位打设?42 mm×4 mm小导管并注浆加固,小导管单根长4.5 m,按0.5 m×0.5 m间距梅花形布置,与原有径向锚杆错孔布置,注浆压力应控制在2～3 MPa,将原设计初期支护参数中的工字钢由I22b调整为I25a,钢支撑间的连接由?20 mm钢筋变成I16工字钢,工字钢环向间距100 cm,交错布置并形成"八"字形,喷射混凝土厚度由29 cm调整为31 cm,将二次衬砌支护参数中的环向主筋由直径25 mm调整为28 mm,防水混凝土由C30调整为C35,每次拆换一榀钢支撑,隧道换拱设计和施工方法适合已经产生大变形的软弱灰色、深灰色钙质板岩隧道围岩换拱。齐云隧道成功解决了特大断面隧道软弱的灰色、深灰色钙质板岩大变形的处治,为类似工程提供借鉴。     

兰渝铁路木寨岭隧道岭脊核心段扩拆技术

为解决极高地应力作用下兰渝铁路木寨岭隧道岭脊核心地段大变形的问题,分析岭脊核心地段围岩流变和衬砌开裂的原因,提出岭脊核心段衬砌开裂扩拆技术： 设置套拱加固、围岩径向加固、加强支护刚度、优化隧道断面结构、严格控制各工序施工步距、调整隧道变形预留量。对台架法和洞碴回填机械开挖法2种扩拆方法进行比选,选取洞碴回填机械开挖法进行扩拆。重点介绍洞碴回填机械开挖法施工技术和施工组织,并对支护结构变形和受力进行监测,结果表明： 采用洞碴回填机械开挖法扩拆施工安全,支护结构变形在预计范围、无侵限,二次衬砌结构稳定、无开裂。     

隧道软弱围岩的卸荷特征与大变形控制研究

隧道软弱围岩大变形往往表现出时效性的流变变形特征,对此特征提出了一种环状间隔式衬砌与主动性卸载相结合的永久性支护理念。在合理的简化下建立了隧道衬砌段与非衬砌段的隧道力学分析模型,并在围岩常用蠕变模型、Mohr-Coulomb强度准则和非关联塑性流动法则基础上,对支护段围岩进行黏弹塑性求解,得到了围岩的黏弹塑性变形位移解。在参考现有围岩应力释放模型并确定无支护段围岩应力释放系数之后,对无支护隧道段围岩进行求解,得到了围岩的黏弹塑性变形位移表达式,建立了未支护洞段围岩位移与支护洞段围岩压力的关系。算例分析表明,理论分析与实际工程中围岩的应力和位移的变化是相吻合的。     

隧道涌水段不良地质探测及围岩变形规律研究

在富水地层中开挖隧道出现涌水事故后,若继续盲目施工易引发隧道坍塌,此时应停止开挖,探明涌水段周围地质条件与岩体变形。以大奎隧道右线出口处涌水事故为背景,从地质雷达和变形监测2方面进行研究分析。地质雷达探测结果显示隧道底板左下方2.5 m处存在承压水层,且隧道衬砌背后存在巨大暗道。变形监测表明多个里程断面岩体变形超过50 mm,高于规范要求的安全界限。基于探测结果,提出了混凝土回填、超前注浆止水及架立钢支撑支护的处理方案,涌水段围岩变形最终得到了控制。     

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。     

基于地应力边界条件的隧道支护设计研究

利用套孔应力解除技术对欲开挖隧道周边岩体进行了地应力测试,以地应力结果为应力边界条件,按照四步施工顺序对该隧道进行了不同支护形式的数值计算。计算结果表明,在强大的地应力和自重应力共同作用下,如果不加任何支护,此隧道无法自稳,近乎发生坍塌,施工无法继续;只加衬砌支护,隧道虽没有坍塌,但朝向隧道临空面发生较大变形,处于危险边缘;采用衬砌基础上的锚杆双支护形式,每一步施工都得到了理想中的结果,隧道能保持原有设计形状不改变。     

缓倾砂岩夹泥岩隧道岩爆段初期支护变形特征及控制技术研究——以蒙华铁路段家坪隧道为例

针对蒙华铁路段家坪隧道岩爆段初期支护在较小变形下发生破坏现象,通过室内试验、超前地质预报、地应力测试等技术手段,分别揭示洞周围岩强度、掌子面前方地质情况和初始地应力状态,同时对初期支护变形破坏特征进行归纳总结并分析成因,得出： 围岩特性、地质构造特征、工法是影响初期支护变形破坏的重要因素,局部水平向高地应力是主因。采取增强支护参数、增设缓冲层、锚杆+加筋底板、加装阻尼器等技术措施控制初期支护变形破坏。研究结果表明： 1）以水平构造应力为主的高初始地应力条件下,若隧道洞身围岩竖向节理发育,开挖宜首选二台阶法。2）拱部及仰拱初期支护混凝土破坏类型为剪压破坏,格栅钢架主筋破坏类型为偏心受压屈曲。3）以水平构造应力为主的高初始地应力状态下,宜根据围岩特性、支护原理及现场实际选择相应的技术措施。     

公路隧道软弱破碎围岩高强钢筋格栅拱架支护性能研究

软弱破碎地层围岩稳定性差,与支护间接触压力大,支护结构应力状态复杂,因此支护结构的支护性能是满足隧道施工及运营期安全与稳定的重要保障。高强钢筋格栅拱架是以高强钢筋为主材的一种格栅拱架形式,具有支护强度高,与混凝土黏结性好,重量轻等诸多优点,但其在公路隧道软弱破碎围岩中的支护性能仍有待考量。为此,结合圆管弹性应变理论推导出的支护刚度计算公式,对不同拱架结构进行等截面换算,得出高强钢筋格栅拱架和型钢拱架的支护特征曲线;采用有限元数值计算方法将钢拱架与混凝土分部建模,进一步分析2种支护拱架的力学特性和变形特征;最后在现场开展对比试验,通过监测沉降收敛位移、围岩压力、拱架应力,分析施工中高强钢筋格栅拱架的支护性能。理论验算和数值分析结果表明,高强钢筋格栅拱架与I20b型钢拱架的极限承载力基本相同,但高强钢筋格栅拱架支护刚度相较I20b型钢拱架弱,I20b型钢拱架对变形控制能力更强;现场对比试验结果显示,2种支护拱架产生的收敛变形相差不多,且围岩接触压力分布规律基本相同,高强钢筋格栅相较I20b型钢拱架的承载应力更高,但远小于材料本身屈服强度;此外,现场施工表明采用高强钢筋格栅拱架能有效提升人工支护作业效率,对于特长公路隧道快速施工具有更好的应用价值。综合分析,高强钢筋格栅拱架在软弱破碎地层能够提供与I20b型钢拱架相近的支护抗力,适用作特长公路隧道软弱破碎围岩的初期支护拱架结构。     

绿泥石片岩地层大跨度公路隧道大变形控制及合理支护形式现场试验

为了探索绿泥石片岩地层大跨度公路隧道大变形控制技术及合理支护形式,以陕西省宝(鸡)汉(中)高速公路连城山隧道工程为依托,针对采用单层I22b、双层I22b和双层HK200b钢架的3种初期支护形式,通过对围岩变形和支护结构受力进行现场量测,对比分析了不同初期支护形式的变形控制效果,提出了大跨度公路隧道软岩大变形控制方法和支护体系。研究结果表明:“大预留+双层HK200b钢架分次强支护+大管径长锁脚锚管+深仰拱”联合支护体系能有效控制隧道大变形灾害,避免初期支护变形侵限及频繁拆换拱;该支护体系中第1层初期支护钢架的刚度不宜太弱,以避免因其刚度不足导致的局部失稳和局部拆换问题;试验断面第2层初期支护的接触压力约占第1层初期支护围岩压力的61%,二次衬砌接触压力约占第1层初期支护围岩压力的40%;调整仰拱曲率对于优化结构受力和防治仰拱底鼓作用显著;基于对连城山隧道试验断面围岩压力和径向位移的统计分析,建立了不同支护阶段和不同刚度下的围岩-支护特征曲线,揭示了围岩与支护的相互动态作用机制和“多层分次强支护”大变形控制方法的支护作用机制;结合连城山隧道大变形处置实践,总结提出了“三台阶留核心土法+大预留、多层、分次支护+大管径长锁脚锚管+深仰拱”的大变形控制技术、“不侵限、不换拱、不破坏压密区”的大变形防控理念及“大断面、少分步、快挖快支”的施工原则。研究成果可为类似软岩隧道大变形控制提供重要借鉴。     

板岩隧道顺层塌方分析及预防失稳措施研究

为避免板岩隧道围岩楔形体掉块和顺层塌方的发生,针对板岩的力学性质和变形特性,从隧道施工方面对板岩隧道围岩的工程特性和易形成塌方的地质构造类型进行总结,并以半山隧道初期支护长段落顺层塌方为例进行深入的分析和研究。结果认为:当顺层构造岩层和节理产状与隧道走向夹角较小、多组节理相互切割与岩层面形成不利结构面组合长段落斜穿隧道时,受施工开挖爆破震动、地下水浸润、重力作用以及大断面开挖形成临空面的影响,围岩及支护结构局部薄弱处出现失稳破坏,由于牵引作用不断扩大并持续发展造成较长段落的坍塌。最后,提出了顺层构造、节理密集带和隧道开挖后不利结构面组合对围岩稳定性的影响分析方法,针对板岩地质隧道施工提出了预防围岩失稳的措施和支护结构的优化措施。     

极高地应力区隧道地质特征及围岩变形机制研究

以某在建高速铁路隧道作为工程实例,结合地质情况,从初始应力、岩体结构和地下水分析了影响围岩的因素。运用理论分析和现场监控量测反馈结果等综合方法,从监控量测数据时态曲线特征、方向性、累计变化量、变形速率、时效性、现场围岩变形情况、隧道施工影响、变形段变形差异性等方面系统分析了极高地应力区隧道围岩变形特征及机制,并得出如下主要结论:1)极高地应力区围岩应力释放有一定的过程,不同的围岩应力释放的速度可能不同,爆破对围岩产生扰动,将一定程度加速围岩应力的释放。2)围岩地质条件不同,变形规律会表现出一定的差异性。3)围岩的变形机制,层状围岩的变形破坏一般形成几个区域:破坏区,崩塌,滑动滑移,张裂、弯曲及折断。4)本隧道围岩变形特征主要是由极高地应力和岩体结构综合决定的,隧道初期支护变形情况一定程度上是隧道围岩变形特征的有效反映。     

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。     

高速公路分岔隧道施工过程稳定性分析与监测研究

分岔隧道连拱段至小净距段的过渡处,中墙由钢筋混凝土变为原岩,施工过程十分复杂。采用三维数值方法和施工现场监测相结合的方法研究了分岔隧道施工过程中的稳定性,数值模拟了无支护开挖和施加锚喷、二次衬砌支护后隧道的受力及稳定性。计算结果表明,支护后稳定性显著增强,与现场监测结果对比一致,隧道整体稳定性较好,但是中墙产生较大的应力集中,靠近连拱段的小净距段稳定性较差;锚喷、衬砌支护对于减缓围岩应力集中程度,减少塑性区、降低位移量有明显效果。最后在保证隧道安全的基础上提出了隧道支护的优化措施。     

双层初期支护在云屯堡隧道高地应力软岩洞段中的应用

为研究隧道双层初期支护中第2层支护的钢拱架设置方式和施作时机,结合成兰铁路云屯堡隧道高地应力软岩隧道工程,对 高地应力软岩大变形隧道双层初期支护中内、外2层钢拱架的布设方式和第2层初期支护的施作时机进行分析和研究。 由研究结 果可知: 1)双层初期支护中钢拱架采取交错的布置方式更有利于初期支护结构受力和围岩变形控制; 2)第2层初期支护应在第1 层初期支护结构不被破坏前及时施作,对于云屯堡隧道来说,第2层初期支护施作滞后掌子面的距离在7 m内较好。     

软岩隧道超前导洞应力释放力学机制及适用性

为研究软岩隧道超前导洞的适用性，基于经典弹塑性理论，建立深埋软岩隧道超前导洞法开挖应力释放的力学模型，采用2阶段的方法推导考虑超前导洞应力释放的隧道开挖弹塑性解。定义围岩应力释放比来反映应力释放的效果，并研究不同地应力、围岩弹性模量、强度等条件下超前导洞开挖半径对应力释放效果的影响。结果表明： 通过施作超前导洞可以降低作用在支护结构上的围岩压力，尤其是在高地应力环境或围岩较软弱的条件下，采用超前导洞法进行应力释放效果更加明显。但导洞半径并非越大越好，现场试验表明： 对于3车道大断面软岩隧道，导洞断面太大对隧道围岩的稳定不利。隧道施工中，应在保障围岩稳定的前提下进行应力释放，做到初期支护尽早封闭成环，实现隧道安全快速施工。