铁路隧道施工围岩变形安全等级的研究与应用

研究目的:我国在建铁路隧道有4 000余座约8 000 km,近年来隧道塌方事故时有发生,造成了一定的人员伤亡、经济损失和社会影响。建立铁路隧道围岩变形安全等级,用于现场管理十分重要。通过调研国内外研究成果,分析安全监测数据,辅以理论计算,以初期支护的安全度为基础,制定了铁路隧道变形控制安全等级管理数值。研究结论:(1)现有铁路隧道围岩变形安全等级管理与国际基本不接轨;(2)利用规范建议的设计参数,采用数值模拟计算,Ⅳ级围岩隧道开挖支护后拱顶沉降为11 mm、V级围岩为19 mm,而现场实测远大于该数值,因此,隧道围岩变形主要受控于开挖工法、初期支护施作质量以及初期支护闭合的及时性;(3)按变形总量和变形速率对隧道围岩变形进行预警二级、预警一级管理,变形总量Ⅲ级分别为40 mm、80 mm,Ⅳ级分别为50 mm、100 mm,V~Ⅵ级分别为75 mm、150 mm,变形速率分别为5 mm/d、10 mm/d;(4)研究成果可用于铁路隧道施工围岩变形监控量测安全管理。     

富水卵石层地铁暗挖隧道拱顶塌方涌水处置技术

穿越富水、卵石等地层的地铁隧道地质水文情况复杂,施工难度大,易造成隧道拱顶塌方。这已成为地铁建设中的一大难题。以乌鲁木齐地铁4号线某区间暗挖隧道拱顶塌方事故为案例,提出了事故的综合治理措施。当隧道拱顶出现局部塌方时,可采取加固掌子面、增设拱顶超前小导管及径向锚管加固拱顶围岩等处置方案,达到塌方涌水处置目的。     

快速硬化型喷射混凝土的适用性及在崤山隧道中的应用

依托蒙华铁路崤山隧道工程,建立了考虑喷射混凝土硬化过程的围岩-支护耦合模型,研究在不同围岩级别条件下,不同硬化速率的喷射混凝土对围岩变形的影响,并在崤山隧道Ⅴ级围岩段进行现场喷射试验。研究结果表明:喷射混凝土硬化速率对隧道围岩变形具有一定影响,且围岩越差变形控制效果越好,在Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ级围岩中,与常规硬化喷射混凝土相比,快速硬化喷射混凝土拱顶沉降可分别减小5. 61%,7. 92%,8. 09%,最大水平收敛可分别减小1. 47%,9. 72%,12. 10%;在崤山隧道Ⅴ级围岩段拱顶沉降可减小24. 25%。     

富水岩溶隧道Ⅳ级围岩段涌水及注浆加固厚度分析

隧道涌水量预测是确保安全施工的重要环节.以某隧道Ⅳ级围岩段为例,展开了隧道Ⅳ级围岩段涌水预测及注浆加固厚度分析,为隧道施工提供技术支持.     

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。     

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。     

不同工法组合穿越断层隧道围岩变形规律研究

为研究断层处围岩等级变化条件下，采用不同工法组合开挖对隧道产生的影响效应，以海沧海底隧道为例，通过数值模拟，分析4种工法组合下隧道围岩变形规律。结果表明：采用不同工法组合穿越断层，变形控制关键部位在不同等级围岩交界处，应针对性采取加固及监控量测措施；Ⅲ级围岩全断面开挖和台阶法开挖围岩变形差距较小；Ⅳ级围岩留核心土环形开挖法对隧道围岩所产生的影响相较于台阶法要小很多；受断层倾向影响，隧道最大沉降并非发生在中央拱顶，而是更靠近断层一侧的左右拱顶处；与实测数据进行对比分析，证明了模拟结果的可靠性。     

深埋大断面隧道土石复合地层塌方机制及处置措施评价

针对黄陵—韩城—侯马铁路如意隧道施工通过土石复合地层时隧道围岩塌方事故,分析塌方的影响因素及机制,提出"管棚+小导管注浆"加固围岩以及增大初期支护和二衬的施工参数等处置措施;通过现场监测和三维数值模拟方法评价处置措施的效果。结果表明:复杂地层、围岩软弱、地下水是引发塌方的主要因素;由于土石复合地层和地下水的影响,使隧道拱部产生了较大的附加荷载,导致拱顶岩体鼓起破坏,进一步发展为掌子面拱部大范围的失稳破坏;对塌方地段隧道处置后,实测的拱顶沉降和水平收敛位移分别为26和30mm,拱顶初期支护与围岩之间的压力为128kPa,数值模拟的拱顶沉降从662mm下降到47mm,洞周的塑性区减小到原设计方案的63%,表明采用该处置措施有效地控制了围岩的压力和变形,降低了施工风险;在隧道施工中应注重掌子面的超前加固。     

京张高铁八达岭长城站超大跨隧道变形控制标准研究

为了确保超大跨隧道开挖过程围岩稳定和施工安全,合理确定各开挖步序的变形控制标准,采用理论分析、数值模拟实验和现场监测等方法,建立隧道变形与围岩应变相互关系的计算模型,提出基于围岩极限应变的隧道总变形控制标准,制定超大跨隧道分步变形控制标准和分级管理方法。研究结果表明:隧道围岩总变形控制标准取决于隧道围岩的极限应变;Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级围岩32.7 m跨度的隧道,其拱顶总沉降控制标准分别为40,90 mm和180 mm;超大跨隧道施工过程中成跨阶段的变形约占总变形的95%,成墙阶段的变形约占总变形的5%。     

不同地应力场软岩隧道渐进破坏试验与分析

针对软弱地层中常常发生的隧道塌方事故,以Ⅳ级围岩深埋公路隧道为对象,利用模型试验方法研究特定应力场下无支护隧道围岩的渐进破坏机理。采用弹塑性损伤本构模型,对模型试验工况进行有限元数值模拟,并在此基础上,对不同初始地应力场的情况进行扩展分析。研究结果表明:1)隧道开挖后围岩的破坏区主要集中在隧道拱顶上方,数值计算中用损伤变量最大值表示的破坏区与模型试验吻合较好;2)随着侧向压力系数的增大,松动破坏区面积随之扩大,且主要区域由隧道边墙两侧逐渐转变为隧道拱顶、拱底区域;3)随着侧向压力系数的增大,边墙水平收敛位移逐渐减小,拱顶收敛位移逐渐增大。     

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。     

基于结构受力模式主动调整的高速铁路单线隧道预制拼装衬砌设计选型研究

基于荷载-结构模型分析了不同等级围岩条件下350 km/h单线隧道断面整体衬砌内力特征.在此基础上,通过主动调整结构受力,在整体衬砌对应的弯矩极大值处将衬砌结构分为7部分进行预制,分析了不同围岩等级下接头刚度对预制装配式衬砌受力与变形的影响.结果表明:相对于整体衬砌,Ⅲ,Ⅳ,V级围岩条件下预制装配式衬砌最大轴力分别增加5.6%,6.5%,7.3%,最大弯矩分别减少39.9%,43.0%,54.6%,最大横向位移分别增加22.4%,36.4%,64.7%,最大竖向位移分别增加41.8%,44.6%,52.5%;边墙、拱脚和仰拱安全系数略有下降,拱顶和拱肩安全系数大幅增加,接头刚度不宜大于45 MN·m/rad.     

宴家炭质片岩隧道塌方综合处治研究

炭质片岩强度低,受水影响强度会显著降低,隧道施工时稍有不当就会发生塌方。以宴家炭质片岩隧道塌方处治为例,分析了塌方产生的原因,提出了相应的处治措施。研究结果表明:充分认识炭质片岩的变形特性,准确确定围岩级别,加强施工工艺控制和监控量测工作,及时调整施工方法和支护参数是防止炭质片岩塌方的有效方法。炭质片岩塌方处治必须结合塌方规模等具体条件采取不同的工程措施。监控量测验证了宴家隧道塌方处治方案是合理的。     

复杂地质条件下软岩隧道爆破开挖技术研究

十房高速公路通省隧道围岩以Ⅳ、Ⅴ级软岩为主,局部为Ⅲ级围岩,施工中对围岩的稳定性和隧道的超欠挖要求较高.通过应用水压爆破技术,合理选择爆破参数并对不同围岩采用不同爆破方案,爆破效果良好:围岩的变形和隧道的超欠挖得到有效的控制,开挖面轮廓比较圆顺,岩面平整;炮眼痕迹保存率达到90%;加快了开挖的速度,改善了洞内施工环境;有效地控制了塌方的出现.     

玉希莫勒盖公路隧道塌方治理及效果评价

以新疆在建玉希莫勒盖隧道为研究对象,分析了隧道 K723+398-K723+404段发生塌方事故的原因。变三台阶超短台阶法施工为CRD法施工,并优化先前隧道支护参数以及采用超前小导管注浆的方法处理塌方段。处理后隧道累计拱顶沉降和水平收敛值控制在35 mm 范围以内。格栅内力和围岩压力监测结果亦验证了变形监测结果,表明对塌方段采取的措施及时有效,可为类似工程借鉴。     

某隧道断层区段流固耦合分析及涌水处治措施研究

针对泽雅隧道穿越F10断层破碎带区围岩破碎、涌水量大等问题,为保证隧道的正常施工,确保后期运营安全,采用ABAQUS数值分析软件建立是否考虑流固耦合的模型,分析不同工况下衬砌的力学特性,计算显示渗流的存在导致隧道衬砌最大总应力增加52.15%,衬砌最大弯矩增加75.4%。鉴于涌水对隧道力学特性影响较大,进而结合隧道实际情况进行涌水处治措施比选,选取泄水孔结合径向注浆的处治措施,并运用数值分析手段对注浆圈厚度和注浆材料渗透系数进行优化,计算结果显示注浆层厚度为5~7 m时,注浆材料渗透系数为围岩的30~50倍时施工效果较好。该分析结果有效指导了施工,可为类似工程提供参考。     

隧道富水断层段全断面注浆时的缓冲层厚度研究

基于水力学和弹塑性理论,构建含缓冲层的隧道注浆计算模型,计算隧道支护结构及注浆圈外缘承担的渗水压力及隧道涌水量;研究支护结构、注浆圈及围岩的位移与应力解,利用数值模拟对构建模型的合理性进行验证;以穿越富水断层破碎带的某在建隧道为例,计算并确定其缓冲层厚度。结果表明:增设缓冲层后,支护结构外缘径向应力理论值与模拟值最大误差来自隧道拱顶,为7.3%;涌水量模拟值与理论值较为接近,理论值仅比模拟值小1.4%;随缓冲层厚度增加,支护结构外缘径向应力急剧下降,涌水量缓慢增加,当缓冲层厚度与隧道支护结构外径比值为0.10和0.30时,与无缓冲层时相比,支护结构外缘径向应力分别降低39.63%和118.88%,涌水量分别增加4.70%和14.10%;综合考虑受力与涌水因素,在建隧道缓冲层厚度与支护结构外径比值宜采用0.14。     

单线隧道预制装配式衬砌结构选型及接头参数敏感性分析

预制装配式衬砌结构因施工速度快、质量高、易于维修等优点近年来在隧道工程领域备受关注。采用荷载-结构模型分析了不同围岩条件下整体衬砌内力特征。将衬砌结构分为8部分预制,采用有限元软件对预制结构进行了安全性验算,分析了不同接头刚度条件下接头处受力和变形。计算结果表明:隧道整体衬砌在Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ级围岩条件下轴力、弯矩、横向位移、竖向位移最大值分别为1 192 kN,480 kN·m,13.9 mm,4.9 mm;预制装配式衬砌较整体衬砌在Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ级围岩条件下最大横向位移分别增加1.6%,2.4%和1.0%,最大竖向位移分别增加1.3%,1.3%和2.4%,最大轴力分别减小0.02%,0.01%和0.06%,最大弯矩分别增加0.20%,0.11%,0.15%。综合考虑受力稳定与变形限制,衬砌接头刚度应不小于230 MN·m/rad。     

绩黄高速公路佛岭长大隧道施工塌方及应对方案

塌方是隧道施工中常见的施工风险,通常情况下难以避免,对隧道塌方进行处理和防范,是隧道施工和配合施工中重要的课题之一。介绍绩黄高速佛岭长大隧道施工期间洞内拱顶局部塌方情况,并对塌方原因进行具体分析,在此基础上制定了详细的处理方案,处理后围岩变形监测结果表明处理方案合理可行,并提出了山岭隧道施工期塌方处理的一般原则、方法和操作步骤。     

隧道围岩变形的时空特性研究

隧道围岩变形时空特性是支护结构动态设计的基础依据,针对速度350 km/h高速铁路客运专线双线隧道,采用数值模拟方法研究隧道围岩变形的空间分布特点和演化规律,提出反映围岩变形时空效应的拱顶纵向变形曲线拟合公式。在自重应力场下,隧道拱底位移值最大,施工中应尽早施作仰拱结构;道床底面以上拱顶位置位移最大,与坍塌、冒顶事故密切相关,应作为工程现场监测的重点。掌子面对前方未开挖围岩约束效应显著,围岩变形空间分布较为均匀,非圆效应对掌子面后方围岩变形影响显著,各阶段围岩变形随时间的演化规律具有明显的自相似特征。通过拟合分析提出高速铁路隧道拱顶纵向变形曲线的计算公式,基于任意3种新工况与Vlachopoulos公式进行对比分析,证明了新提出的计算公式应用效果良好。