基于三维数值模拟的软岩超大断面隧道施工技术优化研究

为研究超大断面隧道在软岩地层中开挖施工引起的变形情况,基于铁路设计规范和围岩分级标准对王岗山隧道穿越岩层进行围岩亚分级,通过考虑开挖方向、复杂围岩条件及断层破碎带的影响,利用ABAQUS有限元软件开展三维施工过程模拟,获得三台阶法开挖后的隧道衬砌及围岩受力及变形特征。在此基础上,提出采用更适宜控制变形的双侧壁导坑开挖法,并对其控制效果进行验证。最后,分析影响隧道衬砌和围岩变形的相关因素,得到利于控制变形过大问题的最优进尺设置参数及初期/临时支护形式。数值计算结果表明:1)双侧壁导坑法能够有效降低隧道开挖引起的衬砌及围岩变形;2)锚杆在复杂地层中能够发挥重要作用;3)循环进尺和初期支护强度均对施工引起的变形存在影响,使用新型复合管片临时支护有利于控制隧道衬砌及围岩变形;4)断层破碎带是王岗山隧道施工必须重视的关键部位,除采用合理的开挖工法外,还应辅以其他降低围岩扰动进而控制开挖变形的有效措施。     

高地应力软岩隧道施工变形控制方法试验研究

为了研究高地应力软岩隧道施工变形控制方法,以兰渝铁路木寨岭隧道为例,通过对超前导洞法与三台阶法进行现场试验,分析了2种施工方法在高地应力软岩地层的变形控制效果,总结了三台阶法施工各阶段的围岩变形规律,主要结论为： 1）超前导洞法与三台阶法施工,隧道中台阶是变形控制的重点; 2）2种方法对高地应力软岩大变形总体控制效果相近,应结合其施工效率进行比选; 3）隧道开挖后应及早施作仰拱,这对控制隧道变形极为有利。     

扁平特大断面隧道三台阶法、CD法开挖对比分析

在确保特大断面隧道施工安全可靠的情况下降低施工成本，依托新白石岩隧道工程，对三台阶法和CD法两种开挖方法进行非线性施工阶段对比分析，对两种方法开挖过程中的围岩及支护的变形、应力、围岩塑性区等进行对比分析，指出了风险性较大的开挖步。根据分析结果选择开挖过程中围岩塑性区较小的CD法施工，并结合现场施工监测得出三台阶法施工便捷性高，但围岩塑性区大，稳定性低；CD法开挖隧道，围岩整体稳定性较好，围岩塑性区小，但中隔壁承担的围岩压力大，变形大，容易失稳，加设临时仰拱等措施可减小中隔壁水平变形。     

双侧壁导坑法施工大断面地铁车站中隔墙岩柱开挖稳定性分析及施工关键技术

为了便于盾构过站施工连续,保证施工安全,以重庆轨道交通环线上桥车站工程为依托,对双侧导洞先行贯通、中隔墙后续开挖的双侧壁导坑工法进行分析,并研究临时中隔墙岩柱开挖的稳定性和加固措施,形成临时中隔墙岩柱开挖的施工关键技术。分析结果表明,在双侧导洞贯通后、中隔墙岩柱开挖前,隧道已经发生较大的拱顶沉降和收敛变形。为保证中隔墙岩柱开挖的稳定性和控制隧道变形,先对隧道及中隔墙进行加固,然后采用分台阶开挖施工。中隔墙拱部采用锁脚锚杆和增加中隔墙临时支撑体系刚度有助于改善初期支护的受力模式和控制隧道的收敛变形。     

云阳山隧道亚粘土地层台阶七步开挖施工技术

湖南省衡炎高速公路云阳山隧道进口亚粘土地层含水量高、可塑性强、自稳能力差,承载力低,给隧道施工造成困难。将台阶七步开挖法发展应用于软弱围岩亚粘土地层隧道施工中,通过采用有针对性的技术措施,成功解决了亚粘土地层台阶七步开挖实施的问题,为台阶七步开挖法的推广应用提供了经验。     

云阳山隧道亚粘土地层台阶七步开挖施工技术

湖南省衡炎高速公路云阳山隧道进口亚粘土地层含水量高、可塑性强、自稳能力差,承载力低,给隧道施工造成困难。将台阶七步开挖法发展应用于软弱围岩亚粘土地层隧道施工中,通过采用有针对性的技术措施,成功解决了亚粘土地层台阶七步开挖实施的问题,为台阶七步开挖法的推广应用提供了经验。     

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。     

昔格达组地层大断面隧道施工工法比选分析

昔格达组地层是一种分布于我国西南地区的河湖相沉积半成岩,水稳性差,遇水易泥化、崩解,强度大幅度降低,在隧道开挖过程中易产生围岩大变形、初期支护结构开裂、掉块、坍塌冒顶等灾害事故,严重影响着交通隧道工程的建设。以改建铁路成都~昆明线米易~攀枝花段桐梓林隧道为工程背景,运用FLAC3D数值仿真软件,建立5种施工工法模型。从隧道围岩变形时空效应特征角度,对比分析昔格达组地层在不同施工工法中的变形响应。研究结果表明,不同施工工法对隧道拱顶沉降影响最大;当隧道设计预留变形量为10~15cm时,建议优先选择三台阶临时仰拱法;当隧道设计预留变形量为10cm以内时,建议优先选择CRD法;最先行开挖面最大挤出变形量与最先行开挖面面积近似呈线性正相关;采用预留核心或增加较大刚度的临时闭合支撑有利于控制掌子面挤出变形。     

台阶法在超大断面浅埋偏压隧道中的应用研究

为探索台阶法在超大断面浅埋偏压隧道施工中的可行性,以蒙华铁路石岩岭隧道为研究对象,对台阶法和传统分部开挖法进行比选,提出三台阶临时仰拱+竖向支撑的开挖工法,并采用MIDAS有限元软件建立地层-结构模型,对施工各阶段隧道-围岩体系的应变-应力进行模拟分析,以判断开挖过程的结构风险。对台阶法施工过程中出现的拱顶沉降大、初期支护出现裂缝、爆破对软硬不均地段的影响和地表土体开裂等问题进行分析并提出相应的对策,现场实施效果表明:台阶法能满足石岩岭超大断面浅埋偏压隧道施工安全的要求,且具有施作技术简单、高效快捷的优点,可为类似工程施工提供参考。     

高地应力大变形隧道台阶法开挖过程中围岩变形分析

在施工过程中围岩变形规律对高地应力隧道施工控制大变形非常关键,也是选择隧道开挖方式、支护型式、支护参数、支护时机的技术依据。采用有限元数值模拟分析对高地应力大变形隧道采用台阶法开挖过程中的围岩变形规律进行数值模拟分析,并针对其开挖过程中的预留核心土长度对变形的影响进行了探讨,提出了合理的台阶长度和核心土长度,其结果对高地应力大变形隧道的设计与施工具有指导作用。     

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。     

纸坊隧道三台阶与两台阶开挖数值模拟对比分析

采用有限元分析软件对炭质板岩的纸坊隧道施工中的三台阶七步开挖法与两台阶五步开挖法进行数值模拟研究,分析2种工法的隧道变形情况、初期支护及二次衬砌的受力情况。分析结果表明：两台阶五步开挖法较三台阶七步开挖法,在控制变形方面是有利的,但是除锚杆内力有所减小外,钢拱架轴力、拱腰及侧墙部位初期支护喷混凝土、二次衬砌均有增大趋势。     

高地应力软岩隧道台阶参数对变形的影响分析

以某铁路隧道台阶法施工为例,通过建立数值分析模型,分析高地应力软岩环境下铁路单线隧道台阶法开挖时台阶高度和长度变化对变形的影响,并结合现场变形监测数据进行了验证。分析结果表明:台阶参数对控制隧道变形有重要作用;台阶高度均应控制在3~4 m,且在满足施工机械作业空间要求的情况下,应尽量减小上台阶开挖高度;开挖台阶长度为4~6 m较为合适。     

大断面浅埋地铁施工对地表影响的模型试验

以广州地铁站前停车线为工程背景,通过室内大比例相似模型试验,结合数值模拟计算,研究大断面浅埋地铁在上下台阶法不同开挖步骤中产生的洞周位移、地表和地层的位移响应。结果表明:通过相应的辅助工法和合理的施工工序,台阶法能有效控制上台阶开挖引起的洞周位移和地表沉降,从而控制整个隧道开挖对周边环境的影响,保证隧道快速、安全施工。     

浅覆新黄土隧道微台阶法修建技术

浅覆新黄土隧道洞口地段一般采用CD法、CRD法等分部开挖法施工,存在临时支护拆除量大、大型施工机械设备不便开展作业、施工工效较低等问题。依托蒙华铁路黄土隧道工程,提出以微台阶开挖、湿喷机械手快速支护、仰拱快速封闭成环为核心的快挖快支快成环微台阶法修建技术,并以蒙华铁路张裕2#隧道为例,采用数值模拟方法对采用微台阶法时隧道初期支护变形、围岩塑性区、初期支护结构内力及安全系数等进行分析,验证该方法的合理性。对蒙华铁路全线新黄土隧道施工的监控量测数据、资源投入和施工进度等进行分析,结果表明:大跨度浅覆新黄土隧道采用微台阶法施工,初期支护变形收敛小,便于大型机械作业,综合施工进度达到45~67.5 m/月,能极大地提高施工工效,节约工程造价。     

软岩隧道施工方法数值分析

以软岩单线铁路隧道为工程背景,采用三维数值手段对常规台阶法、扩大拱脚台阶法和预留核心土台阶法等典型工法的施工空间效应进行动态模拟。计算结果表明：对于软岩隧道,当采用常规台阶法施工时,加强上台阶围岩支护效果对大变形控制至关重要;在台阶法开挖过程中掌子面挤出变形明显,掌子面的稳定性不容忽视,而预留核心土在控制掌子面变形、确保掌子面稳定方面有明显的作用;扩大拱脚支护形式与标准断面相比更有利于控制隧道收敛变形和塑性区的发展。综合分析结果认为：兰渝铁路软岩单线隧道采用扩大拱脚支护形式结合预留核心土的台阶法更有利于控制变形和确保洞室稳定。     

新蜀河隧道施工大变形控制技术

为了解决隧道开挖后初期支护侵限引起多次拆换的施工难题,在总结已有软弱围岩开挖技术、支护原理、新奥法隧道支护理论和软弱隧道支护技术的基础上,结合新蜀河隧道监控量测资料,对隧道的施工方法、施工工艺、支护参数、施工中采取的主要措施和取得的施工效果等方面做了大量研究。施工中分别对三台阶法、上台阶加设临时仰拱法和中台阶加设临时仰拱法3种工法工况进行了数值模拟计算和工法试验验证,中台阶加设临时仰拱法效果最好,采用此工法后基本控制了初期支护拆换的问题,节约了施工成本,提高了工效,施工风险也大大降低。     

管幕冻结法浅埋大断面隧道开挖方案对衬砌性态及地层位移的影响

经验表明,在软土、浅埋大断面隧道开挖方案中,加固方式对衬砌结构受力、隧道收敛变形和地层位移影响显著。港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道具有隧道埋深浅、结构断面尺寸大、地质条件差、地理位置政治敏感性强等特点。以该隧道为背景,利用数值模拟方法,分析大直径钢管管幕冻结法施工和隧道开挖方案对衬砌结构受力和地层变形的影响。经分析发现:不同开挖方案对衬砌受力、变形和地层位移的影响显著;在分台阶开挖过程中,台阶越小,引起的衬砌受力、隧道收敛变形和地层位移越小;管幕冻结对改善衬砌受力和地层位移效果显著,根据管幕冻土受力特性对其关键受力部位提出建议。     

台阶法（带仰拱）一次开挖施工技术在软岩隧道中的应用

软岩隧道采用传统台阶法开挖时易出现初期支护封闭不及时、步距超标等问题,为解决上述问题,依托蒙华重载铁路部分隧道,提出台阶法（带仰拱）一次开挖施工技术,阐述三台阶（带仰拱）和二台阶（带仰拱）施工工艺流程,从结构力学与变形响应、施工便捷性与设备空间布置等方面综合分析,提出台阶高度和台阶长度的合理设置原则,结合段家坪隧道与中条山隧道现场施工情况,分析台阶法（带仰拱）一次开挖工法的工序组织、技术要点与应用效果,总结台阶法（带仰拱）一次开挖工法的施工技术特点,并提出该工法的推广应用前景。     

富水砂砾石地层浅埋大跨高速铁路隧道施工技术

宝兰客专石鼓山隧道下穿茵香河段围岩以粗圆砾土、大砾石砂土为主,最小埋深8 m,河流常年流水,围岩地下水丰富,在施工过程易发生涌水、塌方、冒顶等安全事故。为保证施工安全,采用地表袖阀管注浆和旋喷桩,洞内管棚+超前小导管注浆超前加固等措施进行围岩加固,并采用三台阶临时仰拱、三台阶临时横撑法等开挖方法,控制初期支护封闭距离和时间,实现隧道变形控制,保证了隧道施工安全。