三台阶六部短距法在铁路隧道施工中的应用研究

研究目的:新建贵(阳)广(州)铁路客运专线三都～五通间属于高原斜坡侵蚀、构造中、低山区,沿线地质构造复杂多变,隧道洞身地质中Ⅳ、Ⅴ级围岩等级所占比重大,施工安全风险高。针对开挖断面为138 m2～146 m2的特大开挖断面的软弱地质围岩铁路隧道,必须采取可靠的施工工法,才能确保隧道施工安全。研究结论:以贵广铁路大断面Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩地质隧道施工为背景,在总结了传统三台阶施工工法的经验基础上,施工采用三台阶六部短距开挖工法,将隧道整个开挖断面分为三个台阶六个作业面,上、中、下各台阶施工同步推进,弥补了CRD法或双侧壁导坑法等方法工序多、工期长、对围岩扰动次数多的不足,便于现场施工组织管理,且机械化程度高,缩短了工期。根据现场工程实践,该工法既保障了隧道施工安全,又提高了施工进度。     

软弱围岩隧道CD法和台阶法施工力学行为分析

为分析软弱围岩隧道在不同开挖方法过程中稳定性以及拱顶沉降变化规律,以某隧道工程实例为背景,借助有限差分软件FLAC~(3D)数值模拟并和实际监测数据对比分析,研究软弱围岩隧道在CD法和台阶法两种不同开挖方法施工过程中围岩变形、应力变化和围岩塑性区分布规律。实际监测数据和模拟计算结果均表明,采用CD法开挖断面关键点位移和应力明显小于台阶法,随开挖步影响范围也比台阶法要小。总之CD法较台阶法能更好控制围岩变形和应力发展,塑性区分布范围也明显小于台阶法。     

Ⅳ级围岩隧道两台阶法开挖进尺研究

以吉图珲高铁富岩1号隧道为工程实例,运用有限元分析方法对不同开挖循环进尺下的隧道两台阶法进行数值模拟,对比分析不同工况下隧道变形和应力的响应规律,得出工程适用的开挖循环进尺。研究结果表明:开挖进尺对围岩变形影响较大,两者呈线性正相关关系;在Ⅳ级较差围岩条件下,拱顶受拉破坏先于拱腰和掌子面的受剪破坏,拱顶掌子面后方1 m处第一主应力达到最大值;随着开挖进尺的增大,拱顶第一主应力和拱腰、掌子面处D-P值均增大,隧道更易发生破坏;Ⅳ级较差围岩,开挖进尺建议取2.0 m,Ⅳ级偏好围岩开挖进尺可增大至4 m。     

亚黏土地层隧道台阶七步开挖施工现场测试研究

湖南省衡炎高速公路云阳山隧道进口段为亚黏土地层,由于该地层含水量高、可塑性强、自稳能力差,承载力低,给隧道施工造成困难。根据云阳山隧道亚黏土地层台阶七步开挖法实际施工情况,选取典型断面,进行了拱顶位移、钢支撑受力的量测,研究台阶七步开挖法各施工步骤对隧道围岩和支护结构稳定性的影响,同时进行了地表沉降和位移的监测,特别是对沿隧道纵向地表沉降进行了监测,获得了亚黏土地层条件下采用台阶七步开挖法施工围岩变形以及结构受力的特征,对于台阶七步开挖法的推广应用具有参考作用。     

隧道三台阶七步法的工效研究

铁路大断面隧道三台阶七步开挖法目前已经在黄土、强风化岩层等Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩隧道施工中普遍采用。但由于湿喷设备、施工工艺衔接等诸多原因,隧道施工工效低下。因此研究开发了松土器、三喷头湿喷机械手等设备,不断优化了三台阶七步开挖法施工工艺,显著地提高了施工效能,其研究成果在沪昆客专云南段大坪地隧道出口得到成功应用。     

新宝塔山隧道台阶法施工数值模拟分析

采用有限元数值分析方法,对新宝塔山隧道的Ⅳ级围岩段台阶法动态施工过程进行模拟分析,得到每一步开挖过程围岩的位移场和应力场以及支护结构的内力,通过数值计算结果可以对隧道施工过程中围岩的状态进行预测,进而指导施工方案及开挖顺序的确定,同时通过对支护结构内力的分析判断其设计参数是否合理可行。分析和实测结果表明:新宝塔山隧道的Ⅳ级围岩段采用台阶法施工过程中围岩基本稳定,支护结构设计参数选择是合理可行的。     

三台阶大拱脚临时仰拱法与微台阶法在砂质黄土隧道中的适用性对比分析

在软弱围岩隧道施工中常采用三台阶大拱脚临时仰拱法和微台阶法。针对蒙华铁路阳城隧道上覆砂质黄土下伏软弱围岩的典型工况,采用MIDAS有限元软件对三台阶大拱脚临时仰拱法和微台阶法的施工过程进行了数值模拟。结果表明:采用大拱脚临时仰拱法施工最大拱顶沉降、最大水平收敛、最大掌子面挤出位移和最大地表累计沉降均小于采用微台阶法施工,三台阶大拱脚临时仰拱法能更好地控制围岩变形,更适合于上覆砂质黄土下伏软弱围岩隧道施工。该工法已在蒙华铁路实际工程中应用,取得了良好效果。     

基于精细爆破的隧道微台阶开挖工法与工程应用

研究目的:通过精细爆破技术和悬臂拼装式多功能台架应用,开发出一种适用于Ⅳ、Ⅴ级石质围岩隧道施工的开挖新工法,以解决软弱围岩隧道开挖掌子面与仰拱等后继工序安全步距保持、进度保障等施工问题.研究结论:基于精细爆破技术和悬臂拼装式多功能台架的隧道微台阶开挖工法,有效地提高了软弱围岩隧道开挖施工效率,为后继工序施工提供了更大的作业空间,缩小了掌子面与仰拱、二衬之间的距离,有利于保障隧道施工安全和进度.     

高地应力软弱围岩铁路隧道的衬砌压力

以关角隧道为工程背景,采用开挖应力释放率模型,研究高地应力软弱围岩地质条件下铁路隧道的衬砌压力.基于现场实测地应力和施工监测位移,根据台阶法开挖中存在的空间效应,推算未监测到的坑道周边位移和掌子面前方位移,再采用改进的BP人工神经网络模型预测隧道围岩的最终位移.利用开挖应力释放率模型获得隧道衬砌压力及应力释放规律.该规律与经典围岩特征曲线规律一致,且与工程经验和现场施工状态基本符合.采用FLAC3D软件对该段隧道开挖过程进行三维数值模拟,验证了上述方法在高地应力软弱围岩地质条件下的正确性和合理性.计算结果和模拟结果均表明:由于高地应力软弱围岩和初支效果不佳,使得关角隧道DyK307+ 900处衬砌压力较大,隧道结构处于不利的受力状态.     

三台阶七步法在铁路软弱围岩隧道浅埋段中的应用

通过大断面软弱围岩铁路隧道工程实践,分析了传统工法逐渐暴露出的一些不足。通过方案比选论证,提出了台阶法施工的可行性。结合兰渝铁路胡家湾隧道施工,介绍了三台阶施工的工艺和流程。     

拱北隧道多台阶分部 暗挖方案研究

拱北隧道暗挖段开挖断面约337m2,在管幕-冻结复合帷幕作为超前支护下,进行多台阶分部开挖。原设计采用5台阶15部开挖工法,结合科研成果和现场可操作性,通过方案比选,对暗挖方案进行了优化,推荐采用5台阶14部竖撑方案,并采用台阶法进行开挖。本文利用数值分析软件对五台阶15分区方案,五台阶14分区斜撑方案,五台阶14部竖撑方案进行了对比,研究了各工况下隧道结构受力规律及安全性。分析结果表明：1）采用三种开挖方案均能满足结构安全要求,但五台阶14分区斜撑和竖撑方案更有利于机械化开挖施工;2）斜撑方案相对竖撑方案受力较大,且拼装难度大,精度要求高,施工安全性低;3）采用台阶法相对于侧壁导坑法,边脚部的初期支护变形更小,有利于冻土与管幕的协同变形,提高复合帷幕的封水安全。     

软弱富水Ⅵ级围岩隧道下穿道路及数值分析

研究目的:针对江门隧道软弱富水Ⅵ级围岩段隧道施工难题,为保证隧道施工安全及下穿段道路的运营安全,选择合适的超前预加固方式和隧道开挖方法。研究结论:(1)采用施作水平旋喷桩超前加固、大管棚超前支护和CRD工法进行开挖,保证了隧道下穿段的施工安全。(2)借助有限元计算软件,对隧道开挖过程进行全过程数值模拟,对开挖过程中围岩应力和位移变化趋势进行分析,确定施工控制和地表变形监测重点。(3)在施工过程中钢架需及时封闭成环,防止底部出现较大的位移,产生底臌现象。     

大断面公路隧道开挖数值模拟与监测研究

以大断面公路砂岩隧道——连湖隧道工程为依托,结合数值模拟对台阶法及CD法施工围岩应力及位移变化规律进行对比分析。结果表明,CD法开挖时拱顶下沉和水平收敛的累计位移相比两台阶法分别减少了27.8%和34.0%;围岩受力急剧增长阶段发生在洞室开挖前5 d;模拟台阶法、CD法施工时拱顶下沉和水平收敛的变形量分别比实测值小7.1%和11.8%、32.9%和41.8%;围岩整体受力呈先急剧增加后缓慢增加再趋于稳定的趋势,二衬受力稳定值分布呈中间小、两侧大的马鞍型,施工过程中需加强左右断面的监控量测工作。     

引水隧洞突涌段变形特征及控制关键技术研究

深埋引水隧洞突泥突水洞段注浆固结圈与初期支护结构作为协同承载结构,其荷载分担与变形控制对结构和施工安全有重要作用。为研究深埋引水隧洞突涌洞段围岩与支护体系稳定性,以滇中引水狮子山隧洞为工程依托,通过现场对围岩-支护监控量测与第二层型钢拱架受力监测,结合施工工况动态分析围岩-支护体系受力与变形,研究总结突涌段施工变形控制关键技术。研究结论:(1)深埋隧洞突涌洞段拱顶累计沉降17.4 mm,达预留值的17%左右;拱肩、拱腰累计收敛106.6 mm、98.1 mm,达预留值100%左右。(2)突涌洞段理论预测极限位移150 mm;现场监测评价设定阈值uo=100 mm,当达到2/3时,应采取加强措施。(3)最佳开挖方法为微台阶法。各级台阶长度控制在3 m左右,按“快挖、快支、快封闭”原则组织施工。(4)超前预支护管棚结构起到提高固结体刚度作用,较固结体提高约13倍。(5)双层支护结构强度、刚度增加,承载能力明显提高,施工安全性也得以提高。     

大断面软弱围岩隧道开挖支护模拟分析

结合广深港客运专线ZH-2标百足地隧道的施工实例,采用数值模拟分析的研究方法,对大断面软弱围岩隧道开挖支护情况进行了施工过程的研究。主要对三台阶典型开挖步骤的变化情况进行了数值模拟,研究了开挖对洞周围岩压力、初期支护的内力、洞内水平收敛及拱顶下沉的影响。通过对隧道开挖和支护施工过程的数值模拟来分析施工中初支内力、拱顶沉降以及隧道收敛在各施工阶段的变化情况,以便在施工中结合监控量测数值来指导施工。     

基于强度折减法的浅埋偏压小净距隧道围岩稳定性分析

针对广东某浅埋偏压小净距高速公路隧道,采用有限元强度折减法基本原理,研究隧道施工过程中各施工工序的安全系数动态变化过程,并对极限状态下关键施工工序的围岩塑性区与隧道围岩位移进行分析,结论为:隧道左洞第一步开挖时,由于中岩柱的出现,其安全系数最小,为最危险施工步,其次为两个洞室临时岩柱上台阶开挖;施工中中岩柱、洞室左拱腰和右拱脚出现大量塑性区,为围岩应力危险区域;中岩柱水平位移在施工过程中呈现出左右往返变化,右侧隧道竖向位移及其上部地表沉降较大,为监控量测重点部位。     

高速公路小净距隧道施工方法探讨

小净距隧道是双洞隧道净距介于连拱隧道与规范要求上下行分离式隧道最小净距之间的一种特殊隧道结构形式。由于隧道净距小,施工时双洞相互影响较大,对隧道围岩特别是中夹岩岩体稳定性有很大的影响。因此,探讨安全、合理、经济的高速公路小净距隧道施工方法十分必要。本文结合净距4.0 m、埋深30.0 m的Ⅰ类同岩段高速公路小净距隧道工程实践,通过三维弹塑性有限元数值仿真模拟,分析双洞侧壁导坑法、侧壁导坑与上下台阶组合法及双洞上下台阶法三种施工方法施工时隧道围岩破坏接近度、围岩变形位移特征,探讨其优劣和适应性,为高速公路小净距隧道设计、施工提供科学依据。     

超大直径盾构出井吊装对工作井影响研究

以济南黄河隧道南岸接收工作井盾构机出井吊装为工程背景,借助有限元分析软件,重点分析东线隧道贯通及吊装施工对黄河隧道南岸工作井的变形及受力影响。结果表明:(1)东线隧道贯通时,地连墙最大水平位移为-1.13 mm,主体结构最大水平位移为-0.92 mm;吊装施工时,地连墙最大水平位移为-1.06 mm,主体结构最大水平位移为-0.86 mm,受吊装荷载的影响,地连墙顶部出现向坑外的位移。(2)东线隧道贯通、吊装施工时环框梁的最大弯矩值为16325 kN·m,出现在第二道环框梁中部位置;受履带吊吊装施工超载影响,主体结构最大弯矩值为3915 kN·m,出现在东墙(竖向)支座处。(3)受隧道开洞及施工超载影响,主体结构最大弯矩值为2837 kN·m,出现在北墙支座处;受结构埋深影响,环框梁最大弯矩值为9634 kN·m,出现在第三道环框梁端部位置。盾构出井吊装方案可行,施工过程对工作井影响较小,能保证工作井安全;此外,在满足吊装要求的同时,履带吊应尽量远离接收井,以减小对主体结构的影响。     

硬-软互层层厚构造影响隧道围岩开挖损伤研究

研究目的:在实际地质环境中,隧道开挖所表现出来的各种变形破坏都是各种因素综合影响的产物。但顺层构造由于其分层特性和结构形式的特点决定了在这样的地质环境中开挖隧道,其围岩受力之后的变形和破坏具有一定的特殊性。本文以拟建某高铁宝云隧道为例,就硬-软互层顺层构造作用下隧道围岩开挖损伤变形开展数值模拟分析评价,主要研究不同岩层厚度影响下的隧道围岩变形、围岩屈服渐进性及稳定性,并给出强度折减至极限状态时硬-软互层组合隧道的变形破坏模式。研究结论:(1)薄层弯曲变形是不同岩层厚度构造作用下硬-软互层顺层隧道开挖的主要变形形式,厚层围岩虽体现出了较明显的滑移,但变形量值较小,隧道支护设计时应考虑岩层厚度控制的该变形特点;(2)硬软互层组合屈服区主要沿顺层面向软岩展布,层厚越小,屈服范围越大,以0.2 m层厚顺层向屈服区为典型,层厚超过0.4 m后,拱腰顺层面屈服区迅速减小,且随厚度增大,两个方向屈服区不断减小;(3)强度折减条件下,层厚超过1.5 m后,稳定安全系数趋于定值,围岩强度主要受软岩自身控制,受硬-软组合结构影响程度降低;(4)岩层厚度较小时,隧道围岩变形模式以岩层弯曲为主,随岩层厚度的不断增大,变形模式逐渐转变为顺层滑移为主、滑移与弯曲并存;(5)本研究成果对促进该高铁的顺利建设具有理论意义和工程价值。     

牡绥铁路双丰隧道富水第三系砂泥岩地层超前注浆加固施工技术

双丰隧道是牡绥铁路最长隧道和重点控制性工程。隧道洞身长约2.3 km段穿越第三系砂泥岩及砂泥岩与其他岩层接触带的地层,其中第三系砂泥岩成岩作用差,属于极软岩;而隧道埋深较深,地形起伏不大,地下水在第三系砂岩及砂泥岩与其他岩层接触带处呈现富集,具有水量大、补给来源广和空间分布极不均一的特点,导致隧道变形大,塌方、涌水涌泥的风险极高,造成施工困难。结合本地层特点研究并采用上半断面加固全断面的超前注浆加固方案,经综合效果评价和施工开挖验证,加固效果良好,有效地保证了隧道的施工安全和顺利贯通。