不同埋深铁路隧道仰拱受力特征研究

以董志塬区银西高铁黄土隧道为例,对不同埋深条件下隧道仰拱的基底接触压力和钢拱架应力随时间的变化规律、空间分布特征及其差异性进行了对比研究。研究结果表明,浅埋隧道基底接触压力变化时间较深埋隧道略长;不同埋深隧道仰拱处最小基底接触压力均出现在拱底中心处,最大基底接触压力均出现在拱脚处,且同一部位浅埋隧道基底接触压力明显大于深埋隧道基底接触压力;在仰拱的同一部位处,深埋隧道钢拱架应力明显大于浅埋隧道钢拱架应力;仰拱部位钢拱架承受压应力为主,浅埋黄土隧道仰拱部位的钢拱架最大压应力出现在拱底中心,可达约12MPa;而深埋隧道拱脚部位的钢拱架压应力最大,可达26~33MPa。研究结果可为黄土隧道仰拱设计优化与施工提供参考。     

双洞八车道小净距隧道施工力学模型试验

基于室内模型试验,对深圳市南坪快速II期双洞8车道小净距隧道施工中隧道变形分布规律、二衬开裂破坏规律、裂缝集中部位及不同净距条件下二衬的极限承载力变化规律进行了研究。研究结果表明:在不同净距条件下,洞周各部位变形大小的分布情况基本相同,拱顶>右拱肩>左拱肩>仰拱>拱脚;起拱线以上各部位,包括拱顶、左拱肩、右拱肩的变形量,位移随双洞净距的增大而减小;可将12 m(约0.5B)作为IV级围岩下的最小合理净距,净距对起拱线以下各部位变形的影响不明显;最终裂缝集中出现在两洞仰拱和拱脚处,仰拱处裂缝全部贯通,拱脚处裂缝较小,一般不继续发展;远离中柱侧的拱肩也有可能出现贯通裂缝。     

大断面隧道仰拱底鼓破坏模式

仰拱作为隧道重要的组成部分,其底鼓变形是影响路面及轨道平顺性的关键因素,与车辆的安全运行息息相关,为确定大断面隧道仰拱底鼓的基本破坏模式,弄清仰拱底鼓产生机理,采用室内模型试验与扩展有限元数值模拟相结合的方法,对不同加载模式下仰拱底鼓的基本破坏模式进行研究,将试验结果与扩展有限元结果进行比较,验证试验中破坏模式的准确性。将围岩压力分为底部受力占优,侧面受力占优以及底部和侧面受力同时占优3种情况,以确保模型试验加载方式的可靠性,并对其破坏机理进行分析。研究结果表明：大断面隧道仰拱底鼓破坏的基本模式可以分为U-W形破坏、U-LJ形破坏以及U-H形破坏3种;U-W形底鼓时仰拱底部承受较大的顶升力,引起仰拱隆起变形,以仰拱中心受弯破坏为主,仰拱两侧拱腰处与上部衬砌相连,对其隆起有一定的阻碍作用,导致中心部位隆起速度明显高于两侧,最终形成W形的破坏形态;U-LJ形破坏时仰拱承受较大的水平轴力,导致仰拱出现剪切破坏,最终形成W形的破坏形态;U-H形破坏时仰拱在底部和侧面荷载的挤压下,仰拱与边墙的连接部位受剪破坏,无法有效传递轴力,最终导致仰拱与边墙脱开;仰拱中心以及仰拱与边墙连接部位为仰拱的易损薄弱位置;研究成果可为隧道仰拱结构的设计和施工提供理论依据,对保证隧道的安全运营具有重要意义。     

浅埋隧道施工地层位移控制的数值计算研究

以数值计算作为分析手段,模拟研究了浅埋隧道全断面开挖引起地层损失的主要因素。理论分析结果表明:即使在软弱围岩条件下,调节或改善核心围岩的力学行为及其强度,可以维护掌子面的稳定性和控制掌子面及其前方地层发生的绝大部分地层损失;超前加固隧道拱部、边墙和仰拱围岩,主要是减小掌子面后方地层损失,在相同的加固条件下在地层位移控制方面,仰拱超前加固最好,其次为边墙超前加固,最后为拱部超前加固。影响隧道拱部、边墙和仰拱超前加固效应的主要因素有加固层的厚度和加固后加固层的力学行为。     

特大跨度连拱隧道仰拱设置研究

福州长乐国际机场高速二期金鸡山隧道、罗汉山隧道均设计为双向8车道连拱隧道,在国内几乎没有可借鉴的工程。本文针对拱部位于Ⅳ级围岩而边墙以下为坚硬整体岩石的情况,对仰拱设置进行了计算分析。计算结果表明,这种情况下是否设置仰拱对围岩稳定、初支及二衬受力影响不大。     

水平泥岩砂岩互层隧道支护体系力学特性试验研究

公路隧道穿越水平泥岩砂岩互层施工过程中支护体系力学特性较为复杂,通过开展大梁峁特长公路隧道水平泥岩砂岩互层段支护体系现场试验,研究水平泥砂岩互层段隧道初期支护中的锚杆轴力、围岩压力,钢架应力、混凝土应力及支护变形,二次衬砌中接触压力和混凝土受力特征。分析表明：拱部锚杆作用明显,边墙锚杆受力较小,建议锚杆由拱部160°减少至拱部120°,同时适当增加拱部锚杆;围岩压力在断面开挖后7d时间内已基本达到最大围岩压力的80％左右,说明在该种岩层中隧道开挖后围岩压力释放较快;水平泥岩砂岩互层关键控制点在拱部位置,边墙部位的支护结构无论从受力还是变形来说均较小;研究成果可为水平层状岩层隧道及类似工程的修建提供参考。     

从当前铁路隧道衬砌典型病害谈设计施工改进措施

铁路隧道对运营安全性要求极高,特别是高速铁路隧道。通过系统研究分析隧道衬砌典型病害（仰拱上拱、涌水、拱顶掉块风险）的原因,提出设计施工需改进的工程技术措施建议： 1)仰拱上拱的主要原因是地下水、构造应力、膨胀力、施工质量、结构刚度不足等,建议采取加强隧底防排水、加大仰拱矢跨比、加强仰拱结构刚度和强度、确保仰拱施工质量等措施; 2)涌水的主要原因是岩溶等复杂的水文地质条件、排水设施未充分发挥作用、施工质量缺陷等,建议采取加强水文地质勘察及施工地质评估、优化排水设计、提高衬砌施工质量、加强运营维护管理等措施; 3)拱顶掉块风险的主要原因是拱部衬砌存在空洞、厚度不足、施工缝缺陷等,建议采取优化施工缝结构设计、加强开挖和防水板铺设质量控制、配备先进工装设备等措施。     

浅埋隧道仰拱计算模型与动态设计

由于缺少仰拱设计的理论依据,目前许多隧道的仰拱设计不尽合理,在浅埋隧道的仰拱设计中问题尤为突出。通过分析软基与隧道结构稳定性的关系,提出了浅埋隧道仰拱荷载的确定方法,其中以仰拱荷载系数将拱顶地层对隧道结构的垂直压力与仰拱荷载联系起来。结合仰拱的施工工艺,建立了三铰拱仰拱力学模型,给出了合理拱轴线的方程和内力计算公式。提出了浅埋隧道仰拱的设计步骤,并结合工程算例做了进一步说明。考虑到隧道开挖揭露的地质条件可能与设计勘察的地质条件有出入,建议将动态设计的理念引入到仰拱设计,使设计依据可靠,设计方法合理。     

单洞双线铁路隧道仰拱施工质量控制技术研究

为有效解决和控制仰拱厚度不够、强度不足、施工缝翻浆冒泥及上拱等施工质量问题,保障隧道工程建设和运营安全,依托渝昆高铁昭通隧道工程,采用隧道扫描系统检测仰拱开挖断面,确保仰拱厚度满足设计要求;采用液压自行式整体仰拱栈桥,优化仰拱弧形模板,实现分段分层浇筑和振捣工艺,提高混凝土施工质量;采用分离式仰拱端头钢模板,预铺仰拱端头弧形带并安装橡胶背贴和中埋止水带,提高了施工缝质量,减少了施工缝翻浆冒泥现象;设置隧底纵向排水管及逆向导水管等优化隧底排水设计措施,解决了水害造成的仰拱上拱问题;制定并落实隧道仰拱施工质量管理措施。通过在渝昆高铁昭通隧道施工中采取以上措施,实现了仰拱零欠厚,仰拱混凝土强度满足设计要求,施工缝质量零缺陷。     

深埋大跨度绿泥石片岩隧道变形规律及合理预留变形量

陕西宝鸡至汉中高速公路连城山隧道（双洞六车道）在穿越绿泥石片岩地层过程中发生了初期支护变形侵限、喷射混凝土开裂、钢架扭曲等严重大变形灾害,施工难度非常大。基于连城山隧道大变形现场调研和现场监控量测数据,统计分析了不同绿泥石片岩岩体状态下的隧道变形情况,研究了深埋大跨度绿泥石片岩隧道变形规律及合理预留变形量;在此基础上建立了深埋大跨度绿泥石片岩隧道施工变形控制基准。研究结果表明：隧道变形量与绿泥石片岩的岩体状态密切相关,绿泥石片岩呈粉末状时隧道变形量最大,绿泥石片岩呈块状或厚层状时隧道变形量相对最小;隧道变形整体上表现出拱部沉降明显大于水平收敛的特征;采用“三台阶留核心土法+拱墙部双层HK200b钢架+φ108大管径锁脚锚管+深仰拱”的施工方案时,粉末状、碎裂状（粉末加块石）、薄层状、块状或厚层状绿泥石片岩段隧道沉降量值分别为358~850,234~678,153~486,27~236 mm;其中以拱部初期支护的整体沉降为主,占总沉降的55.5%~86.1%;隧道沉降主要发生在上台阶和中台阶施工阶段,占总沉降的66.7%~82.7%;仰拱施作后产生的变形占比最小,为3.3%~4.9%。建议在以上4种绿泥石片岩岩体状态下,隧道预留变形量分别取70~95,50~70,30~50,15~30 cm;在保证隧道施工场地的前提下,应尽量缩短台阶长度,减少初期支护封闭成环的时间。     

大跨度软岩公路隧道仰拱承载性能及安全性研究

以陕西宝汉高速公路连城山隧道(双洞六车道)绿泥石片岩段为例,分析了大跨度软岩公路隧道仰拱病害原因,建立了隧道仰拱的弹性地基曲梁模型,推导了仰拱结构内力、仰拱地基反力等计算公式,分析了原设计仰拱二次衬砌极限承载力和受力规律,评价了原设计仰拱结构安全性;在此基础上,探讨了各仰拱参数对仰拱极限承载力的影响规律及敏感度,计算了参数变更后仰拱二次衬砌的极限承载力,并结合仰拱受力测试,进一步考察了参数变更后仰拱结构安全性。结果表明：隧道墙脚以沉降变形为主,导致仰拱两端承受很大的竖向荷载,而原设计仰拱本身承载力较弱,加上仰拱地基软弱并且受地下水的软化效应和高应力下的蠕变效应影响,是连城山隧道仰拱开裂破坏的主要原因;仰拱最危险截面距离仰拱端部约为半幅仰拱相应圆心角的1/5~1/4处,即位于墙脚附近,与现场观察到的墙脚附近仰拱回填开裂、仰拱与仰拱回填脱离等破坏现象一致;增大仰拱厚度、减小仰拱半径、增大仰拱钢筋直径和减小仰拱钢筋间距均能显著提高仰拱极限承载力,其中减小仰拱钢筋间距的效果相对最为显著;而由于仰拱最危险截面的受压区高度很小,提高混凝土强度等级对于改善仰拱整体安全性并不显著;参数变更后的仰拱二次衬砌采用C35钢筋混凝土,厚度为1 m,半径约为13.4 m,钢筋直径为28 mm,钢筋间距为20 cm,极限承载力可达原设计的3.6倍以上,结构安全性大幅提高;为提高材料利用率,建议仰拱混凝土强度等级采用C30。     

龙凤隧道下穿尖山子隧道施工

比较全面地介绍了遂渝铁路引入线第2标段龙凤隧道下穿渝合高速公路尖山子隧道的施工方法。从施工总体原则与要求着手，依次介绍了主要施工步骤与方法：管棚施工、开挖及支护、施工监测、仰拱与衬砌施工等，同时简要介绍了应采取的相关防护措施、应急保证措施。     

高速铁路隧道仰拱全工序履带式栈桥设计与应用

为缩短仰拱施工全工序作业时间、提高仰拱施工进度、降低仰拱工成本、减少施工人员和辅助材料的投入,开发了仰拱全工序履带式栈桥。该栈桥主桥底部分成基础底面清理及钢筋绑扎、仰拱衬砌及仰拱回填、仰拱养护3个12 m工作区,每个工作区分别配置相应的机械化装置,整车采用液压履带驱动。重点介绍全工序履带式栈桥的结构组成以及主桥、前后坡桥、驱动系统、仰拱衬砌系统和辅助工装的设计,对栈桥主要部件的强度进行校核,并应用在郑万高铁湖北段向家湾隧道施工中。结果表明： 在Ⅳ级围岩隧道中,仰拱全工序履带式栈桥相比普通仰拱栈桥,完成12 m仰拱全工序作业仅需要36 h,每延米可节省134.91元施工成本,且行走机构能够适应复杂的隧道施工环境,设备性能稳定、故障率低。     

季节性暴雨后某高速公路隧道病害及整治

为了解决长时间季节性暴雨后,运营隧道易出现病害的问题,对长时间季节性暴雨后高速公路某运营隧道发生的病害进行调查、监控、数值模拟及分析。研究结果表明:1)长时间大暴雨后,隧道病害关联性存在,表现为渗漏水、基底隆起、翻浆冒泥、中央排水沟堵塞以及衬砌变形破坏;2)排水系统堵塞后,隧道衬砌结构上水压力和内力急剧增大,隧道率先在仰拱和墙脚处出现破坏;3)隧道渗漏水病害采用凿槽引排,变形破坏段采用分段逐步换拱和仰拱施作,整个隧道采用中央排水沟扩挖、沉沙井和排水系统疏导的方法;4)病害整治期间隧道结构变形较小、收敛,结构安全,整治措施合理可靠。     

土质地层公路隧道大断面快速施工技术研究

随着交通工程建设的快速发展，公路长大隧道越来越多，常规施工方法效率较低，无法满足工期要求，这对公路隧道快速施工技术提出了新的挑战。以东天山特长公路隧道为背景，提出土质地层隧道大断面开挖工法，通过力学分析及现场对比试验，分析论证了该工法的可行性。结果表明：土质隧道大断面开挖时，采用超长小导管能够减少上部围岩压力对掌子面滑动土体的荷载作用，预留核心土则能够为掌子面滑动土体提供支撑反力，通过这2种控制措施能够实现土质围岩隧道掌子面稳定；相比台阶法，大断面开挖时围岩应力释放速率较快，变形快速发展，拱架和喷混凝土受力快速增长，支护封闭成环后可得到有效控制，但需进一步提高初期支护早期承载性能，即提高喷混凝土早期强度；采用大断面工法能够提升机械作业空间，简化工序，实现多组设备同时作业，相比两台阶施工，隧道施工效率提升约22%。综合评价，土质地层隧道采用大断面快速施工工法能够实现掌子面稳定，支护结构安全，且相比台阶法施工效率可得到显著提高。     

漫谈矿山法隧道技术第五讲——衬砌（一）

从使用性、应对未来不确定因素和特殊围岩时补充支护的力学功能等方面分析二次衬砌的功能,说明二次衬砌是确保隧道使用性、耐久性、降低不确定因素影响及具有力学功能的不可或缺的构件。分析衬砌的耐久性： 目前各国对衬砌的计划使用期限的规定一般是100年;调查显示,混凝土衬砌经过修补或采用“预防维护”体制,可以满足100年的耐久性要求,但运营隧道的衬砌有随时间逐渐劣化的趋势。隧道结构劣化的原因除了施工质量未达到设计要求外,主要是围岩劣化和衬砌本身劣化。结合日本的试验分析认为： 在耐久性设计中,可以不考虑围岩劣化的问题。混凝土衬砌的耐久性,多数情况下取决于混凝土的施工工艺。调查发现目前衬砌存在的主要问题有： 1）衬砌混凝土不密实; 2）衬砌背后留有空洞; 3）衬砌厚度不均匀,拱顶厚度偏薄且留有空隙; 4）衬砌混凝土存在潜在的裂缝。总结各国在提高隧道二次衬砌耐久性方面的主要措施： 1）尽可能不采用钢筋混凝土衬砌; 2）采用钢筋混凝土时,保护层厚度应不小于50 mm; 3）采用喷混凝土作为二次衬砌时,除计算厚度外,应增加50 mm的保护层厚度; 4）二次衬砌应设置仰拱; 5）仰拱和拱墙须“闭合成环”; 6）改善混凝土施工工艺; 7）减少混凝土衬砌的初始缺陷。认为在现有技术的基础上做好6）、7）两点,衬砌的耐久性将得到极大的改善。针对6）、7）两点,介绍日本在衬砌施工关键工艺--浇筑、捣固和养生方面的做法： 拱顶部水平压入浇筑工法、隧道衬砌拱顶捣固系统、喷雾养生和采用塑料模板,以期为我国同仁提供借鉴。     

漫谈矿山法隧道技术第十三讲——隧道施工精细化管理

为确保隧道安全,高质量、快速地施工,必须提高现行的施工管理水平,进行精细化的管理。精细化管理包括隧道设计、施工、运营全过程的管理,但重点是施工管理。隧道施工管理的内容基本上可归纳为安全（风险）管理、技术（作业、质量）管理及环境管理3类。本讲着重分析目前我国精细化隧道施工管理中安全（风险）、技术（作业、质量）管理存在的问题,并提出解决途径。1）指出安全管理实质是风险管理,我国在风险管理方面,制定和颁布了有关风险管理的指南、规定等,但在执行和落实中还存在一些问题。风险管理的目的是要把不可接受的风险变成可接受的风险,认为能否实现这一点,决定于精细化管理和技术水平。指出风险预测是风险管理的前提,强调风险管理的主要手段是进行掌子面前方地质预测、掌子面观察和洞内外变形量测,收集可靠情报,有效管理。2）指出技术管理的重点是对开挖、支护、衬砌的技术管理。目前我国的隧道施工技术管理普遍不到位,管理粗放。其中开挖管理重点应放在对掌子面前方、掌子面、掌子面后方拱脚部位等围岩的管理;支护管理的最终目的是把可能发生的位移值控制在容许范围内;衬砌施工管理的重点是衬砌及仰拱的连接,衬砌的施作时机,潜在的初期缺陷的控制。3)以混凝土衬砌初期缺陷控制为例,列出日本管理的细目表以及衬砌施工核查卡,说明只要管理到位,技术才能到位,质量也才会得到保证。4）最后强调“精细化管理”的目的就是要求“技术精细到位”。不管技术多么好,做不到位,一切免谈。对隧道这样的隐蔽工程,这一点尤为重要。在这方面管理层要下大力气,不可等闲视之。     

偏压浅埋连拱隧道施工过程的三维数值模拟

针对一座浅埋偏压条件下的双连拱隧道，分别按三导洞先墙后拱法和中导洞法对其施工过程进行了三维弹塑性有限元模拟分析。计算结果揭示了该条件下双连拱隧道衬砌结构的受力和变形以及围岩的塑性区分布都具有明显的非对称特性，衬砌内侧的拱部和内外侧仰拱承受了较大的拉应力而成为结构的薄弱环节，中隔墙因在不对称水平推力作用下发生偏转成为影响衬砌结构稳定的关键因素，并在此基础上对提高结构的稳定性提出了建议。     

全自动液压栈桥式仰拱移动模架一体机施工技术研究

为解决隧道仰拱施工中传统设备简易、工艺落后导致的施工质量难以保证,在仰拱开挖、出渣等工序作业时过往的人员、车辆、机械设备无法正常通行以及现有客运专线隧道仰拱施工设备机械化程度底、集成度不高等问题,以沪昆客运专线贵州段CKGZTJ-3标栋梁坡隧道为例,对仰拱栈桥、模板体系、走行机构等进行研究,研制的全自动液压栈桥式仰拱移动模架一体机集成了栈桥、仰拱模板、中心水沟模板、走行机构、液压和液电装置等结构件。在施工过程中,先优化仰拱段施工作业区,利用全自动液压、液电系统功能控制栈桥行走、仰拱和中心水沟模板安装及定位作业; 在仰拱施工期间,与过往的人员、车辆、机械设备以及掌子面施工形成互不干扰、平行推进的局面。该全自动液压栈桥式仰拱移动模架一体机有效减少了作业人员和辅助材料的投入,工效明显提升,安全步距可控,并保证了仰拱衬砌和仰拱填充以及中心水沟的质量。     

基坑工程明挖对下卧软土公路隧道的影响分析

软土地区公路隧道受上方开挖卸荷作用产生受力变形是城市基础设施建设面临的热点和难点问题。提出了基坑开挖引起下卧盾构隧道横向响应的简化计算模型,假设隧道横断面上下方土体抗力的分布形式为不相等的三角形分布,利用力法求解了隧道横断面变形与内力。通过有限元分析验证解析模型的可靠性,并分析了地基基床系数、隧道半径及隧道衬砌厚度等因素对隧道横断面响应的影响。研究表明：隧道拱顶土体基床系数变化对隧道衬砌附加内力有较大影响;隧道变形主要受衬砌厚度与隧道外径的比值影响,而衬砌附加内力则主要与隧道外径相关。