直接弹性抗力法及其在隧道初期支护结构计算中的应用

为更加直观地证明隧道初期支护具有单独承载能力的事实,提出直接弹性抗力法原理。直接弹性抗力法以拱(圆曲梁)和弹性地基拱(弹性地基圆曲梁)2段函数分别反映拱部支护结构脱离围岩以及侧壁支护结构压向围岩2段结构的内力及位移,能极大地简化计算过程,较为真实地反映隧道支护结构的应力状态;并结合链杆支座拱、铰支座拱模型,分别模拟实际施工的无分布锚杆影响、有分布锚杆影响但锚杆无切向力、有分布锚杆影响且锚杆有切向力3种支护应力状态,比较全面地概括隧道支护施工可能产生的应力状态,充分证明隧道初期支护具有单独承载能力的理论事实。强调"先柔后刚,先放后抗"属于概念,初期支护变形的主要原因是地基承载力不足造成沉降,锚杆锚固力和喷射混凝土早期强度等严重影响初期支护单独承载;再根据隧道支护结构各种可能的应力状态,提出对隧道初期支护结构细节设计的改进建议,如锚杆与钢架的连接、钢架之间的连接、钢架底脚的处理、锁脚管桩、型钢钢架与格栅钢架的组合结构等,通过实践证明隧道初期支护具有单独承载能力的理论。     

浅埋软弱围岩隧道微桩锁脚施工技术研究

针对浅埋软弱围岩隧道开挖施工的沉降变形问题，以翁多隧道为依托，结合现场监测数据研究了“三台阶+微桩锁脚”施工技术下隧道初期支护结构的受力及变形特征。结果表明：两种支护结构下随着施工开挖的不断推进，围岩和钢拱架应力变化规律相近，先急剧增加并达到峰值，然后呈缓慢下降趋势，并逐步趋于平缓；累计沉降量则呈缓慢增大趋势。隧道拱顶位置处应力最大，风险最高，常规锁脚锚杆支护拱顶处围岩压力、钢拱架应力分别为0.55、74.10 MPa，累计沉降量最大值为6.70 cm，微锁桩支护时围岩、钢拱架峰值应力分别增加0.55、23.50 MPa，累计沉降量减小了3.96 cm。可见，微型桩技术方案可有效改良浅埋软弱围岩隧道结构的变形与沉降值，控制隧道变形，避免隧道因大变形导致侵限换拱，降低了施工安全风险，具有一定的应用前景。     

软岩隧道初期支护沉降变形分析及控制方法

目前存在对软岩隧道初期支护变形的错误认识,造成施工成本的浪费、安全风险的增大、进度被严重制约等不利影响,所以非常有必要对隧道初期支护变形进行研究分析并控制。首先以“矿山法”工程实践证明软岩隧道预留变形量是不必设置的,再通过各种权威文献说明以容许变形来实现围岩自承的观念是对“新奥法”的曲解,是错误的,需要找出支护变形的真正原因并控制。通过总结分析隧道支护常见的6 种位移及其组合,得出为控制初期支护变形需要解决支护底脚地基承载力和支护结构强度2 方面问题。于是建立以“分布锚杆+钢架+喷射混凝土且系统分布锚杆模拟为具有法向和切向作用力的链杆支座的结构力学模型”,可计算出支护结构底脚应力及截面最大应力等值,由此可得出对地基承载力和支护结构强度要求的明确标准,或对改善支护底脚抗力提供数值依据。计算结果表明: 系统分布锚杆能极大地降低支护结构的弯矩、轴力内力和底脚应力,从而增强支护结构的承载力和降低基底应力,使变形和沉降得以有效控制。     

富水断层破碎带大断面隧道设计与快速施工

为解决石峡隧道穿越F7断层及其次生断层影响带、实现快速施工满足通车工期要求的目的，通过数值计算、现场监测等手段，对超前支护、初期支护、锁脚锚杆措施进行了优化，优化措施在工程应用中取得了良好的效果。实践证明： 自进式管棚集钻进、注浆、支护于一体，增强了围岩的稳定性并大幅提高了超前支护施作效率；管棚保护下的两台阶快速开挖方法可实现初期支护的早封闭、少扰动，大幅提高了施工进度；不同角度、长度锁脚锚杆对拱顶沉降、周边收敛的影响规律，应结合围岩与衬砌变形规律选取合理的设计参数；管棚保护下的两台阶快速开挖方法及R51锁脚锚杆有效控制了围岩稳定和初期支护变形。     

松散堆积地层隧道锁脚锚管参数优化研究

为使松散堆积体隧道的锁脚锚管可以充分发挥支护作用,有必要获得锁脚锚管的最优施工参数。该文依托云南华坪—丽江高速公路上的某隧道工程,对其进行数值模拟与现场测试分析,通过对比锁脚锚管以不同参数施工时,支护结构的拱顶下沉与水平收敛情况,探究施工参数对锁脚效果的影响特征与原因。结果表明：在松散堆积体地层中打设锁脚锚管能够有效减小支护结构变形,隧道的拱顶下沉与水平收敛显著减小;在锁脚锚管施工参数中,锚管的打设角度与长度对锁脚效果的影响较明显,打设高度的影响较小。并将研究结论与工程应用相结合,考虑可操作性与经济性,提出了适用于该类地层的最优施工参数。     

软弱围岩隧道锁脚微型桩支护结构研究

针对软弱围岩隧道施工过程中存在的支护变形、围岩坍塌等问题,提出一种锁脚微型桩支护结构.运用理论分析手段,阐述了锁脚微型桩的承载作用和注浆加固作用,改善了软弱围岩和支护结构的应力状态,充分发挥了初期支护的承载作用,抑制了隧道变形.依托其古顶隧道,采用现场试验的手段,分别对围岩压力、钢拱架应力、拱顶下沉和周边收敛变化特征与...     

软岩隧道初期支护沉降机理及其工程措施研究

为解决软岩隧道开挖过程中初期支护整体下沉普遍较大的工程难题,依托郑州至西安高速铁路大断面黄土隧道及成昆铁路第三系昔格达地层软弱围岩隧道工程,通过理论计算及现场实测,对软弱围岩隧道初期支护普遍沉降较大的原因以及采取的工程措施的可靠性进行分析,得到以下成果： 1）软弱围岩隧道下沉量往往超过20 cm,现场实测的拱脚承受最大荷载为897.4 kN,初期支护整体下沉大的主要原因是拱脚压力较承载力大一个数量级; 2）锁脚锚杆靠近钢架位置的轴力最大,为55 kN。大拱脚的承压特性显著,其压力极值达到0.9～1.7 MPa; 3）增设锁脚锚杆（管）、扩大拱脚和及时闭合仰拱是控制软岩隧道初期支护沉降的关键措施。     

软弱围岩隧道锁脚锚管力学特性现场模拟试验

锁脚锚管在软弱围岩隧道安全施工方面应用广泛,其力学作用机理及合理支护参数的研究对维持结构安全稳定意义重大。以黄延高速公路扩能工程剪子岔隧道为依托,通过现场模拟试验,对软弱破碎围岩条件下隧道锁脚锚管的受力特性和变形分布规律进行了系统研究。本试验根据自主研发设计的隧道钢架-锁脚锚管相互作用模拟试验装置,分析了不同打设角度下锁脚锚管的实测应变及对应的弯曲应变,研究了锁脚锚管的内力分布及荷载响应情况,并结合不同打设角度下锁脚锚管端部位移和试验前后锚杆的变形情况,揭示了锁脚锚管的力学作用机理并提出了锁脚锚杆的合理打设长度和角度。现场试验结果表明:(1)大角度打设的锁脚锚管受力更均匀,且可以将端部荷载传递到围岩更深部位置;(2)锁脚锚管主要靠管口附近部位抵抗弯矩,且锁脚锚管在端部竖向荷载作用下主要依靠其竖向抗弯刚度提供承载力;(3)当荷载相同时,锚管端部水平位移随着打设角度的不同而不同,当打设角度为45°时其水平位移为最大,打设角度为0°时其水平位移为最小;(4)孔口围岩的塑性变形和剥离破坏集中在锚管下方部位,主要由锚管的竖向挤压变形引起。     

高含水量土质隧道不设系统锚杆的试验研究

鉴于土质隧道施工方法、支护时机、施工工艺等对系统锚杆支护效果的影响,及高含水量土层中锚杆成孔困难、注浆效果差、抗拉拔力低等缺点,提出在高含水量土质隧道中不设系统锚杆,初期支护采用“型钢拱架＋喷射混凝土＋钢筋网＋锁脚锚管＋纵向连接筋”组成的新型支护结构。为了评价这种新型支护结构的受力、变形特性以及衬砌结构的可靠性,在天恒山隧道Ⅵ级围岩段设置了两个监测断面,对隧道初期支护的拱部下沉、净空收敛、围岩压力、喷射混凝土应力、型钢拱架应力、纵向连接筋应力等进行监控量测。监测结果表明,不设系统锚杆时,隧道支护结构的变形和受力均在允许范围之内,初期支护工作状态良好。不设系统锚杆,可缩短工期和降低工程造价,具有着显著的经济价值和社会效益。     

高含水量土质隧道新型支护形式变形与受力分析

鉴于高含水量土层中锚杆成孔困难、注浆效果差、自进式锚杆抗拉拔力低等缺点,提出在高含水量土质隧道中取消系统锚杆,初期支护采用"型钢拱架+喷射混凝土+钢筋网+锁脚锚管+纵向连接筋"组成的新型支护结构.为了评价这种新型支护结构的受力、变形特性,以天恒山隧道为工程依托,通过现场试验和有限元数值分析两种方法,对隧道拱部下沉、净空...     

考虑岩体蠕变特性的片岩大变形隧道初期支护力学效应

以某隧道V级围岩试验段为工程背景,采用现场测试和数值分析手段,对比支护形式进行基于黏弹塑性的三维变形、受力分析,获取了锚杆、喷射混凝土及钢支撑等初期支护结构的受力特征以及围岩变形规律.分析表明:在云母片岩地层隧道中,大变形主要表现为剪切破坏特征,3种支护形式对围岩的变形都有一定控制作用,但顶部系统锚杆对控制塑性区的影响作用甚微;锚杆及其他初期支护受力最大的区域均位于边墙下部和拱脚位置,提高喷层厚度和钢架刚度能减缓变形速率,但过大的刚度也使得结构内力大大增加.因此,为控制云母片岩隧道过度变形,应增强边墙与锁脚锚杆以提高初期支护成环效应,适当的提高钢架的刚度,必要时提前施作二次衬砌.     

松散堆积体隧道围岩变形特征及围岩加固技术研究

为了探究松散堆积体隧道的围岩变形规律及有效的围岩加固措施,以九绵高速五里坡隧道为工程依托,首先基于现场资料建立数值模型进行施工动态模拟,研究松散堆积体隧道的变形特征并与现场监测情况进行对比分析;然后依据数值模拟结果提出适宜的围岩加固措施,并应用于现场试验段验证其有效性.结果 表明:松散堆积体地层开挖时对掌子面后方地层沉降、周边收敛的影响范围为6～10 m,加强此范围内的超前预加固对围岩变形控制有较好的效果;当前断面开挖时,水平收敛及拱顶沉降会出现明显突变,初期支护、系统锚杆及锁脚锚杆应在开挖后第一时间施作.五里坡隧道现场试验段采用加强超前小导管及锁脚锚杆参数并结合地表帷幕注浆的联合加固措施后,围岩变形得到了有效控制.     

隧道锁脚锚管受力测试方法试验研究

为研究隧道锁脚锚管在端头竖向荷载作用下的受力特性,采用了一种隧道锁脚锚管受力特性的测试方法--应变片外贴导线内引的电测法,该方法克服了钢管表面贴片易损坏、引线困难等难题。以工程上经常使用的长为3.5 m、直径为42 mm、壁厚为4 mm的热轧无缝钢管为例,系统介绍了测试锁脚锚管受力特性的试验设计方案,包括锁脚锚管管身轴向应变测试和管身弯矩测试。给出了锁脚锚管受力测试装置的设计与工艺,包括测力锚管的加工和温度补偿条的加工工艺。采用现场实测的方法,在某土质边坡对该方法进行了应用,将锁脚锚管安装在边坡土体中,然后在锁脚锚管端头加载,测试其受力状况。试验结果表明： 锁脚锚管受力测试装置安设完毕后,测点成活率达到100%;锁脚锚管端头垂直加载,管身最终变形和试验测试结果相吻合;该试验方法能够真实反映锁脚锚管的受力特性。     

隧道“关门”塌方原因的力学分析及预防对策

为向施工技术管理人员解释隧道初期支护随施工的应力变化规律,进而找出发生“关门”塌方的原因,首先说明“关门”塌方发生时的施工状况,一般采取钢架+锁脚锚杆+喷射混凝土的支护结构,塌方时松散荷载已形成; 然后按荷载-结构模型,在初期支护承担全部设计荷载的条件下,通过施工三台阶法对上、中、下3个断面采取结构力学力法分别进行内力计算及承载能力分析。结果表明: 在围岩完全松散的极限情况下,上台阶绝对安全,中台阶基本安全,下台阶开挖尤其是仰拱开挖时塌方的风险极高。针对上述问题提出预防“关门”塌方的相应对策。结论认为采取钢架+锁脚锚杆+喷射混凝土的支护形式,支护结构处于极限应力平衡状态,很容易破坏而造成隧道坍塌。     

水平砂泥岩隧道锚杆支护变形和受力特性研究

为了分析水平砂泥岩隧道锚杆支护效果,以段家坪隧道为例,通过数值模拟和现场监测,对隧道拱顶沉降、锚杆轴力和初期支护与围岩接触压力进行研究。结果表明:锚杆长度达到3 m,锚杆间距达到1.5 m后,继续增加锚杆长度和减少锚杆间距对于隧道拱顶沉降的控制作用不再明显;隧道拱部锚杆轴力较大,隧道拱腰和拱脚处锚杆受力较小;随着水平砂泥岩隧道围岩强度的降低,拱部锚杆轴力不断增大。围岩强度越低,锚杆能够更好发挥控制围岩变形的作用。     

冰水堆积体隧道注浆圈厚度与初期支护受力特性研究

为解决不良地质软弱围岩造成隧道失稳、软弱围岩注浆参数不确定,以及米林隧道冰水堆积体围岩注浆厚度对支护力安全性造成影响等问题,基于三维有限元FLAC3D模拟软件,建立不同注浆厚度的隧道围岩模型,得到注浆后的围岩特征曲线,通过允许变形量确定了不同注浆厚度对应的允许支护力。基于此,进一步探讨围岩不同注浆厚度下,采用上下台阶法并打设锁脚锚杆对初期支护结构的影响,并计算得到断面每个位置初期支护的安全系数。结果表明： 1）注浆圈厚度越大,基于允许变形的允许支护力越小; 且围岩条件越差,相同注浆厚度对应的允许支护力越大; 故米林隧道冰水堆积体段Ⅳ1、Ⅴ1和Ⅵ级围岩的合理注浆圈厚度建议分别取3.5、3.5、5.0 m。2）随着注浆圈厚度的增大,各级围岩各个位置对应的初期支护安全系数增大。3）初期支护安全系数一般在拱肩、拱顶和拱底较大,在拱腰和拱脚位置最小。     

高速铁路隧道支护参数的计算研究

为探索隧道初期支护安全系数的计算问题,并为高速铁路隧道支护参数优化提供理论依据,根据喷锚支护的性能与特点以及现代隧道力学的基本理论,建立初期支护荷载结构模型和对应的安全系数计算方法; 针对时速350 km高速铁路双线隧道提出的3种不同的初期支护方案（无系统锚杆支护、喷锚结合支护和以锚为主的支护方案）展开适应性研究,计算分析不同埋深（400 m和800 m）条件下初期支护的优化参数以及优化后的二次衬砌承载能力,在此基础上提出优化后的高铁隧道支护参数建议值,并对优化前后的安全系数进行计算与对比。主要结论如下： 1）提出了采用围岩压力代表值作为荷载结构模型设计荷载的方法,为解决设计中围岩压力不确定的问题提供了思路,且所推荐的围岩压力代表值计算方法具有安全性与经济性; 2）提出了3种初期支护计算模型,可以为初期支护构件的选择与量化设计提供一定的理论基础; 3）提出了时速350 km高速铁路双线隧道初期支护方案及优化后的复合式衬砌设计参数,并明确了不同围岩级别、不同埋深时的承载主体; 4）提出了按照不同埋深进行支护结构参数设计的建议。     

浅埋偏压隧道施工工法研究与非对称设计优化

为探究偏压隧道的适宜工法并针对偏压特性对支护结构进行非对称优化,基于九绵高速福隆隧道,通过现场监测深浅埋侧非对称周边收敛与地表变形,建立三维山体隧道模型,进行不同工法围岩、支护结构受力变形比选分析以及初期支护厚度、锚杆长度与倾角的非对称优化设计。相关研究表明:1)现场监测发现,地表沉降与周边收敛非对称特性明显,随着离隧道正中距离的增大,深埋侧地表沉降较浅埋侧数值减小较慢。深埋侧上拱腰收敛数值最大且波动较大,浅埋侧下拱腰收敛增速较慢。2)偏压隧道较适宜工法为CD法,能有效控制围岩支护结构变形、锚杆应力、初期支护压应力以及塑性区分布。3)初期支护非对称优化结果为将浅埋侧初期支护厚度减小2cm,深埋侧增大2cm,能将二次衬砌拉应力控制在较小数值。4)锚杆长度非对称优化结果为将浅埋侧锚杆长度减小0.5m,深埋侧增大0.5m,使锚杆受力更为均匀并减小右上拱肩与左下拱脚的塑性区。初期支护应力在右上拱肩与左下拱脚处存在显著偏压,通过将右上拱肩处锚杆朝深埋侧倾斜能一定程度减小初期支护受力不均匀。     

承担全部设计荷载的隧道初期支护的设计计算方法

针对当前隧道初期支护设计存在不能承担全部设计荷载、以初期支护仰拱闭合的有利结构而不是以仰拱未闭合的最不利结构为最终设计目标而造成结构存在安全隐患以及给不出锚杆锚固力设计值和现场围岩变形很大使得采用岩体力学进行设计初期支护不具备条件的问题,提出按照“荷载-结构”的计算模型,采取结构力学力法对隧道初期支护承担全部设计荷载、对应施工“三台阶”法、对型钢钢架和喷射混凝土按变形协调条件确定各自承担荷载的比例系数、就钢架和喷射混凝土承载能力分别进行计算分析,明确在各部施工时对喷射混凝土强度以及锚杆的锚固力的要求。计算结果表明： 1）采取除中心夹角60°范围外其余均匀布置分布锚杆、采用“型钢钢架+分布锚杆+喷射混凝土”支护型式的隧道初期支护完全具有承担全部设计荷载的能力,且仰拱开挖不会威胁支护的稳定; 2）应将锚杆作为支护结构的链杆支座来确定锚杆锚固力; 3）锚杆和喷射混凝土3 h的强度对支护结构的承载能力影响很大。     

软弱岩层隧道取消拱部系统锚杆模拟研究

采用FLAC3D建立软弱围岩隧道模型,通过对比多种工况下的隧道支护效果,提出由超前支护和"钢架+钢筋网+两翼锚杆+喷射混凝土+锁脚锚杆+纵向连接筋"组成的初期支护形成联合支护结构。取消拱部范围系统锚杆,不仅未影响隧道围岩稳定,而且可以缩短了工序循环时间,有利于及早封闭围岩以形成完整的支护结构,具有一定的经济效益和社会效益。