基于荷载结构法的隧道初期支护设计方法研究

研究目的:现有隧道初期支护的设计方法主要有工程类比法、地层结构法、特征曲线法等,这些方法在实际工程应用中均存在一定的局限性和困难,且没有提出明确的安全系数要求,导致设计的可靠性降低,不便于设计应用,因此有必要研究便于量化设计并具有明确安全系数的荷载结构法。研究结论:(1)本文所建立的初期支护荷载结构模型,可以得出初期支护的具体安全系数;(2)在锚杆长度满足模型三所需安全系数的前提下,喷锚组合支护的安全系数由喷层和锚杆各自的安全系数相加而成;(3)初期支护的最小安全系数取值需要根据计算模型的计算精度、初期支护的设计作用以及隧道工程的特点等因素综合确定,建议初期支护作为承载主体时为1.8～2.1,作为临时支护时为1.3～1.5;(4)现行时速350 km高速铁路双线隧道深埋Ⅲ、Ⅳ级围岩支护参数的安全性计算结果表明,当初期支护作为承载主体时,Ⅲ级围岩支护参数具有一定的优化余地,Ⅳ级围岩支护参数能适应400 m以内埋深;当初期支护仅作为临时承载结构时,Ⅳ级围岩支护参数能适应1 000 m以内埋深;(5)隧道埋深对围岩压力影响较大,建议按照不同埋深进行初期支护设计,以提高经济性;(6)本研究结果可为隧道初期支护设计提供思路和方法。     

基于反射波法的灌注桩质量检测研究

应用反射波法检验桩基质量已有比较完善的理论基础并在工程建设中得到了广泛应用。反射波法检测桩身质量是在桩顶加一激振能量,引起桩身的振动,记录桩身的振动信号并加以分析,从而达到确定桩身材料强度、检查桩身的完整性、评价桩身施工质量的目的。在检测桩基中应用反射波法,应合理地选择检测传感器、激振方法、参数设定以及分析手段,只有综合考虑各种因素,才能得出符合实际的检测结果。     

锚杆锚固质量及工作状态无损检测理论及应用

动测法是检测锚杆工作状态与锚固质量的一种快速、可靠的无损检测方法。它是通过对锚杆锚固应力反射波信号进行时域、频域分析,从而获得表征锚杆工作状态的一系列参数,即锚固长度、极限承载能力及工作载荷。文章论述了动测法的基本原理,并介绍了现场实际检测工作。     

高速铁路工程质量无损检测技术及应用

无损检测技术具有无损、快速和准确等特点,已成为高速铁路工程质量检测技术的主要手段。本文对桥梁工程、路基工程和隧道工程中的无损检测技术应用进行了综述,并对预制箱梁混凝土强度检测、桥梁支座垫石钢筋、强度检测、锚杆锚固质量检测等目前尚未广泛运用的检测技术进行了详细介绍。     

基于弹性波反射原理的锚杆(索)无损检测试验研究

通过分析国内外应力波无损检测技术的相关理论和工程应用实例,采用基于弹性波反射原理的无损检测技术对不同类型锚杆(索)进行了理想模型试验和现场原型检测,并详细记录施工资料与锚固体无损检测数据。随机抽取实际工程样本进行检测,通过剖面查验等方法对其检测结果进行对比、校正。试验结果表明:基于弹性波反射原理的锚杆(索)无损检测技术能快速有效地检测锚杆、钢锚管及锚索的锚固段、自由段长度、缺陷出现的位置和注浆饱和度。锚索施加应力后,锚索自由端长度和锚固端长度的检测信号明显减弱,须通过进一步试验来确定。     

富水角砾岩岩溶隧道综合加固效应及基底稳定性分析

以沪昆铁路麻拉寨隧道为工程背景,采用FLAC3D软件建立隧道三维数值模型,对采用大管棚加小导管综合超前支护、中台阶拱脚纵梁加固及中台阶添加临时仰拱等加固措施进行数值模拟分析。结果表明:中台阶拱脚纵梁的加固能明显增强初期支护拱脚的稳定性;综合加固措施对控制隧道围岩变形效果较好,对改善初期支护受力状态,特别是改善拉应力非常明显。在此基础上,模拟分析不同激振频率下隧道基底有、无桩筏基础情况下列车动荷载对隧道基底工后沉降和振动的动力响应规律。结果表明:激振频率对各测点沉降和振动速度的影响均较小,且高频激振对结构产生的危害要小于低频激振;采用桩筏基础加固隧道基底,对减小隧道基底沉降和振动速度的作用均非常明显,其最大沉降和最大振动速度比无桩筏基础时减小40.7%和74.4%,从而满足了相关要求,为隧道后期运营安全提供了保障。     

超大跨度隧道预应力锚杆——锚索协同支护机理

探索运用1种新型支护形式预应力锚杆—锚索协同支护体系,在京张高铁八达岭长城站大跨过渡段跨度极大(32.7 m)且围岩质量极差(Ⅴ级围岩)的情况下保障隧道安全建设。通过现场监测,研究预应力锚杆—锚索的力学行为,结合现场围岩微震监测,分析预应力锚杆—锚索协同支护机理。结果表明:预应力锚杆、锚索的轴力均由初始预应力、预应力损失和被动支护力3部分决定;在隧道开挖过程中,锚杆和锚索的轴力演化过程可分为预应力快速损失、轴力波动和轴力稳定3个阶段,且预应力锚杆轴力沿自由段非均匀分布,锚杆自由段存在多个中性点;预应力锚杆锚固于浅层围岩内部,与被锚固岩体组成组合拱结构承担围岩荷载;预应力锚索锚固于深层围岩区域,调动深层围岩的承载力承担围岩荷载,并提高锚杆组合拱的稳定性;预应力锚杆—锚索协同作用实现了超大跨度隧道围岩的有效支护。     

当前铁路隧道建设中几个问题的探讨

针对当前铁路隧道钻爆法建设中普遍采用的机具装备与工序组织,分析现阶段存在仰拱栈桥长度不足、初期支护工序矛盾、锁脚锚杆设置意见不统一、初期支护缺乏检测4个方面的问题,提出加长仰拱栈桥、调整初期支护工序、规范锁脚锚杆设置、增加初期支护无损检测的解决方案。     

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。     

铁路隧道近距下穿地铁隧道的微振爆破技术

研究目的:隧道超近距下穿运营地铁隧道时,通常采用机械施工。本文基于目前最先进的起爆器材——电子雷管,采用隧道电子雷管单孔连续起爆降振技术,利用无线爆破振动监测设备测试每次爆破产生的振动,优化爆破参数和减振措施,确保运营地铁隧道和列车内人员的安全,形成超近距下穿运营地铁隧道的微振爆破技术。研究结论:(1)超近接隧道修建时,可以采用微振爆破技术,根据保护目标的要求,可适当增加减振措施;(2)采用微振爆破技术,在施工效率和经济成本方面优于机械施工;(3)掏槽区设置减振孔的减振效果明显,减振效果与减振孔孔径大小和数量有关;(4)目前的爆破振动规律或计算公式并不适合近接隧道的爆破振动控制,这种情况下建议:每炮均测试爆破振动,然后调整爆破参数满足控制标准;(5)本研究成果可为近接隧道施工提供参考。     

采用总安全系数法对几个隧道设计问题的探讨

研究目的:目前复合式衬砌支护参数的设计以工程类比法为主,无法得出安全系数,因而设计施工中经常对锚杆设置、隧道承载主体、支护参数优化等问题存在争议。本文采用总安全系数法对这些争议问题进行探讨,并提出相关建议。研究结论:(1)因实测锚杆轴力小而少设或不设锚杆,会降低结构的总安全系数;目前采用的砂浆锚杆耐久性不足,仅对施工阶段和运营初期的安全性有作用;如采用耐久性锚杆,则大部分隧道的喷层厚度可减少;(2)在满足施工和运营总安全系数的前提下,复合式衬砌可以有多种设计方案,且初期支护、二次衬砌都是承载主体,最为合理的方案除考虑经济性、耐久性等因素外,还应保证喷层与二衬具有合理的强度匹配;(3)建议根据地层条件、埋深、地下水发育情况进行支护参数的优化;(4)本研究成果可为隧道优化设计提供思路和方法。     

锚注联合支护效果的数值模拟研究

研究目的:采用数值计算的方法从控制隧道变形、塑性区扩展,提高锚杆锚固力,减少初期支护受力等方面对锚注支护与常规喷锚支护的支护效果进行对比研究.研究结论:以具体工程为例,采用数值计算的方法对破碎软弱围岩条件下锚注支护与常规喷锚支护的支护效果进行了系统分析和对比研究.研究表明:对松散、破碎围岩而言,锚注联合支护通过提高围岩强度、锚杆锚固力,从而提高围岩自承能力及支护结构作用在洞室周边的径向压力,与常规喷锚支护相比可有效限制围岩变形,抑制塑性区的发展,提高锚杆锚固力,减少钢拱架及喷射混凝土层的受力,提高初期支护稳定性,特别适宜于破碎软弱围岩的支护.     

基于Burgers蠕变模型的圆形隧道内力分析方法对比研究

以高黎贡山TBM施工的特定段圆形隧道为工程对象,基于围岩蠕变的Burgers模型,提出了隧道衬砌内力计算的地层结构分析法和荷载结构分析法,对比研究两种分析方法的异同点和特点,得出以下结论:(1)地层结构分析法能模拟地层自重应力及其重分布、隧道开挖和支护效应,并能通过蠕变的非线性迭代获得隧道衬砌内力结果,在隧道开挖后围岩蠕变的整个过程中,模拟精度较高,但计算耗时稍长;(2)荷载结构分析法不能考虑地层自重应力以及隧道开挖支护效应,建模相对简单,计算耗时短,但计算前需准备等效节点荷载,对蠕变早期的模拟精度相对较差,对蠕变中后期的模拟结果与地层结构分析法较为一致;(3)综合考虑各种因素,建议围岩蠕变下的隧道衬砌内力分析优先选用地层结构分析法。     

京张高铁隧道隐蔽工程施工质量控制及效果评价方法研究

铁路隐蔽工程的施工质量好坏直接关系到铁路建设工程质量,为了保证铁路隧道隐蔽工程施工质量与效果,有必要研究隐蔽工程质量控制及效果评价方法。依托京张高铁新八达岭隧道工程,对隧道建设施工过程中初期支护、仰拱及拱墙衬砌等隐蔽工程的施工质量控制现状进行阐述,提出通过施工信息化手段让隐蔽工程"去隐蔽化"是控制隐蔽工程质量的关键,针对较为重要的隧道爆破开挖和锚杆支护的施工质量效果评价进行探讨。其中,隧道爆破超欠挖质量控制通过三维激光扫描技术的点云模型达到可视化效果;锚杆支护的施工质量评价则基于现行铁路隧道工程施工质量验收标准,通过制定各评定项目的权重,对锚杆支护施工质量进行量化,该方法在保证成果数据的时效性和真实性的前提下,对隧道工程施工过程中的安全风险起到了有效预防作用。     

地铁列车振动荷载作用下近接隧道动力响应分析

地铁列车振动引起的动力响应是地铁营运期间的重点问题。为研究地铁列车振动荷载作用下近接隧道的动力响应,依托工程实例,以激振力函数法模拟列车振动荷载,利用FLAC3D软件建立隧道及周围土体三维数值模型,对近接隧道结构不同位置的振动加速度、应力、位移响应进行模拟分析。结果表明：(1)隧道底板的加速度响应大于顶板,左侧壁、中板和右侧壁,中部位置的测点加速度峰值最大;(2)隧道左侧壁和右侧壁上测点距底板距离越大,应力响应越小,而中板上测点的应力响应基本不随距离变化;(3)隧道底板上各测点竖向动位移均随时间不断增大,并且大致可分为3个阶段,随着底板上测点与地铁隧道的距离增加,其竖向动位移量呈线性减小。     

隧道掌子面锚杆加固参数确定方法

依托新意法的基本概念,提出锚杆加固密度、加固长度、加固范围的确定方法;基于摩尔库伦屈服准则对两种超前措施的力学原理进行解释,提出两种措施的适用条件;采取理论分析和数值模拟相结合的方法,根据掌子面上土体的约束力和锚杆锚固力的平衡以及单根锚杆的局部锚固力确定锚杆的加固密度,根据掌子面失稳机理与破裂面的深度确定锚杆的加固长度。最后通过不稳定状态下隧道掌子面的稳定过程,阐述核心土保护措施和核心土加固措施的适用条件。研究结果对隧道施工支护参数的确定具有一定参考价值。     

复合式衬砌隧道的总安全系数设计方法探讨

研究目的:铁路、公路等交通隧道常采用复合式衬砌,其中初期支护一般采用地层-结构法或工程类比法进行设计,二次衬砌采用荷载-结构法进行设计,由于二者采用的分析方法不同,难以统一评价整体结构的安全性。现有隧道设计规范仅提出了二次衬砌的安全系数要求,但复合式衬砌并非单一结构,有必要研究初期支护和二次衬砌的总安全系数。同时为建立总安全系数设计法,有必要研究初期支护的荷载-结构模型。研究结论:(1)对于采用喷锚支护的复合式衬砌隧道结构,围岩压力随埋深的增加而增加,隧道支护参数应根据埋深进行相应调整;(2)采用荷载-结构模型可以建立复合式衬砌初期支护和二次衬砌的统一设计方法;(3)复合式衬砌隧道的总安全系数应包含初期支护和二次衬砌各自的贡献,当二次衬砌为钢筋混凝土时,总安全系数建议不低于3.0,否则不低于3.6;(4)不同设计方法所建议的初期支护和二次衬砌的安全系数分配可按表2采用;(5)采用本文设计方法对现有高速铁路隧道结构安全性进行再分析,结果表明,在埋深为300 m左右时,Ⅲ、Ⅳ级围岩支护参数有进一步优化的空间;(6)本研究结果可为复合式衬砌隧道结构设计提供思路和方法。     

高速铁路隧道超前支护稳定性试验研究

为研究深埋隧道超前支护的应用效果,依托银兰高铁香山隧道工程,模拟开展隧道三台阶法开挖对比试验,通过分析不同位置土压力变化情况、掌子面变形情况和锚杆微应变峰值变化,研究锚杆支护对于掌子面和围岩稳定性的影响。研究表明：(1)锚杆支护对土体变形有很好的限制效果,并且对于竖直方向土体限制要优于水平方向。(2)锚杆支护对于掌子面前方土体的加固限制了上方围岩的变形范围,间接提高了围岩稳定性。(3)锚杆支护后,掌子面最终变形量减少0.92 mm,位移量较未支护减小近50%。(4)掌子面中部位置的锚杆支护效果最优,而上部锚杆变形较大,建议与小导管、管棚等配合使用。研究成果可为隧道施工时对于掌子面锚杆超前支护的稳定性提供理论参考。     

基于冲击弹性波的隧道衬砌混凝土强度检测技术研究和应用

铁路隧道衬砌混凝土强度主要检测方法存在精度差、对结构有损伤等问题,严重制约对衬砌质量的正确评估和控制。为此,研发了基于冲击弹性波的强度检测技术体系,包括技术原理、标定及检测方法、检测设备等,并在百余座铁路隧道开展验证和应用。结果表明,相对传统的回弹法等检测方法,该方法检测范围广,精度较高,可为铁路隧道衬砌混凝土强度提供有效检测。     

动刚度法在既有桥梁桩基础状态评估中的应用研究

由于正常运营的需要及各种条件的制约,新建桥梁基桩常用的检测方法(如静载试验法、高应变法、低应变法、超声波法及取芯法等)在既有桥梁中均难以实施,且其检测结果亦不足以全面评估基桩状况。本文提出的动刚度法,通过安装于桩顶位置的传感器采集激振力作用下桩土系统响应信号,分析绘制导纳随频率变化曲线,并由此推算基桩承载力;辅以取芯法、低应变法等检测手段进行验证,对某高速公路承载力不明确的部分既有基桩进行检测和理论分析,给出了这些基桩的实际承载力。检测结果表明,在正常运营的条件下,采用这一方法对在役基桩进行无损检测可以较好地评估基桩的承载能力,该方法对同类基桩的检测评定具有足够的精度。