大断面膨胀土隧道结构受力特性测试研究

研究目的:大断面隧道因其跨度大、形状偏于扁平,在施工过程中表现出独有的力学特点,经常造成围岩大变形侵限、区域性塌方、底鼓和支护结构开裂等施工风险,而这些特点在膨胀土环境中表现的尤为明显,因此研究大断面膨胀土隧道支护结构受力特性具有重要的工程应用意义。本文以银西线庆阳隧道为工程背景,首先通过室内试验确定红黏土围岩的膨胀参数,然后利用现场监测手段对庆阳隧道支护结构的力学特性进行研究,并评价其支护结构受力性能,以期对同类隧道施工起到一定的指导作用。研究结论:(1)隧道膨胀土最大膨胀率为67%,最大膨胀力达到67.42 kP a,施工过程中应加强超前地质预报,尽可能减少水害对施工的影响;(2)隧道拱顶、两侧拱腰及底部具有较大围岩压力,围岩压力呈对称分布,初支闭合后拱顶附近围岩压力基本稳定,但两侧拱腰及仰拱位置围岩压力持续增大;初支闭合后钢拱架受力持续快速增长且受力基本对称,隧道上部初支内钢拱架受力始终较大,拱顶钢拱架应力最大达到1.46 MPa;(3)二衬施作后,初支仍存在一定变形,二衬左右两侧衬砌压力增长显著,二衬两侧拱脚位置混凝土应力增大明显;(4)本研究成果可为大断面膨胀性隧道设计优化和安全施工提供理论指导与科学依据。     

深埋大断面土质隧道初期支护结构受力特征研究

研究目的:新奥法中初期支护结构作为承受围岩压力的主要结构有着重要的作用。为研究深埋大断面隧道复合衬砌中初期支护结构的受力特性,本文以银西高铁庆阳某隧道为工程依托,通过现场监测,得到深埋大断面红黏土隧道的围岩压力、钢拱架内力与混凝土内力变化规律,分析初期支护结构内力变化规律及分布特征。研究结论:(1)红黏土大断面隧道两侧的围岩压力大于拱顶和仰拱内的围岩压力;(2)初期支护结构内力呈现出上大下小的分布规律,且钢拱架承担了大部分围岩压力;(3)可考虑在边墙及拱顶增高钢拱架标号,仰拱内减少拱架截面积,以达到充分利用材料降低造价,提高衬砌结构可靠性;(4)本研究结果可以为类似地质条件下衬砌设计优化及隧道初期支护的施工组织提供参考。     

隧道开挖面接近地质界面时围岩位移特征及其影响因素分析

用FLAC3D分析隧道开挖面接近地质界面时隧道围岩变形行为以及侧向应力、纵向应力、洞室形状、地质界面倾角对隧道围岩位移的影响规律.结果表明:当隧道由硬岩向软岩掘进时,随着开挖面逐渐接近前方地质界面,隧道拱顶和边墙位置围岩的位移均有明显的增加;当隧道由软岩向硬岩掘进时,开挖面以及开挖面前方的拱顶和边墙位置围岩的位移均有明显的减小;隧道掘进至硬岩与软岩的地质界面,隧道边墙位置围岩径向位移随侧向应力的增加而增加,拱顶和边墙位置围岩的纵向位移随纵向应力的增加而增加;矩形隧道时围岩的位移最大,马蹄形隧道时次之,圆形隧道时最小;地质界面倾斜时围岩的位移均比地质界面垂直时大.     

水平层状围岩隧道稳定性及破坏机理研究

研究目的:水平层状砂质板岩隧道围岩施工稳定性是一个难点,为研究水平层状砂质板岩围岩隧道在不同影响因素下的安全稳定性,本文以同马山隧道工程为依托,对水平层状砂质板岩隧道的稳定性及破坏机理进行研究。研究结论:(1)随着岩层厚度减小,洞室爆破开挖后成形困难程度增加,拱顶塌落范围增大,边墙、拱顶等位置破碎程度增加;(2)随着岩体坚硬程度及层理面结合程度降低,洞室由边墙部位发生轻微破坏到整体发生较大变形,成形困难,其中层理面对隧道洞室成形影响的最大段落是破碎带和裂隙带;(3)洞室失稳破坏是围岩压力与爆破动载共同作用的结果,拱顶与边墙处最易发生破坏,拱顶处破坏程度最大,边墙次之,拱腰处最小;(4)本研究成果可为水平层状围岩隧道的建设提供参考。     

挤压性围岩单线铁路隧道受力变形分布规律研究及工程应用

挤压性围岩隧道大变形问题是近年来困扰隧道建设者的突出难题之一。以丽香铁路长坪隧道为工程依托,采用数值计算与现场测试相结合的方法,研究了挤压性围岩单线铁路隧道受力变形分布规律,并应用于工程实践。主要研究结论为:(1)单线隧道受洞室形状影响,变形以水平方向为主,围岩压力以垂直方向为主;(2)支护结构均以受压为主,拱腰和墙脚是易产生应力集中的薄弱环节,实测锚杆多受拉,墙中锚杆轴力远大于拱部及墙脚锚杆;(3)实测受力变形分布规律与计算结果基本一致;(4)工程实践中通过采取断面曲率优化、加长边墙系统锚杆、两台阶法开挖、高效锚杆钻机等措施,有效控制了围岩变形,隧道结构安全稳定。     

云母片岩隧道围岩大变形分析研究

随着铁路建设的快速发展,隧道工程的比重不断加大,云母片岩隧道围岩大变形已严重影响了隧道施工安全和进度,本文为解决这些问题,通过对宝兰高铁杨家庄隧道云母片岩结构特性、矿物成分、抗压强度和水理特性等工程特性的介绍,对云母片岩隧道围岩大变形特征及变形因素进行分析研究。(1)变形特征:沉降收敛变形量大,变形速率快,变形持续时间长,变形差异大,洞身纵向变形分布不均及破坏形式多样性;隧道围岩变形与隧道围岩压力有着密切相关性,且早期变形严重,半个月后逐渐趋于稳定。(2)变形因素:地形地貌、岩性特征、岩体结构、地下水及围岩压力是云母片岩隧道围岩大变形的主要因素;单斜地层和地形产生偏压、开挖卸荷后围岩受地下水渗流软化沿变质片理面及泥质夹层产生塑性蠕变,使围岩压力分布不均等因素是导致杨家庄隧道围岩大变形的根本原因。     

地表注浆在浅埋大断面黄土隧道中的应用研究

研究目的:围岩变形量过大、地表沉降开裂甚至塌方是浅埋大断面黄土隧道施工过程中最容易出现的工程病害。为解决大断面黄土隧道在浅埋地段施工过程中出现的地表与围岩变形难以控制、施工效率低下等问题,以在建银西高铁上阁村隧道浅埋段为试验工点,通过现场地表注浆与室内试验,从注浆前后地表沉降与围岩变形量及围岩物理力学参数变化等方面对地表注浆在浅埋大断面黄土隧道中的应用效果进行研究。研究结论:(1)地表注浆可以有效控制围岩变形和地表沉降,变形降幅可达27%～50%,注浆后可将地表与围岩变形量控制在规范允许值内,防止隧道开挖过程中出现地表裂缝、坍塌、拱顶沉降量过大等灾害;(2)采用地表注浆后围岩物理力学参数明显得到改善,平均增幅可达10%～35%,提升围岩强度与整体稳定性,确保隧道开挖安全;(3)地表注浆能够提前二衬施作时机,加快施工进度;(4)地表注浆形成的浆-土结合体具有明显的"挤密效应"和支撑作用,可以改善原状黄土的结构性;(5)该研究成果可为大断面黄土隧道的浅埋地段快速安全施工和设计提供参考。     

黄土隧道围岩压力拱效应分析

以兰渝铁路大断面黄土隧道工程为背景,采用数值计算和模型试验对黄土围岩压力拱效应进行分析,可得结论:(1)由于荷载传递路线发生偏转,拱部围岩切向应力因承担径向传来的荷载而增加,且离隧道边界越近应力增幅越大,压力拱边界向围岩深部扩展。(2)靠近隧道洞周,边墙处应力路径切向应力、径向应力低于原岩应力,切向应力表现出较强的应力集中,径向应力只有小幅增加。(3)相对于黏性土,黄土抗剪强度较小,需要更大范围的土体参与承受围岩压力,致使压力拱外边界远离隧道断面;黄土围岩压力拱边墙处最大,拱顶处次之,拱底处最小。(4)黄土围岩破坏过程表现为局部裂隙产生、局部裂隙扩展、裂隙急剧贯通、残余强度等4个阶段;拱顶松动塌落出现在边墙剪切滑移破坏基础上。(5)数值分析与模型试验所得黄土围岩压力拱的范围基本相符,验证了压力拱的客观存在;压力拱承担着自重与外部土体荷载,自洞周向围岩深部依次为松动区、压力拱、原岩应力区。     

浅埋层状软岩隧道大变形特征及处置措施研究

张吉怀高铁新华山隧道在穿越炭质页岩地层时出现严重的非对称性三维大变形。为解决浅埋层状软岩隧道在开挖过程中大变形问题,建立三维层状围岩隧道数值模型,分析浅埋层状软岩隧道大变形特征及机理。结果表明,软岩力学性质是引起新华山隧道产生巨大变形的重要因素,隧道洞口浅埋段节理的存在对大变形贡献明显,炭质页岩层间变形对总变形值贡献率接近50%;节理与隧道轮廓相切区域层间变形最为显著,缓倾状态下,变形集中于拱顶位置,陡倾状态下,边墙破坏风险急剧增加。根据现场变形特征和数值模拟结果提出地表套管注浆加固措施且效果明显。研究结果可为类似浅埋层状软岩隧道的大变形预防与处置提供参考。     

唐家塬隧道穿越滑坡段的综合整治技术及评价

研究目的:以西宝高速公路唐家塬隧道为工程背景,探讨隧道穿越滑坡段的变形与围岩压力分布情况。在滑坡稳定性分析的基础上,提出针对性滑坡体综合整治措施;采用多方位的监控量测措施全程监控隧道开挖施工扰动对滑坡体变形的影响,并对滑坡体和隧道的稳定性进行评价。研究结论:(1)唐家塬隧道开挖前期,滑坡基本稳定,掌子面推进到距离监测断面50 m处,滑坡体变形增大,且掌子面到达监测断面时,监测点位移变化速率最大,随着隧道支护和抗滑桩加固作用的发挥,在掌子面推进到距离监测断面30 m后,滑坡基本恢复稳定;(2)监测初期,由于滑坡和地形偏压的影响,围岩压力显著增大,随着隧道支护作用的加强,逐渐趋于稳定,且围岩压力和地表沉降出现明显不对称现象;(3)本文探讨穿越滑坡段隧道施工与其相互影响,提出综合整治方案,并开展隧道的变形与围岩压力监测,其对类似工程选线、整治具有一定借鉴作用。     

铁路黄土隧道施工变形规律及预留变形量研究

为研究黄土隧道施工变形规律及预留变形量,以蒙华铁路双线黄土隧道工程施工为依托,采用现场实测和统计分析的方法分析隧道周边位移变形规律,以确定黄土隧道设计预留变形量。双线黄土隧道施工的变形规律表现为:隧道开挖时,拱顶下沉和周边收敛发展较快,仰拱封闭后,变形趋于稳定;隧道拱顶下沉大于周边收敛。Ⅳ级围岩黄土隧道下沉速率集中分布在5 mm·d~(-1)以内,部分深埋断面速率大于5 mm·d~(-1)。Ⅴ级围岩黄土隧道深埋时,拱顶下沉较小,速率集中分布在5 mm·d~(-1)以内;浅埋时,部分断面拱顶下沉超出设计预留变形量,速率在15mm·d~(-1)以内;其表现出的特点是:浅埋变形大,速率大。净空变形特征值的均值在浅埋时为4.1,深埋时为2.2。Ⅳ、Ⅴ级围岩黄土隧道设计预留变形量建议值分别是8~10 cm、12~15 cm。     

第四系富水红砂岩地层隧道围岩变形特征研究

研究目的:富水条件下砂岩地层隧道开挖极易产生大变形。本文以蒙华铁路阳城隧道第四系富水红砂岩地层围岩大变形段为研究对象,通过室内试验、现场试验及数值模拟等方法,对围岩变形特征进行研究,从而提出围岩大变形的整治措施。研究结论:(1)对地层围岩认识有限、支护与降水措施不到位,导致围岩背后脱空溜砂,是产生大变形的主要原因;(2)工法变更辅以加密降水能有效控制围岩变形,拱顶沉降、水平收敛降低60%～65%,掌子面挤出降低50%;(3)现场试验监测结果显示,大变形整治措施、工法变更辅以加密降水行之有效,围岩变形量皆在规范允许范围内,后续施工段拱顶沉降监测值与数值模拟值相差18%,拟合较好,数值模拟有一定可靠度;(4)本文提出的围岩大变形相关整治措施,可为类似地层隧道围岩大变形整治、控制围岩变形及隧道安全施工提供借鉴。     

浅埋软岩隧道围岩变形的分形结构分析

运用分形理论,对湖南省张家界市长茂山铁路隧道开挖过程中围岩的变形特征进行了分析。结果表明:软岩隧道围岩变形在时间上具有分形特征,并且表现出很好的自相似性;在相同埋深条件下隧道拱顶变形量的时间分形维数最大,拱肩次之,边墙最小;当隧道埋深≤14 m时隧道拱顶变形量的时间分形维数具有随埋深的增大而线性增加的趋势;当埋深14 m时隧道拱顶变形量的时间分形维数趋于稳定,受埋深的影响很小。     

单洞四车道公路隧道现场监测分析研究

近年来,我国高等级公路建设中出现了越来越多的超大断面单洞四车道隧道,与传统的单洞两车道隧道相比,其受力条件复杂,施工难度加大,施工监测愈发重要。本文通过对福建省牛寨山隧道施工过程中地表沉降、拱顶下沉、洞周收敛、围岩压力、衬砌内力等的监测与分析,探讨此类隧道施工特点。监测结果显示,超大断面隧道开挖变形大,洞口软弱围岩段受力复杂。此外,论述了现场监测对超大断面公路隧道的必要性及仰拱施作对抑制隧道变形的显著作用。     

软岩公路隧道围岩变形影响因素探讨

以三个不同地区的软岩隧道为工程背景,依据施工现场对拱顶沉降和水平收敛的监测数据,探讨软岩隧道围岩变形的影响因素。研究结果表明:围岩的变形与埋深、断面形式、围岩级别以及围岩岩性密切相关;围岩变形的增量并不一定与隧道的埋深成线性关系;断面形式对围岩变形的影响明显大于施工方法对围岩变形的影响。由于不同地区的地质条件千差万别,岩石岩性和分布特征也可能存在较大差异,这种差异往往对围岩变形起到决定性作用。因而在隧道工程设计和施工阶段,不能完全照搬经验类比法,应依据信息化施工对围岩的稳定性进行监控,进而调整相应的支护参数和施工方法,从而实现施工安全和工程造价利益的最大化。     

软塑黄土二元地层隧道变形特征及监测分析

当隧道斜向上穿越软塑黄土夹层时,隧道拱部逐渐脱离软塑黄土层,使得围岩处于"上硬下软"的二元地层状态。由于软塑黄土含水率高、稳定性差、承载力低,使得大断面隧道在这种二元地层下的变形特征不尽相同。本文依托银西高铁上阁村隧道,基于室内试验、数值计算、现场监测等手段,分析"上硬下软"二元地层下隧道围岩位移演化规律,揭示隧道围岩变形特征。结果表明:随着软塑黄土层的下移,拱顶累积沉降量逐渐减小并趋于稳定;当软塑黄土分布于边墙时,围岩软弱,软塑黄土变形量大,变形时间长;当软塑黄土分布于隧底时,隧底围岩隆起值及下台阶水平收敛较大;随着隧道穿出软塑黄土层,净空收敛逐渐减小并趋于稳定。     

雁门关隧道变形控制技术

研究目的:雁门关隧道处于恒山山脉,太古界变质岩地层,受多期构造运动影响,围岩稳定性差、大变形造成初期支护环纵向开裂,拱顶、拱脚喷混凝土剥落,钢架扭曲、折断,支护侵限甚至是二衬开裂等现象,给隧道建设带来极大的困难。通过隧道DK 121+203~DK 121+175段典型大变形处理案例,分析其大变形的原因,提出合理的控制变形技术。研究结论:(1)雁门关隧道变质岩地层虽属硬质岩,但复杂多变的地质条件加大了围岩变形破坏可能性;(2)根据现场施工及围岩量测情况采取信息化设计,对隧道各段采取针对性的措施,做到"岩变我变",确保施工安全,有效的控制了工程成本;(3)采用快封闭、快支护、设置临时横撑、长锚杆、大管棚、分层加强初期支护以及早施工并适当加强二次衬砌等措施可以有效的控制并稳定隧道大变形;(4)本研究成果在构造复杂变质岩地层隧道设计、施工中有较广泛的应用价值。     

大断面软弱围岩隧道防塌方实时监测预警标准研究

研究目的:隧道事故统计分析表明,塌方发生数量和导致的人员伤亡远高于其他隧道灾害事故。在隧道施工中实现塌方前预警,可大大减少隧道塌方危害。而合理确定隧道塌方预警标准是实现软弱围岩隧道防塌方预警的关键,目前国内外未见成功的报道。因此,需要对隧道防塌方预警标准进行研究,以指导隧道安全施工。研究结论:(1)隧道变形量与水文地质条件、施工工法、施工进度等因素有关,目前规范中的标准值不适合直接应用于隧道塌方预警;(2)软弱围岩隧道防塌方实时监测不同于常规监测,关注的重点是拱顶相对于隧道底部或边墙的相对变形,因此采用相对变形量进行防塌方预警是可行的;(3)隧道防塌方实时监测预警基准值要根据目前规范位移限值、类似工程实测位移最大值和所在隧道工程实测数据综合确定;(4)现场试验表明,本文确定的隧道塌方预警基准值能满足隧道防塌方监测预警的需要,研究成果可应用于大断面软弱围岩隧道施工中。     

兰渝线木寨岭隧道施工力学行为实测与分析

结合木寨岭隧道工程,对施工区域地应力进行测试,并对地应力场进行拓展分析。通过对隧道掌子面流变特性、变形速率与总变形量、围岩压力、支护压力、锚杆受力、围岩破坏范围的测试和分析,提出高地应力、软岩隧道的挤压性变形具有变形量大、变形速率高、变形持续时间长、前后期均呈"来劲"等特征,以及围岩压力以形变压力为主等结论,并建议取消拱部锚杆,加长边墙锚杆,抑制隧道变形。     

上第三系土质隧道的变形特点及支护措施研究

研究目的:含水上第三系粉质黏土隧道在施工过程中常出现初期支护变形、开裂甚至整体塌方问题,一直困扰着隧道建设。本文依托晋中南铁路通道工程某隧道典型实例,结合现场调查、隧道监控量测,探讨含水上第三系粉质黏土隧道的变形特点,研究其支护措施方案,为同类围岩条件下的隧道建设设计提供理论及实践依据。研究结论:(1)上第三系粉质黏土隧道两侧边墙变形是拱顶沉降变形的1.5~2.0倍,且两侧边墙变形的稳定时间较长;(2)上第三系粉质黏土隧道的变形时空效应明显,时间上具有一定的滞后性,空间上往往发生大变形问题的位置不在掌子面,而在掌子面后方15~25 m的位置,即侧墙变形空间效应影响范围为3D~5D(D为开挖洞径);(3)隧道开挖后,采用强初期支护措施,有利于抵消含水上第三系粉质黏土围岩变形的时空效应,在未施作二次衬砌前,提供足够的抗力以抵消围岩的变形;(4)该研究结论可应用于同类土质隧道的设计和施工中。