基于强度折减法和现场监控量测的大断面隧道开挖工法适用性研究

为明确微台阶Ⅰ法在Ⅳ级围岩地层中进行快速掘进施工的适用性,依托郑万高铁保康隧道工程,采用基于强度折减法原理的数值分析方法,以位移突变和计算不收敛等为主要判据指标,对微台阶Ⅰ法施工过程中的围岩稳定性进行分析,并通过现场监控量测方法来分析隧道采用微台阶Ⅰ法施工时结构的安全性。结果表明： 1）隧道拱顶和拱肩位置的竖向位移对折减系数较为敏感,而拱脚和边墙部位的水平收敛对折减系数较为敏感; 2）采用传统的三台阶法和大机配套施工的微台阶Ⅰ法所得到的折减安全系数较为接近,微台阶Ⅰ法对施工围岩稳定性影响较小,可以保证隧道安全快速掘进,在Ⅳ级围岩地层中具有良好的适用性。     

隧道锚与隧道上下毗邻协同施工力学行为分析

为确定隧道锚与隧道上下毗邻协同施工最佳的施工工况,依托翁开高速四坪隧道工程,利用数字模拟手段对围岩竖向位移、塑性状态和初支内力进行分析,对比分析了三种不同工况下的围岩位移、塑性状态和初支内力的情况。结果表明：采用先施工主隧道再施工隧道锚,围岩的竖向位移最大;当采用先施工隧道锚再施工主隧道时,围岩的竖向位移最小还能有效减小塑性区范围,随着土体黏聚力的增大总体位移值和塑性区范围减小;上、中台阶支护连接部位内力较大,因此,应适当采取初支加强措施,保证在施工阶段支护的稳定性。     

膏溶角砾岩隧道开挖过程中围岩压力及位移变形分析

太行山隧道是以特殊性岩体V级角砾状泥灰岩（膏溶角砾岩）为主的客运专线隧道，通过对这一特殊岩体隧道的监控量测，掌握了隧道在开挖中的变形及周边位移发展机理和围岩压力的变化规律，优化施工和支护参数，并可用以指导类似工程的设计和施工。     

财神梁公路隧道施工稳定性的有限元数值模拟分析

利用同济曙光GeoFBA有限元分析商业软件,对奉节-云阳高速公路财神梁特长隧道主要洞段的Ⅳ级围岩台阶法开挖施工的稳定性问题进行数值模拟研究,详细分析了隧道围岩-支护衬砌结构体系的变形与受力特性,可为类似隧道设计与施工实践提供科学依据。     

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。     

郑万高铁大型机械化施工隧道位移控制基准研究

依托郑万高铁湖北段大断面隧道洞群,针对其开挖断面面积大、软弱围岩占比高、采用大型机械化大断面法施工的特点,开展初期支护位移现场监控量测,对监控量测数据进行分类统计、包络回归分析,得到Ⅳ、Ⅴ级围岩深、浅埋不同大断面法（全断面法、微台阶法）开挖下初期支护位移沿隧道纵向的函数表达式及各工况下分段位移占极限位移的比值。最后结合 Q/CR 9218-2015《铁路隧道监控量测技术规程》中初期支护极限位移值,给出郑万高铁大型机械化施工隧道各工况下初期支护位移控制基准建议值。结果表明： 郑万高铁隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩采用深、浅埋不同大断面法开挖时,按距掌子面距离的分阶段位移控制基准相差较大,现行Q/CR 9218-2015《铁路隧道监控量测技术规程》中统一规定不合理;围岩级别、埋深及开挖方法相同时,拱顶沉降和洞周水平收敛规律基本一致。     

白土山隧道台阶法施工数值模拟研究

结合白土山隧道洞口段台阶法（临时横撑）施工，采用有限元数值分析法，模拟了台阶法（临时横撑）在大断面隧道洞口段施工过程中围岩位移和支护结构受力特性，通过计算结果的分析，确定了该法的安全性和合理性，为该法的设计和实施提供依据。     

复杂地质条件下隧道初期支护探讨

以一复杂地质条件下隧道Ⅳ级围岩为例,利用有限元程序进行数值分析,模拟台阶法和环形法的施工过程,得到初期支护后围岩与支护结构的变形和应力特征。结果表明:环形法较台阶法的围岩应力与变形相对较小。建议施工中增加钢支撑密度或增大钢支撑横截面,提高支护的承载能力,使锚杆、钢筋网、钢支撑和混凝土形成一体的初期支护,与围岩共同承载,以确保隧道施工安全。     

莞惠城际铁路矿山法隧道各级围岩设计工法的适应性分析及调整建议

以莞惠城际铁路松山湖地下隧道（矿山法）施工为例,通过各综合围岩等级的工序分析、工法类比、稳定性与优势比较等,认为该隧道矿山法施工实际揭示围岩与设计工法存在一定的适应性问题,并提出以下建议： 1）Ⅵ级围岩隧道（第四、五、六类围岩）建议调整为三台阶七步法+拱部临时立柱法、Ⅵ级围岩隧道（第七、八类围岩）建议调整为三台阶七步法; 2)Ⅴ级围岩隧道（第二类围岩）建议调整为带临时仰拱台阶法或上下台阶法、Ⅴ级围岩隧道（第三、四、五类围岩）建议调整为上下台阶法; 3)Ⅳ级围岩隧道建议调整为上下台阶法; 4)其他未涉及的围岩情况,工法均不做调整。     

新建隧道建设中下穿既有高速公路施工的力学探讨

基于河北某下穿高速公路的新建隧道工程,对其在施工过程中的受力及围岩稳定性进行了研究,通过围岩参数、围岩、覆盖层厚度、施工方法的二维和三维有限元计算。结果表明,各种计算工况表明支护结构和围岩稳定,能满足结构受力和围岩稳定的要求;采用三台阶法能能达到结构受力和围岩稳定的要求。随着开挖的不断增加,结构水平位移和竖向位移均随之增加,开挖时各台阶均有急骤增加趋势。围岩最小主应力和最大主应力随埋深的增大而上升,但是影响程度不大;初期支护最小和最大主应力均随埋深的增大而显著增大,围岩塑性区范围也随之增大,在埋深大于305 m后趋于稳定。通过现场监控量测,在施工过程中,对支护结构工作状态及时掌握,确保隧道施工质量及安全,现场监测表明隧道结构安全稳定。     

富水隧道施工期及运营期衬砌结构力学特性研究

以米亚罗3号隧道为依托工程,首先通过现场实测应力监测数据,对米亚罗3号隧道施工期支护结构应力的演变规律进行了分析研究;然后进一步借助数值分析软件,对不同初始水头高度下,米亚罗3号隧道运营期间围岩和衬砌结构的力学特征进行了研究。应力监测结果表明:隧道上台阶开挖后,拱顶和拱肩处的围岩-初支接触压力、钢拱架应力和外水压力迅速增大,约在30~40d后趋于稳定;下台阶开挖后,拱腰处的接触压力、钢拱架应力和外水压力快速增长,约在30~50d后趋于稳定;随着下台阶的开挖,拱肩处的围岩-初支接触压力再度缓慢增长,而钢拱架应力则明显下降;二衬施作后,其内力快速增长,并在20d后趋于稳定。数值模拟结果表明:当初始水头高度增加时,运营期间米亚罗3号隧道的洞周位移、二衬内力和外水压力均成一定比例的增加;隧道变形主要为竖直和水平方向的挤压变形,最大位移发生在拱底;相对于无地下水的情况,地下水的存在会影响衬砌弯矩分布,导致弯矩最大截面从拱顶转移至拱脚;衬砌所受外水压力在拱底处最小,其余部位分布较为均匀;随着初始水头的增大,拱腰和拱脚背后围岩的塑性区范围会明显增加。     

高地应力状态下软岩公路隧道的大变形机理与规律研究

高地应力区软岩隧道地质条件复杂,使软岩隧道变形控制难度加大。以某一工程实例为对象,运用MIDAS/GTS软件建立了软岩公路隧道模型,分析了不同侧压力系数下对高地应力软岩隧道开挖变形的影响作用。研究结果表明:随着侧压力系数的增大,隧道围岩水平位移由向隧道外挤压变形转化为向隧道内收敛变形,K值在0.5~0.75时,存在一个水平位移零点,最终水平变形量为0;对于隧道竖向位移变形,当侧压力系数小于1时,隧道最大竖向位移出现在拱顶处。当侧压力系数大于1时,上拱变形加强,但整体依然表现沉降变形,隧道最大竖向位移出现由拱腰转移到拱间处。K值在1附近时,隧道水平变形和拱顶变形所形成的最终变形量相等,可根据现场对水平位移和拱顶位移间的位移关系来判定隧道围岩侧压系数的大致取值范围。     

基于围岩压力及结构力学特征测试的隧道初期支护时机探讨

台阶法施工的隧道工程,上台阶的开挖支护是关键工序,其施工效率影响整个隧道施工的进度。因此,以黔张常铁路吴家边隧道为依托,基于现场测试结果,对Ⅳ级围岩隧道上台阶的开挖进尺和初期支护时机进行了探讨,重点研究了不同开挖进尺和初期支护时机工况下围岩压力的变化特征、初期支护的内力演变特征及其安全性。通过研究得到:Ⅳ级围岩地段上台阶开挖进尺最长可到6 m,再进行相应的支护体系施作,可提高机械设备的工作效率,加快施工进度;支护结构在刚度相同的情况下,结构内力按时间分配;二次衬砌基本不承担围岩压力,只是作为安全储备。     

蒙华铁路阳城隧道土砂分界地层分界面位置对围岩稳定性影响探究

为了解决隧道穿越土砂分界地层的围岩稳定性问题,以蒙华铁路阳城隧道为研究对象,采用现场试验、室内试验及数值试验等研究方法对土砂分界地层围岩稳定性进行探究,重点探讨地层种类及其厚度变化对围岩变形、塑性区扩展及支护结构受力的影响。结果表明： 1）相对单一地层,土砂分界地层会影响洞周应力分布,分界面处围岩容易先出现塑性区,且土砂分界地层围岩变形性质与软弱的全砂岩地层更为接近; 2）在土砂分界地层分界面处会产生较大的水平收敛,易出现拉应力; 3）土砂分界地层中,随着砂层所占比例的增大,拱顶沉降和洞周收敛不断增大,且分界面所在台阶处支护结构的应力发展会提前达到更高的峰值; 4）当分界面出现在上台阶时,围岩会产生极大的塑性变形,支护结构承受相对较大的应力,是土砂分界地层中最不利的分界情形。     

浅埋大断面公路隧道渐进破坏规律与安全控制

围绕浅埋大断面公路隧道渐近破坏过程与机制，以大永高速公路甸头隧道下穿大西二级公路工程为背景，开展了室内相似模型试验与现场监测分析。针对不同围岩级别条件（Ⅳ₃，Ⅴ₁和Ⅴ₂），分析了隧道毛洞开挖过程中围岩应力和位移变化规律，提出了基于变形差率的隧道施工安全控制指标，隧道施工现场监测验证了该指标的科学性，保障了隧道施工安全。研究结果表明：①隧道的破坏首先发生在拱顶位置，随着隧道的不同分部的开挖，破坏区向拱肩和地表扩展；围岩级别为Ⅳ₃时，隧道开挖后围岩形成一定厚度的塌落拱，塌落拱高度约为0.67M（M为隧道最大跨度）；围岩级别为Ⅴ₁和Ⅴ₂时，隧道开挖将引起围岩坍塌，形成塌方等较严重事故。②隧道开挖过程中，在开挖卸荷作用下，隧道产生不同程度的收敛与沉降，Ⅳ₃比Ⅴ₁，Ⅴ₁比Ⅴ₂，Ⅳ₃比Ⅴ₂最大地表变形分别减少了63.0%、20.0%和70.4%；隧道开挖应力变化方面，Ⅴ₁比Ⅳ₃，Ⅴ₂比Ⅴ₁，Ⅴ₂比Ⅳ₃最大应力变化量分别减少了43.5%、23.0%和56.5%，且Ⅳ₃，Ⅴ₁和Ⅴ₂围岩级别下隧道开挖过程应力和变形影响范围逐个增大。③采用模型试验手段，通过计算典型测点沉降差与测点距离的比值——变形差率，分别探讨Ⅴ₂，Ⅴ₁和Ⅳ₃围岩级别的浅埋隧道施工安全控制标准。隧道施工现场监测结果表明，对于Ⅴ₁级围岩浅埋隧道，当隧道地表横向和纵向变形差率均小于10 mm·m^-1，可防止公路地表裂缝的产生。研究成果对于浅埋大断面公路隧道施工与安全控制具有重要意义。     

浅埋小净距隧道合理净距及围岩稳定性分析

以贵州盘兴高速公路司家寨小净距隧道工程为例,采用有限差分法对不同净距下的小净距隧道进行了数值模拟研究,对比分析其拱顶沉降、拱底竖向位移、中夹岩竖向位移及剪应变增量的变化规律,探讨Ⅴ级围岩下的隧道合理净距以及围岩稳定性。结果表明:净距较小时隧道左右洞开挖的应力叠加效应明显,随着净距的减小,计算的各数值明显增大,围岩特别是中夹岩极有可能发生屈服破坏甚至失稳;小净距隧道选择净矩D为10 m较为合适。隧道的最大变形出现在拱顶、拱底靠近中夹岩柱方向约20°左右位置,而中夹岩的最大变形主要出现在中岩体靠近开挖断面位置且处于上下分布。     

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。     

阳城隧道土砂分界地层隧道围岩变形特征及控制工法研究

为解决采用三台阶法施工的土砂分界地层隧道围岩变形控制难题，以浩吉铁路阳城隧道为依托，采用室内试验、数值模拟和理论分析等方法对不同隧道埋深及土砂分界位置（土砂比，即土层厚度与砂层厚度之比）下的隧道围岩变形规律进行研究，并提出围岩变形控制工法的选取原则。研究结果表明： 1）不同隧道埋深及土砂比情况下的围岩变形曲线可分为变形预发展阶段、变形快速发展阶段、变形缓慢发展阶段和变形稳定阶段4个阶段，且均可采用Boltzmann函数进行良好拟合； 2）当土砂比由0∶1增至1∶0时，隧道拱顶沉降、边墙水平收敛和仰拱隆起对土砂分界面的位置变化具有不同的响应规律； 3）提出适用于采用三台阶法施工的土砂分界地层隧道围岩变形控制工法选取原则，并通过计算证明，该原则可有效指导围岩变形的控制。