兰渝铁路高地应力软岩隧道变形机理和施工控制

研究目的:兰渝铁路二叠系高地应力软岩隧道挤压变形是施工中的突出难题,在施工过程中过对软岩隧道的地质特征、地应力特征、变形特征、支护压力及支护破坏特征等进行监测分析,以便及时掌握高地应力软岩变形机理,确保施工的顺利进行。研究结论:通过研究表明:(1)随着埋深和地应力的增加,初期支护强度、支护结构刚度也应相应增加,否则容易出现坍塌,施工中采用套拱的方法能有效控制变形;(2)对兰渝铁路二叠系软岩大变形不应套用现行分级标准来划分,应结合施工实际确定与之相适应的支护结构及措施;(3)极高地应力对岩体稳定性的影响程度应结合工程实践进行具体分析,边墙及拱腰是施工大变形关键部位,需要及时调整施工参数和加强支护措施来确保施工的顺利进行;(4)本研究成果可应用于指导二叠系软岩隧道结构的设计和施工。     

高地应力软岩隧道合理支护方案试验研究

研究目的:基于高地应力软岩隧道在施工过程中产生大变形的问题,采取包含传统喷锚支护在内的三种支护方式现场进行试验研究,根据围岩变形、围岩压力、钢拱架应力和二衬混凝土应力等监测结果,分析兰渝铁路新城子隧道试验段的稳定性并选择适宜的支护方案。研究结论:(1)采用传统的喷锚支护方式难以有效解决高地应力软岩隧道施工中围岩的大变形问题;(2)采用环向注浆加固围岩+型钢拱架初支可以在一定程度上改善围岩的条件,减小围岩变形和钢拱架应力以及二衬混凝土应力;(3)采用双层初支,即采取先让后抗的支护方式,既可以吸收一部分围岩变形,减小初支的变形和钢拱架应力,同时也可以提供稳定的支护力,使二衬受力也相对较小,因此采用双层初支对控制高地应力软岩隧道的大变形具有明显优势;(4)本研究成果可为高地应力软岩中类似工程施工支护方案的选择提供参考。     

宜万铁路堡镇隧道高地应力软岩大变形段施工技术

宜万铁路堡镇隧道穿越地层大部分为砂质页岩和粉砂质页岩,局部为炭质页岩,岩层软弱、节理较发育;隧道埋深大,地应力高,围岩强度低,高地应力软岩大变形区段长,施工过程中发生了严重的大变形。主要介绍高地应力软岩大变形段的施工措施,即:采用小导管注浆超前支护、采用短台阶和双侧壁相结合的开挖方法,初期支护采用喷混凝土+型钢钢架+锚杆+钢筋网的支护措施,控制每环仰拱开挖长度不超过4 m,及时封闭成环,及时施做二次衬砌,对隧道高地应力软岩段的预留变形量为15～30 cm,确保了隧道顺利通过软岩大变形区段。     

高地应力板状软岩隧道大变形控制试验研究

研究目的:针对板状高地应力软岩隧道开挖的大变形问题,采用单层初期支护+双层二衬的结构形式进行支护,并进行现场试验,对初期支护、钢拱架以及两层二衬的变形与受力进行了测量,分析该支护结构在控制高地应力软岩隧道大变形方面的效果及该方案的可行性是本文的主要研究目的。研究结论:(1)传统的初期支护方式在控制高地应力软岩隧道的大变形方面效果不佳;(2)板状岩层的走向和岩层的倾角对高地应力软岩隧道开挖后的变形及受力会产生影响,一般来说,在垂直于板状软岩岩层(倾斜线)方向上的挤压力最大;(3)采用双层二衬结构,使初支与围岩一起产生变形而消除围岩的部分压力,第一层二衬起到强而稳定的支护作用并承担绝大部分的围岩压力,使第二层二衬受力很小而起到装饰作用,因此从高地应力软岩长期流变性的角度考虑,双层二衬结构对高地应力软岩隧道建成后的长期稳定性和安全运营具有很好的保障作用;(4)本研究成果可为类似工程的施工提供参考依据。     

西(宁)成(都)铁路高地应力节理发育软岩地层隧道支护体系研究

为保证西成铁路高地应力节理发育软岩大变形隧道安全修建,采用现场勘察、室内试验、地应力测试、工程类比、数值模拟等方法展开研究,结果表明,西成铁路与毗邻兰渝线地质条件类似,均以二叠系、三叠系板岩与砂岩为主,层理清晰、节理裂隙发育,地应力以水平主应力为主导,水平主应力在10～30 MPa之间,竖直主应力在4～13 MPa之间,有较强水平构造应力作用,兰渝线控制围岩变形主要采用增加预留变形量、自进式长锚杆、钢花管加固、增加初支及衬砌刚度、钢纤维喷射混凝土等技术措施。在此基础上针对西成铁路节理发育软岩大变形主要发生在垂直节理倾角方向上的特点,提出首先增大矢跨比,然后增大钢拱架刚度,对于Ⅲ级大变形在垂直节理方向设置预应力锚索的非对称大变形隧道支护体系,该支护体系相比传统支护体系能够减小13.8%～21.2%软岩变形,对于控制节理发育软岩变形效果良好。     

软岩隧道EPP混凝土受力特征及卸压效果分析

研究目的:软岩隧道在运营期间由于围岩蠕变导致隧道衬砌发生大变形及开裂，严重影响运营安全。在前期试验取得的EPP(聚丙烯)泡沫混凝土力学参数的基础上，开展软岩隧道EPP泡沫混凝土缓冲层受力特征及卸压效果分析，提出一种抵抗隧道围岩蠕变、减小衬砌变形的方法，为类似隧道工程设计提供参考。研究结论:(1)EPP泡沫混凝土作为软岩隧道缓冲层对衬砌受压有良好的改善效果；(2)以EPP泡沫颗粒含量为64%的混凝土作为缓冲层且厚度为0.8 m时，衬砌受到的压应力最小，衬砌处于全断面受压状态，且极限承载能力最高；(3)缓冲层的让压量是决定其卸压效果的直接原因，缓冲层EPP泡沫含量越高，厚度越大，让压量就越大，卸压效果最好；(4)EPP泡沫混凝土应用于土木工程领域铁路和公路工程方向软岩隧道初期支护与二衬之间缓冲层结构中，其应用前景广阔，为进一步改善EPP泡沫混凝土卸压性能及提升工程实用性，需对材料配合比及压缩特性开展优化研究。     

深埋软岩盾构斜井支护结构受力特性及关键设计研究

针对长距离斜井埋深变化大、软岩大变形、高地应力等工程特点,开展了管片结构横向受力特性及支护结构关键设计研究。研究表明:(1)管片压力与围岩收敛位移成反比;管片弯矩内侧比外侧较大;管片轴力外侧较内侧大,随水压力增加,内外侧轴力也相应增加,且增长速率逐渐变大。(2)综合多种管片结构计算方法,进行全段的配筋设计,提出"等厚不等强"的管片结构设计。(3)设计了盾构施工煤矿斜井新型组合式管片支护结构,其支护核心是以加长锚索主动控制为前提、壁后填充层让压柔性支护为重点、等厚不等强的管片结构受力为根本。     

隧道可缩工字钢拱架让压规律模型试验研究

为研究软岩隧道可缩工字钢拱架让压装置的缩动规律，在侧压大拱压小的对称荷载(侧压比为1.5)和左拱腰偏压荷载两种工况下，进行室内整榀可缩工字钢拱架模型加载试验，分析其让压装置的让压过程及拱架变形等规律。结果表明：可缩工字钢拱架在两种工况下的让压过程可划分为弹性变形阶段、适应荷载-变形协调阶段、稳定让压阶段、荷载-让压变形同步增加阶段和让压完成后刚性阶段，其中稳定让压阶段，荷载呈现出小范围“增荷—卸荷—再增荷”的让压特点。稳定让压阶段、荷载-让压变形同步增加阶段的转折点可作为可缩工字钢拱架让压装置的增阻时机，并提出了相应的判断参数k。让压装置位移和拱架关键位置变形随总荷载的增加具有较高的同步性。在左拱腰偏压工况下拱顶让压装置产生平面外的错动变形，而其边墙处的让压装置和侧压大拱压小工况下的全部让压装置均未发生此类错动变形。研究成果提供了可缩工字钢拱架在侧压力大以及偏压荷载下让压缩动规律的新认识，可为在高地应力软岩隧道现场应用时提供一定的指导意义。     

高地应力软岩隧道大跨连拱过渡段施工技术研究

以兰渝铁路新城子隧道为背景,以确保高地应力软岩条件下隧道特大跨至连拱过渡段的围岩及结构的稳定性为目的,围绕过渡段的快速施工技术展开研究。首先分析了大跨与双连拱的现场监测的变形规律,并基于高地应力软岩隧道变形控制的基本理念,研究高地应力软岩隧道大跨与双连拱过渡段的施工技术。研究得到:提出了"延伸开挖,后期还原,刚柔并济,联合支护,双洞浇筑,整体衬砌"的高地应力软岩隧道大跨至连拱过渡段施工工法;提出了高地应力软岩隧道大跨至连拱过渡段的"十字撑"支护技术。     

各向异性软岩隧道围岩蠕变特征及支护方案对比分析

在高地应力条件下具有层理构造的软岩中开挖隧道后,软弱围岩会发生显著的蠕变变形,直接影响隧道围岩的稳定性及支护结构的长期服役性能。本文采用有限元方法分析了兰渝铁路木寨岭隧道深埋软岩段双层和三层衬砌支护的效果。结果表明:在初期支护和二次衬砌之间增设轻质混凝土缓冲层有利于隧道围岩应力和变形的调整,可有效降低支护结构受力,从而充分发挥二层衬砌与锚杆的长期支护作用,更适用于高地应力条件下长期流变特征明显的软岩段隧道支护。     

渝怀铁路黄草隧道岩体空间应力测试与分析

通过岩体空间应力测试分析出渝怀铁路黄草隧道存在极高地应力,应力比均小于4,为按照新奥法原则进行设计、施工提供了可靠的实测数据。经过变更设计改变衬砌类型和支护参数,保证施工安全。黄草隧道岩体应力测试结果可为今后软岩地质、极高地应力地质的隧道设计、施工提供借鉴。     

软弱围岩隧道大变形系统控制技术研究

针对隧道施工过程中,普通支护方案很难有效地控制软弱围岩变形。本文依托青峰软岩隧道,提出了相应的施工工法、掌子面稳定对策、拱脚稳定控制技术、合理刚度及强度支护措施等软岩隧道施工大变形系统控制技术。并采用数值模拟及现场监测手段,研究了上述系统控制技术对软弱围岩隧道大变形的控制效果,现场施工结果表明:在该系统控制技术指导下,该软岩隧道大变形能够得到成功控制。     

考虑流变特性的隧道围岩变形效应分析

为了探讨考虑流变效应情况下隧道围岩和衬砌的变形情况,从而进一步确定隧道的合理衬砌时机。首先,分析围岩的流变特性对隧道变形和衬砌抗力的影响,通过理论推导得到了同时考虑黏弹塑性的隧道围岩变形计算公式,该公式包含时间参数,可确定达到不同衬砌位移及围岩位移所需要的时间。然后,以南龙铁路隧道工程为背景,针对隧道拱顶下沉、周边收敛、围岩压力和初衬内力,开展隧道二衬合理支护时机的监测分析,得到围岩变形计算公式中的待定系数,并确定隧道衬砌的合理支护时机。将得到的结果与现场监测的结果进行对比,发现二者得到的二衬支护时机基本相同,从而验证计算结果的正确性。     

兰渝线木寨岭隧道施工力学行为实测与分析

结合木寨岭隧道工程,对施工区域地应力进行测试,并对地应力场进行拓展分析。通过对隧道掌子面流变特性、变形速率与总变形量、围岩压力、支护压力、锚杆受力、围岩破坏范围的测试和分析,提出高地应力、软岩隧道的挤压性变形具有变形量大、变形速率高、变形持续时间长、前后期均呈"来劲"等特征,以及围岩压力以形变压力为主等结论,并建议取消拱部锚杆,加长边墙锚杆,抑制隧道变形。     

兰渝铁路两水隧道双层支护试验研究

针对兰渝线两水隧道穿越炭质软岩、设计施工难度大、初支变形不满足稳定性条件、衬砌较早施作而引起开裂等问题,开展双层支护研究工作。通过现场试验对试验段初期支护围岩变形、围岩压力、接触压力、钢架应力、钢筋应力和混凝土应力等监测。得到初期支护隧道围岩与结构的力学及变形特性,分析其随时间的变化特点和沿隧道横断面的空间分布规律。研究结果表明：围岩压力、钢架应力和喷混凝土应力随开挖进程存在急剧变化阶段,易受施工扰动影响,敏感性随时间逐渐降低,结构应力沿隧道横断面的空间分布呈现“上下大,两侧小”的分布规律。研究结果对建立科学合理的软弱围岩隧道支护结构设计方法具有一定的指导意义。     

考虑应力释放含衬砌的深埋圆形隧道应力及变形的弹塑性解

基于厚壁圆筒受均布压力的弹塑性解,推导考虑应力释放时含衬砌的深埋圆形隧道应力及变形的弹塑性求解公式。采用推导的公式对1个工程实例进行计算,并与FLAC3D有限差分程序模拟解对比分析,验证了求解公式的正确性。研究结果表明:及时施作具有一定刚度的支护,可以降低开挖面围岩应力释放量,从而减小围岩塑性变形;受开挖面变形释放的影响,衬砌与围岩接触界面变形并不连续,不能将支护变形等价于围岩变形;在计算隧道开挖引起的围岩塑性变形时,采用非关联流动法可以更好地描述隧道开挖后岩(土)体的塑性变形特性。     

蠕变作用下洞径对大埋深软岩盾构隧道力学特性研究

为解决大埋深软岩盾构隧道衬砌结构的稳定性问题，依托广佛环线广州南站至白云机场段工程段盾构隧道工程，采用YSJ-01-00岩石三轴压缩流变试验机对泥质砂岩试样进行了室内蠕变试验，确定了数值模拟中Cvisc模型描述隧道泥质砂岩的蠕变特性的适用性；采用数值模拟对围岩蠕变作用下大埋深软岩盾构隧道力学特性展开了探究，结果表明：蠕变过程分为逐渐衰减和稳定蠕变两个阶段，围岩蠕变会造成内力值、弯矩以及应力值增加，从而使盾构隧道管片结构变形更加严重；当洞径不同时，其产生的围岩蠕变过程中，弯矩值、轴力值、变形值、应力值的变化趋势基本相同；如果洞径持续增大，其周边的岩石产生的压力更加明显，尤其集中体现在衬砌结构(管片)上，衬砌变形程度也更大；管片衬砌外侧接触压力与洞径成正比，同时拱腰处的接触压力所受到的影响相对较大。研究结果可为大埋深软岩盾构隧道的设计和施工提供指导。     

成兰铁路软岩隧道大变形控制技术及变形控制基准研究

大变形控制一直是高地应力软岩隧道设计与施工中面临的重要难题,其中变形控制基准更是适当变形释放、减少拆除的关键因素之一.为此,依托成兰铁路高地应力千枚岩隧道,通过大量工程实践,分析软岩隧道断面型式优化、锚杆支护技术、开挖方法优化、二衬施作时机等,提出成兰铁路软岩隧道大变形控制技术.进而通过大量变形量测数据统计,分析基于施...     

小净距浅埋偏压软岩隧道支护结构受力实测分析北大核心

小净距浅埋偏压软岩隧道在洞口较易出现二衬承担较大围岩压力而开裂的现象,为了避免二衬结构的破坏,对初支与二衬所承担的围岩压力比例的研究至关重要。以竹山隧道为例,利用压力盒测试得到初期支护和二次衬砌所承担的围岩压力数据。经计算分析,拱顶处二次衬砌分担的围岩压力占到了50%~60%,且在偏压侧二衬承担了更大的压力。因此,在设计软岩地区小净距浅埋偏压隧道时应考虑二衬为承载结构,在偏压侧加大支护力度。     

高地应力软岩隧道超前导洞法施工围岩变形预释放规律分析

为解决高地应力软岩隧道大变形问题,在正洞开挖前先开挖超前导洞,通过超前导洞的位移释放部分初始应力,从而减少正洞扩挖后的支护变形和降低作用在支护结构上的压力.本文引入释放率概念,通过对超前导洞的不同尺寸、位置等条件下围岩变形预释放规律的数值分析和研究,提出了具有较好释放效果的合理参数组合.