浅埋软弱围岩隧道变形特征研究

软弱围岩隧道受开挖扰动影响变形明显,施工中若稍有不慎,就会导致隧道塌方。文章以厦门莲岳隧道A匝道隧道为工程背景,结合隧道所处地质条件,采用数值模拟和现场监测相结合的方法,对浅埋软弱围岩隧道变形特征进行了研究。结果表明,对于软弱围岩隧道,不论是全断面开挖还是台阶法开挖,掌子面挤出位移最大,拱顶下沉和地表沉降次之,洞周收敛最小;隧道围岩变形可以分为掌子面前方的先行变形和掌子面后方变形,围岩条件越差,先行变形越大,约占总变形的10%~30%;采用台阶法等分部开挖工法,可减小对掌子面前方围岩的影响范围及变形。在对浅埋软弱围岩隧道的周边环境有严格变形控制要求时,要采取更为严格的预加固措施来控制隧道施工引起的围岩变形,以确保隧道施工及周边环境的安全。     

隧道玻璃纤维锚杆全断面预加固机理与应用

在隧道开挖过程中,围岩应力重分布是一个三维过程,掌子面前方的"待挖核心体"的形变响应与洞室的收敛存在密切联系",待挖核心体"的岩性决定了开挖后的围岩能否自然成拱。因此,对于不能自然成拱的破碎、软弱围岩常采用玻璃纤维锚杆对隧道掌子面进行全断面预加固。文章通过对不同工况下的玻璃纤维锚杆全断面预加固进行模拟分析,得到了隧道开挖过程中掌子面位移变形随开挖进程的变化规律,以及衡量玻璃纤维锚杆全断面预加固效果的位移指标。基于典型软弱围岩条件下的铁路隧道工程实例,结合多种工况条件,给出了玻璃纤维锚杆的优化设计参数和施工方案,可为同类工程提供借鉴。     

软弱围岩隧道直进式预切槽机械研发

机械预切槽法是一种极具优势的软弱围岩隧道施工方法。机械预切槽法形成的预衬砌能够有效控制围岩应力释放及重分布,显著降低自然拱高度,有效控制围岩变形。然而,目前的预切槽机械存在软弱地层成槽困难、封水困难和设备体量太大等问题。文章在以上分析的基础上提出了一种全新的预切槽机械研发思路,并研发了第一代直进式预切槽机械。该机械在掘进箱体的保护下进行切槽和混凝土灌注,形成的槽体变形小、混凝土拱壳质地均匀。工业化试验表明,该新型机械能够真正实现预切槽技术的初衷,具有独特的优势。     

隧道软弱围岩大变形的分析与处治

文章阐述了围岩大变形的概念,介绍了围岩的变形机制和变形规律,分析了围岩大变形的成因,并针对软弱围岩掌子面前方变形、掌子面挤出变形和掌子面后方变形情况,总结提出了与之相对应的处治措施,为今后隧道穿越软弱围岩施工提供借鉴。     

隧道易切削锚杆全断面预加固的三维数值模拟

隧道易切削锚杆全断面预加固工法主要是指应用易切削注浆锚杆对掌子面前方的"待挖核心体"进行预加固,以控制掌子面前方核心岩土体的变形,从而实现隧道全断面安全、顺利掘进的一种隧道工法。本文运用有限元技术,对该法施工的隧道进行三维数值模拟。分析表明,通过易切削锚杆对"待挖核心体"的预加固作用,能明显改善掘进过程中的围岩形变和力学特性。计算所得结果能为类似工程施工提供借鉴。     

基于收敛-约束法的预衬砌支护适用性研究

有效控制掌子面超前核心土的预收敛变形是控制软弱围岩变形的重要措施,采用机械预切槽技术施作形成的横向连续壳体的预衬砌支护能够起到保护超前核心土的作用,从而控制预收敛变形。由于掌子面处时空效应的影响,预衬砌支护与围岩间的相互作用过程十分复杂。根据收敛-约束法的基本原理,文章推导出了预衬砌与围岩相互作用荷载的理论求解方法,并基于安全性对预衬砌适用埋深随混凝土强度、围岩参数、预衬砌支护参数的变化进行了研究。研究结果表明:预衬砌混凝土抗压强度越大,预衬砌适用埋深越大,混凝土抗压强度与适用埋深基本呈线性关系;随着应力释放系数的增大,同一混凝土抗压强度条件下的预衬砌适用埋深增加;预衬砌厚度对预衬砌适用埋深具有显著的影响,预衬砌厚度越厚,预衬砌适用埋深越大;隧道直径减小时预衬砌的适用埋深增加。     

隧道玻璃纤维锚杆全断面预加固技术的应用研究

隧道玻璃纤维锚杆全断面预加固技术,以目前欧洲流行的A.DE.CO-RS工法为理论基石。该法认为,掌子面前方的待挖核心体是控制隧道整体稳定性的关键,特别是在破碎、松散的软弱围岩中,运用玻璃纤维锚杆来控制待挖核心体的变形,等效提高了待挖核心体的形变刚度,使得隧道周边的拱效应能自然发挥作用,从而保证隧道能够全断面安全、顺利开挖掘进。文章介绍了玻璃纤维锚杆全断面预加固技术的一些基本概念,并运用有限元软件对该法施工的隧道进行了三维数值模拟,结果显示玻璃纤维锚杆全断面预加固待挖核心体能有效抑制因开挖引起的地层形变,促使拱效应在开挖轮廓周边能自然起作用。同时,文章还介绍了玻璃纤维锚杆全断面预加固的具体工艺操作流程,为该法在我国的应用、推广提供了一定的理论支持。     

浅埋暗挖软岩隧道管棚预注浆加固效果分析

为研究浅埋破碎软岩隧道采用管棚预注浆超前支护后的加固效果,以某隧道工程为依托,采用MIDAS/GTS有限元软件,建立了管棚预注浆超前支护、仅采用管棚支护以及无任何超前支护作用下的三种开挖模型并进行了数值模拟分析。结果表明:管棚预注浆超前支护措施在隧道拱顶上部形成加固带,承受了隧道拟开挖区域大部分的围岩荷载,改善了地层成拱能力,有效控制了地表下沉、拱顶沉降和应力集中现象,使地表下沉减小52.7%,拱顶沉降减小58.9%,拱脚收敛减小61.4%,仰拱隆起减小63.8%,竖向应力减小79.2%。管棚支护显著支承隧道上覆围岩压力,有效减小衬砌弯矩,阻止喷射混凝土的开裂破坏,降低土层变形过程中锚杆所承受的拉力;且相比于管棚预注浆超前支护,仅采用管棚支护对控制隧道边墙收敛及隧道仰拱隆起的效果同样显著。对于该软弱破碎围岩浅埋暗挖隧道下穿既有重要管线的施工,采取管棚加预注浆超前支护手段,确保了工程安全顺利进行,研究结果可为类似工程提供一定参考。     

拱盖法隧道围岩稳定性模型试验研究

文章利用大尺寸模型试验,研究了拱盖法隧道开挖过程中地表的发展模式和围岩受力情况。结果表明:隧道开挖过程中地表沉降先后经历了缓慢沉降、快速沉降和缓慢沉降三个阶段,其中中导洞开挖、竖向支撑拆除是沉降快速发展的阶段,拱部二次衬砌完成后开挖下部围岩对地表变形贡献不大;在掌子面推进过程中,监测断面各部位围岩荷载的释放过程具有较大差异性,拱部围岩荷载相比于拱脚和边墙释放更快,且幅度更大;拱部围岩中导洞开挖和临时支撑拆除会导致已稳定的围岩压力二次释放;由于支护的及时跟进,围岩自承能力得以发挥,围岩径向收敛变形得到较好的控制;拱部围岩中导洞开挖和临时支撑拆除会导致已稳定的围岩压力二次释放,建议工程中应将拱顶沉降作为拱盖法围岩稳定判别的主要依据。     

破碎围岩大跨公路隧道结构健康度评价方法研究

目前关于大跨隧道结构在松动荷载作用下的受力变形与损伤演化机理研究相对较少,缺乏运营期隧道结构的健康度评价体系与预警标准,不利于掌握隧道结构的安全状态。针对上述问题,文章通过建立二维及三维数值分析模型,研究了Ⅳ级、Ⅴ级围岩下大跨隧道结构在松动荷载下的受力变形特性,并依据变形及破损特征,建立了5级评价体系与3级预警标准。研究结论为:(1)拱部松动荷载作用下大跨隧道的破坏过程分为四个阶段,分别为设计荷载下的弹性受力阶段、拱部松动荷载下的弹性受力阶段、结构开裂后的塑性工作阶段及加速变形破坏阶段;(2)设计荷载下,采用荷载规范计算方法与三维数值模拟方法得出的隧道变形基本一致,验证了数值计算的可行性。通过数值计算,得出Ⅳ级围岩下结构极限承载力为734 kPa,拱顶沉降6.75 cm,边墙收敛1.56 cm。Ⅴ级围岩下结构极限承载力为812 kPa,拱顶沉降10.47 cm,边墙收敛4.06 cm;(3)以拱顶开裂、局部压屈、拱顶拱腰压屈、拱腰压屈达到衬砌厚度的1/3、钢筋拉断为关键节点,以结构受力、拱顶沉降、边墙收敛为评价指标,建立了Ⅳ级、Ⅴ级围岩下大跨隧道的健康度评价体系及预警标准。     

木寨岭隧道大变形控制技术

对于隧道大变形控制,需综合考虑加固围岩、大刚度支护、适度应力释放、合理工法以及强化建设管理等手段,多措并举。文章以木寨岭特长隧道施工大变形控制为工程实例,总结和分析斜井及正洞施工中不同程度的大变形段落支护结构调整及变形控制理念。结果表明:(1)对于一般大变形段,适当提高隧道支护结构强度和刚度即可有效抑制变形和支护破坏;(2)对于中等大变形段,可进一步提高支护结构强度和刚度,或者辅以径向注浆、加长加密锚杆、局部增设套拱等措施,变形也能得到基本控制;(3)对于严重—极严重变形段,必须采取超前应力释放、长短锚固体系加固围岩、分层施作大刚度支护等综合措施才能有效控制变形,保证施工及结构长期安全稳定。     

铁路隧道下穿既有公路地层变形特性研究

文章结合张唐铁路工程燕山隧道下穿公路出口段,采用三维有限差分程序,研究分析了其施工过程中的地层变形特性、力学响应、能量积聚及塑性区分布特征.研究结果表明:公路最大沉降量小于规范要求,围岩竖向最大变形为20 mm,水平变形为16 mm;掌子面前方挤出变形明显,最大值为38 mm;边墙能量密度集中现象较显著,位于距洞壁5 m深部围岩处;掌子面前方6 m左右围岩处出现能量积聚,为掌子面稳定关键部位:塑性区主要集中在掌子面前方、拱肩、边墙及墙脚.为此,建议对掌子面进行预加固,保证墙脚和拱肩部位配筋,提高结构整体稳定性.     

对形变压力的认识——隧道围岩挤压性变形问题探讨

在高地应力背景下,隧道开挖造成岩体应力大幅度变化,软弱围岩松弛阶段的变形将达到很大的量级,这就是挤压性大变形的本质所在。国际隧协曾归纳总结的隧道结构设计模型中的"收敛-约束"模型可以十分贴切地说明支护和围岩在松弛变形发展过程中的相互作用。支护在同围岩共同变形中承受的荷载有别于隧道设计规范中规定的由离散岩体重量产生的"离散压力",可以称为"形变压力"。囿于对离散压力荷载的认识,很难找到处治挤压性大变形的合理途径。文章从形变压力的特性出发,对挤压性围岩隧道工程中的若干问题进行探讨,着重论述通过围岩变形的适度释放来缓解形变压力的处治理念以及与之相应的可让型支护和岩体锚固技术。     

软岩大跨径浅埋隧道工法对比研究

文章以广西某高速公路软弱围岩下浅埋大断面隧道为研究背景,采用MIDAS GTS-NX建立三维模型,动态模拟分析在新意法和新奥法(以双侧壁导坑法为例)两种施工方法指导下,隧道围岩的应力、变形及结构受力情况,研究这两类施工理念在软弱围岩环境下对隧道施工全过程稳定性的影响,并得出以下结论:(1)软岩环境下,隧道掌子面中部容易失稳,对超前核心土加固后能显著提高超前核心土的承载能力,有效控制掌子面挤出变形,保障施工安全;(2)新意法开挖机械化程度提高,能加快施工进度,节约施工成本;(3)新意法减少了对隧道围岩的扰动次数,能更加有效地利用围岩的自稳能力。     

白山隧道塌方处治技术及其监测结果分析

白山左线隧道施工中,针对塌方发展过程和塌方机理,实施了一套基于"地表排水、围岩注浆、衬砌增强、基底防降"的塌方综合治理方案。文章分析了方案实施后的地表沉降、拱顶下沉、拱腰和边墙水平收敛的位移变化规律,以及初期支护背后水压力、初期支护与围岩的接触应力、锚杆轴力、型钢拱架应力及二次衬砌混凝土应力的发展趋势。结果表明:在软弱围岩地段,拱墙二次衬砌的施作显著改善了初期支护与围岩的接触应力,有效地减小了地表沉降及隧洞周边位移;同时,拱墙二次衬砌能有效地分担锚杆和型钢拱架的的部分荷载,改善仰拱二次衬砌的受力状况;塌方综合治理方案效果较好,保障了该隧道剩余塌方段的安全施工。     

下穿高速公路的浅埋大跨隧道开挖力学行为分析

深圳市红棉路隧道具有埋深浅(约6 m)、跨度大(16 m左右)、周围围岩软弱、下穿机荷高速公路的距离长等特点。由于机荷高速公路车流量非常大、动态荷载强,因此该隧道施工难度高、风险极大。为研究该隧道开挖过程的力学行为,文章通过数值计算及现场测试方法,获得了隧道下穿高速公路施工过程中地表沉降、隧道拱顶沉降、掌子面挤出位移,初期支护钢拱架应力以及二次衬砌应力的动态变化规律。研究结果表明,在隧道开挖过程中,掌子面前方先行变形的影响范围为1~1.5倍洞跨。隧道掌子面进行锚喷支护加固措施,对减小隧道掌子面的挤出位移作用效果明显。同时,需合理确定支护时机,适当优化施工工序,加快隧道断面闭合时间,加强监控量测,确保隧道成功穿越机荷高速公路。     

散岩堆积体中特大断面公路隧道洞口段合理施工工法研究

为研究散岩堆积体中隧道洞口段最适宜的开挖方式,文章以火凤山隧道(双线隧道)为工程背景,采用拉格朗日有限差分软件FLAC3D建立土体三维计算模型,对施工期隧道洞口段分别采用三台阶、三台阶预留核心土、三台阶七步法、CD法和CRD法共五种工法进行数值模拟开挖,分析不同施工工法下围岩应力分布及变形规律,提出适用于散岩堆积体地层条件下的隧道洞口段施工工法。研究结果表明:从隧道竖向位移分析得出,五种工法对应的最大位移分别为28.18cm、25.90cm、21.43cm、18.58cm、14.13cm;从围岩应力来看,五种工法围岩应力分布规律上并未出现明显区别,只是在量值上有一定差异;随着围岩的不断开挖,隧道埋深逐渐增大,隧道各特征点的最大位移值也不断增大;在掌子面前方一定范围内,即开挖断面还未达到监测断面的部分区域已经产生了一定的变形,但是变形较小;当开挖断面推进到监测断面时,随着开挖面的推进,拱顶下沉不断增大,其特点是初期下沉速率很大,而后随离开掌子面的距离变大,其速度逐渐减缓,并趋于稳定,围岩收敛先快速增长后逐渐平稳。     

软弱地层下某隧道围岩及支护结构稳定性数值模拟研究

为研究在软弱地层下开挖单洞隧道时二次衬砌对隧道围岩稳定性的影响,文章以某单洞铁路隧道为依托,采取三维有限元软件对软弱地层下隧道施加二次衬砌后围岩稳定性进行了数值模拟分析,结果表明：(1)在施加二次衬砌后,地层的水平应力整体呈条带状分布,开挖扰动对地层水平应力的影响较小;(2)当施加二次衬砌后,单洞隧道围岩的应力集中程度显著减小,围岩的整体稳定性显著提高;(3)当施加二次衬砌后,隧道所处的地层整体变形量均显著减小,岩体表层的沉降量为0.04 mm,其沉降量可以忽略不计;(4)当隧道进行二次衬砌加固后,围岩的整体水平变形量均较小,满足相关的工程设计要求。     

高速公路双连拱隧道施工监控量测及分析

在宜(宾)水(富)高速公路鞋底坡双连拱隧道工程中,由于对隧道围岩变形及地表沉降进行了现场监测与分析研究,获得了隧道各施工阶段的地表沉降、拱顶下沉和周边收敛数据资料,有效地控制了隧道围岩变形,成功地对隧道洞口段的地质灾害进行了动态预测、预报,避免了重大事故的进一步发展。文章介绍了鞋底坡双连拱隧道的监控量测方案、测量结果分析及研究成果,对类似工程具有一定的指导意义和实际应用价值。     

软岩大变形条件下围岩变形与围岩压力的关系研究

为获得软岩大变形条件下围岩变形与围岩压力之间的关系,为大变形让压设计提供依据,文章利用FLAC3D数值模拟软件,计算了某单线铁路隧道开挖后在无支护条件下洞周发生不同变形量后施作弹性支护结构的最大压应力,并以此间接反映围岩压力,得到围岩压力随围岩变形的释放关系曲线。将类似工程实例的监测数据与该关系曲线进行对比分析,结果表明:围岩压力随围岩变形的释放关系曲线分为陡降区、调整区和缓降区三部分;软岩大变形可分为收敛型和非收敛型两类,收敛型大变形隧道将可量测的洞周变形控制在15 cm(洞周半径的3%)以内是经济合理的,且施作常规系统锚杆效果最好;非收敛型大变形隧道可量测的洞周变形量超过63 cm(洞周半径的14%)时,围岩压力释放效果才进一步提高;通过大幅的洞周变形来减小围岩压力时,将导致塑性区的大幅增加,此时的系统锚杆作用微乎其微。