隧道衬砌厚度不足对安全性能的影响

结合荷载结构法和有限元法,建立隧道衬砌多处厚度不足模型,设计多种工况研究Ⅲ,Ⅳ和Ⅴ级围岩隧道衬砌多处厚度不足对衬砌安全性能的影响规律。研究结果表明:当隧道衬砌多个部位存在厚度不足时,隧道整体的承载性能出现减弱,拱顶为隧道衬砌厚度不足最敏感的区域;拱顶衬砌与围岩分离形成脱空区时承担荷载减少,安全系数增加;由于结构、荷载以及缺陷部位均对称,对称部位的安全性能演变规律一致;隧道上部衬砌厚度不足对其他部位的承载特征影响比较小。     

纤维素纤维混凝土性能及在二次衬砌中的应用

对纤维素纤维混凝土工作性能、强度、抗裂性能和耐久性能进行测试,结果表明:纤维素纤维混凝土比普通混凝土有较好工作性能、早期抗裂性能和耐久性能;可提高混凝土劈裂抗拉强度和抗弯强度。因此,可应用于Ⅱ、Ⅲ级围岩条件下隧道二次衬砌结构。纤维素纤维对混凝土增强作用机理可解释为:通过纤维在混凝土中乱向分布,改善混凝土内部微观结构;减少气泡含量和气泡间距;并减小混凝土裂缝萌生和扩展概率;从而改善混凝土性能。将纤维素纤维混凝土应用于某高速铁路隧道二次衬砌结构,可满足工作性能、强度、耐久性能要求,且成型后70、280d混凝土表面没有裂缝产生。     

纤维混凝土在武广铁路客运专线隧道中的应用试验研究

结合武广铁路客运专线隧道二衬设计和施工情况,对高速列车行驶过程中二次衬砌的受力情况进行对比分析;对二次衬砌加筋的必要性及加筋方式进行比较分析;对前期施工的隧道采用纤维混凝土进行室内及现场衬砌试验研究,纤维混凝土可改善早期抗裂性能、抑制后期裂纹发展及从整体上改善二次衬砌混凝土的服役期工作性能,应用纤维混凝土衬砌工作性能及外观效果较好。纤维混凝土的试验研究及在高速铁路隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩中的二衬使用,对类似工程将具有较好的参考价值。     

高地温隧道二次衬砌受力特性分析

研究目的:拟建川藏铁路的部分隧道工程施工过程中预计会遇到高地温(达30℃～80℃),高岩温将会给隧道工程的建设带来极大的挑战。本文拟通过衬砌外表面边界条件设定为固定温度约束(温度区间为30℃～80℃),利用ANSYS有限元软件建立三维荷载-结构模型,通过温度场和应力场的耦合,研究不同地温下、不同龄期的Ⅳ级围岩混凝土二次衬砌与Ⅴ级围岩钢筋混凝土二次衬砌受力特性,分析与评价其安全性,从而提出相应的工程应对措施。研究结论:(1)随着地温升高,隧道二次衬砌各个部位的安全系数呈下降趋势,特别是当地温从30℃升为50℃时,衬砌安全系数显著下降;(2)地温高于60℃时,Ⅳ级围岩隧道混凝土衬砌安全系数将不满足设计规范要求;(3)地温为80℃时,Ⅴ级围岩钢筋混凝土二次衬砌最小安全系数临近设计规范要求极值,位于衬砌墙脚附近;(4)地温超过60℃时,需设置隔热复合式衬砌;(5)本研究结论可为高温隧道的设计与施工提供参考。     

黄土地区浅埋暗挖地铁隧道围岩压力特征研究

为了解黄土地区浅埋暗挖地铁隧道围岩压力特征,得出荷载在衬砌结构各部分中的分担比例,本文以西安地铁二号线为研究对象,选取2组不同围岩条件的测试断面,开展现场测试工作。对围岩与初期支护接触压力、初期支护与二次衬砌接触压力及二次衬砌结构应力进行研究。结果表明:隧道墙脚位置初期支护与围岩之间接触压力较大,表明这二者承受大部分垂直压力;初期支护所受围岩压力随着土体强度降低而增大,且分布形式更趋于静水压力作用特点;二次衬砌作为主要支护结构承担大部分荷载,初期支护与二次衬砌接触压力随围岩土体强度降低而显著增大,二次衬砌在支护体系中作用也随土体强度降低而凸显;二次衬砌混凝土基本受压,拱腰及以上位置应力较大,仰拱处应力较小。     

富水砂卵石地层双层衬砌类圆形断面矿山法地铁隧道适应性研究

针对富水砂卵石地层条件下矿山法隧道下穿既有地铁盾构隧道,首先从工期要求与既有工程经验方面进行总体方案设计,明确矿山法隧道近距离下穿既有隧道的优势;随后基于规范要求与富水砂卵石地层特性,提出施工变形控制标准;最后对初期支护+双层衬砌结构型式下的沉降变形、结构内力等进行深入分析,并与常规初期支护+二衬结构型式进行对比分析,明确双层衬砌结构型式的优势。研究结果表明:类圆形断面在减小隧道开挖轮廓与改善结构受力性能等方面具有明显优势,同时本工程双层衬砌构造型式,围岩荷载主要由二次衬砌承担,永久结构(三次衬砌)承担的荷载较小,永久结构在承载力与稳定性,尤其是安全储备方面具有明显的优势。     

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。     

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。     

二衬厚度对盾构隧道双层衬砌纵向力学性能的影响

盾构隧道作为一种复杂的三维线性地下结构,容易受围岩特性不均等因素影响产生不均匀变形,引发结构局部破坏等病害。为研究双层衬砌盾构隧道在运营过程中的纵向力学行为,结合武汉地铁8号线越江隧道工程,建立纵向三维壳-弹簧力学分析模型,结合工程实际探讨二次衬砌厚度对盾构隧道双层衬砌力学性能的影响,以期获取合理的二次衬砌厚度取值。研究结果表明:(1)盾构隧道双层衬砌结构的纵向等效弯曲刚度随二次衬砌厚度增加呈线性增加;(2)施作二次衬砌可降低隧道纵向不均匀沉降量及管片间的错台量,二者随二次衬砌厚度增加而减小,但幅度不大;(3)在隧道纵向出现极端不均匀变形条件下,施作二次衬砌会导致位移突变点附近部位的管片局部内力及环缝张开量增大;(4)综合分析盾构隧道管片衬砌变形及受力,同时考虑工程造价和二衬是否设置配筋等因素,对于直径12 m级盾构隧道,其二次衬砌厚度建议取20~35 cm。     

四车道大跨公路隧道二次衬砌设计

本文以四车道大跨隧道的二衬受力特点为突破口,分析了衬砌结构设计的相应技术对策,即增加衬砌厚度和提高混凝土抗压强度.通过对外部荷载、结构内力规律的总结,并结合大量计算结果,得出四车道大跨隧道软弱围岩段(V级围岩)二次衬砌的承载能力薄弱点多为混凝土抗压强度不足的结论.以深圳市石清大道羊台山隧道为依托,通过有限元计算,对比研究了“增加二衬厚度”、“设置三层衬砌”、“提高混凝土强度等级”等三种技术对策,并认为提高混凝土强度等级是最经济合理的方式.此外,采用C40以上强度等级的混凝土,既能提高衬砌承载能力,又可满足耐久性方面的要求.     

隧道二衬结构安全性评估及改进方案

为解决较长段深埋隧道二衬钢筋缺失情况下结构安全性问题,基于破损阶段法理论,运用ANSYS有限元软件建模分析隧道二衬结构受力情况,综合分析隧道埋深、围岩级别、围岩水平竖直荷载、初支二衬荷载分担比,并引入结构抗拉抗压安全系数来评定二衬结构安全状况,计算出隧道断面各点处弯矩值、轴力值,进而得出钢筋缺失段安全系数。以石家庄地区某隧道为例,经计算,钢筋缺失段抗拉抗压安全系数未达到对应规范值(3.6、2.4),抗拉安全系数较全截面钢筋降低70%以上,判定二衬结构安全性不合格。并针对较长隧段二衬结构钢筋缺失问题提出了可靠的处理措施。     

Research on the Cause and Influential Factors of Tunnel Lining Cracking of Side Wall in Seasonally-frozen RegionsEI北大核心

Research purposes: In recent years, tunnel diseases like lining cracking and water leaking during spring thawing period, caused by frost heaving of surrounding rock, have occasionally occurred in high-latitude seasonally-frozen regions of northwest China and northeast China, which has seriously affected the tunnel structure and operation safety. Taking several railway tunnels in northwest China as an example, this paper investigates the cause and main influencing factors of longitudinal cracking of side wall in winter in seasonal frozen soil area by means of field test, laboratory experiment and numerical simulation. Research conclusions:(1) When the water content of surrounding rock of tunnel built in strongly-weathered sandstone is 12.3% and the frozen depth of surrounding rock is up to 60 cm, the maximum tensile stress of side walls is 2.28 MPa, which is larger than the ultimate tensile strength of C30 concrete, then the horizontal lining cracking will appear on side walls under the effect of continuous negative temperature in winter. If the lining bears part of the surrounding rock load, the longitudinal cracking degree of the side wall will increase. (2) Under the effect of frost heaving loads, the cracking of tunnel lining has its own characteristics of symmetry, seasonality and accumulation, etc. The cracks appear in winter and distribute in the middle of side walls. As the temperature is rising, the crack begins to shrink. (3) The frozen circle thickness and water content of surrounding rock should be used as main indicators during the process of calculation of frost heaving loads of surrounding rock in seasonally-frozen regions. (4) The research results can be used for reference in tunnel design, operation and maintenance in seasonal frozen soil area. © 2018, Editorial Department of Journal of Railway Engineering Society. All right reserved.     

隧道初期支护型钢格栅节点受力性能影响研究

初支二衬连拱隧道新型支护体系支护结构中钢架连接节点处为钢架的受力薄弱点,在隧道施工中应加强关注,但是,目前节点连接对于隧道初期支护钢架整体受力性能的影响仍不清楚,需要通过试验进行研究。基于此问题,按照初支二衬连拱隧道初期支护形式设置型钢、格栅分节及不分节四类构件,进行室内加载试验,研究设置节点对初期支护结构的力学性能影响,得到如下结论:设置节点会导致减小结构极限承载力,降低结构的强度、刚度,构件整体性下降;削弱型钢、格栅自身性能,降低型钢、格栅与混凝土间的协同作用,混凝土提前脱离工作;开裂提前,裂缝开裂、构件变形程度加重,构件出现斜拉破坏;对型钢混凝土类初期支护构件的影响要更显著,从结构内部来看,该影响体现在对钢架的影响。     

京张高铁八达岭长城站耐久性设计方法及措施

为了提高隧道及地下工程的耐久性,降低地下工程运营期维修养护的成本,采用系统分析法研究地下工程的耐久性机理,提出地下工程结构耐久性的计算模型及其定量化设计方法。隧道结构的耐久性取决于初期支护和二衬承载力的衰减,初期支护承载力的衰减将引起二衬荷载的增大,隧道结构耐久性的安全系数可采用二衬承载力与其荷载的比例来表示,当二衬荷载增长曲线与其承载力衰减曲线相交时,隧道结构达到承载力极限状态,此时也即为隧道耐久性的设计使用年限。八达岭长城站支护体系设计中,采用围岩长期自承载的设计理念,利用长寿命初期支护加固围岩,形成持久的围岩自承载拱,长期承担全部围岩荷载,二衬作为安全储备。同时,增加锚杆注浆保护层的厚度和密实度、设置居中定位器来提高锚杆的耐久性,采用分段高压注浆来提高锚索的耐久性,采用中低热水泥、Ⅰ级粉煤灰、多级配整形骨料、控制入模温度、优化配合比、进行保湿保温养护等措施提高二衬混凝土的耐久性,形成长寿命支护结构体系。     

新近系泥岩隧道初期支护受力特性研究

富水区泥岩隧道开挖后经常出现支护结构大变形乃至开裂现象,影响隧道的施工和长期运营安全。为掌握新近系泥岩隧道支护结构和围岩的变形动态,开展相应的室内试验与现场监控量测以及数值模拟。采用室内试验方法获得泥岩的物理力学参数;通过现场监测方法得到围岩压力、钢拱架应变;采用数值模拟的方法获得泥岩软化前、后拱顶及拱脚沉降量、围岩压力、径向位移值的大小。研究结果表明:泥岩呈弱崩解性,且具有一定膨胀性,是导致围岩变形持续时间较长的主要原因;多数测点钢拱架弯曲,导致初期支护承载力不足,进而引起初衬混凝土掉块脱落;泥岩软化后,隧道同一位置处拱顶、拱脚沉降量、围岩压力、径向位移值均远大于泥岩软化前的数值,泥岩遇水软化是导致隧道支护结构产生大变形的原因之一。研究方法和结论对新近系泥岩隧道的设计和施工有一定的参考价值。     

基于精细爆破的隧道微台阶开挖工法与工程应用

研究目的:通过精细爆破技术和悬臂拼装式多功能台架应用,开发出一种适用于Ⅳ、Ⅴ级石质围岩隧道施工的开挖新工法,以解决软弱围岩隧道开挖掌子面与仰拱等后继工序安全步距保持、进度保障等施工问题.研究结论:基于精细爆破技术和悬臂拼装式多功能台架的隧道微台阶开挖工法,有效地提高了软弱围岩隧道开挖施工效率,为后继工序施工提供了更大的作业空间,缩小了掌子面与仰拱、二衬之间的距离,有利于保障隧道施工安全和进度.     

关于复合式衬砌整体计算模型的思考

复合式衬砌传统计算方法常忽略初期支护内力计算及其安全性检验,二次衬砌所承担的围岩荷载根据围岩条件进行经验确定。针对其不足,提出适用于复合衬砌的整体计算模型,并通过实例计算分析传统计算模型与整体计算模型下内力产生差异的原因。围岩与初支间接触的模拟需考虑其法向及切向约束作用。软弱围岩对初衬的最大剪切约束力与围岩的黏聚力、内摩擦角及两者所传递的法向压力有关,当围岩与初衬间的剪切力大于最大剪切约束力后,软弱围岩所能发挥的剪切约束与剪切位移、摩擦系数及两者所传递的法向压力有关。因防水板的设置,初衬与二次衬砌仅需考虑其法向约束作用,以仅受压弹簧模拟围岩与初衬及初衬与二次衬砌间的法向约束,可较为真实地模拟接触受压后方能传递压力的特性。传统计算模型下,围岩荷载承担比例的增加对衬砌内力分布形式影响较小,衬砌内力值与围岩荷载基本成同比例变化;整体计算模型下,围岩荷载在初衬与二次衬砌间进行自适应分配,衬砌所受荷载大小及分布形式与传统计算模型下的荷载具有较大差异,因此内力大小及分布形式也随之发生变化。     

高地应力软岩隧道围岩压力及二衬受力特征研究

为研究高地应力条件下软岩隧道围岩压力作用规律及二衬受力特征,依托兰新铁路第二双线大梁隧道,分别对隧道围岩与初期支护、初期支护与二次衬砌之间的接触压力进行现场监测,得出上述压力随时间变化规律和沿隧道横断面分布特征,基于实测围岩压力对隧道二次衬砌结构内力进行计算。研究结果表明:初支围岩压力和初支与二衬接触压力随时间发展呈不同变化规律;围岩压力在空间分布上表现出"两侧大、拱顶小"的侧向挤压特征;二次衬砌围岩压力分担比例平均值在45.0%~70.3%;实测围岩压力较规范围岩压力计算出的二衬内力更符合实际。     

宜万铁路别岩槽隧道F3断层突发性涌水治理

研究目的：宜万铁路别岩槽隧道F3断层围岩破碎，为碎石土，局部溶隙、溶槽发育，有少量地下水，施工中按V级围岩采用超前小导管支护、格栅钢架支撑、网喷混凝土，采取台阶法丌挖。在初期支护完成3个月后，由于受地表强降雨影响，致使隧道线路右侧暗河（距隧道约10-20m）水量增大、水压升高，继而导致隧道初期支护严重开裂-变形，突发大规模涌水。本文主要分析了F3断层突发性涌水机理，介绍了F3断层突涌水的治理措施。 研究方法：突发性涌水后，现场立即启动应急预案，在安全监视下，采取工字钢环向加固和横向支撑，并对线路右侧边墙进行钻孔放水泄压。水量稳定后，对F3断层段采取径向加固堵水注浆；拆除变形格栅钢架，采用120钢架替换；并及时施作二次衬砌。 研究结果：通过采取“径向注浆加固-初期支护加强-及时施作二次衬砌”等综合技术措施，F3断层治理后，仅在局部位置出现渗流水，水量1m^3／h，治理效果良好。 研究结论：（1）通过别岩槽隧道F3断层涌水事故，当隧道周围（不超过100m）存在暗河通道等赋水条件，隧道开挖揭示囤岩破碎，那么，既使隧道开挖中未发生涌水，也难以保证初期支护完成后不发生涌水事故，甚至很难保让隧道完成后运营过程中不出现问题，随着“强本简末，为运营服务”隧道修建理念的提高，针对类似地质构造，做到提前防范，加强处理。（2）针对类似别岩槽隧道F3断层地质特点，采取径向注浆是一种有效的治理及防范措施。     

能量守恒原理在Ⅴ级围岩隧道衬砌设计中的应用研究

在围岩-衬砌这个封闭系统中,隧道的开挖和支护过程伴随着能量的传递和转化,不考虑热能散失并将围岩视为弹性体,则围岩势能的释放即为衬砌结构弹性应变能的增加。刘红燕等[1-2]利用该能量守恒原理对Ⅲ级围岩单线铁路隧道进行了衬砌厚度的计算,在此研究成果的基础上进一步研究了能量守恒原理对于Ⅴ级围岩衬砌设计的适用情况。针对Ⅴ级围岩建立FLAC3D模型动态模拟隧道的开挖过程,利用matlab语言编写弹性应变能密度函数从而得到实体模型各单元的弹性应变能,最后得到特定范围内围岩势能随掘进深度的变化曲线。由此围岩势能变化曲线可得出隧道开挖后围岩的势能释放值。此外,通过进行钢纤维混凝土(SFRC)构件的韧性试验,确定SFRC三分梁破坏与SFRC衬砌破坏时的能量消耗关系。据此建立能量方程并可得出SFRC衬砌的理论厚度,经检算,设计厚度满足安全性要求。结果表明,能量守恒原理的隧道衬砌设计方法不再受Ⅱ、Ⅲ级围岩小断面情形的限制,它同样适用于V级围岩大断面隧道的衬砌设计。