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。     

软弱泥质页岩隧道衬砌受力特征探讨

通过对关口垭隧道泥质页岩条件下软弱地段支护系统的现场测试,得到了钢支撑、喷射混凝土和二次衬砌等支护构件的受力状况与软弱泥质页岩地质状况之间的关系,建立相应的模型,进行了三维有限元数值分析,并对测试与计算结果进行了分析。结果表明：围岩应力前期释放较快,而后期变形压力延续时间长,除钢支撑承担了较大的围岩初始释放压力外,二次衬砌也承担了较大比例的长期变形压力,为了有效地约束围岩早期的快速变形和后期的长期变形,初期支护和二次衬砌都应具有足够的强度和刚度;现行《公路隧道设计规范》所推荐的围岩松动压力计算方法,对于软弱泥质页岩隧道并不完全适用．在进行围岩类别划分时应适当降低围岩类别;施工掘进时必须控制好各工序的施工距离,尽快使初期支护体系形成封闭环,并加设锁脚锚杆等辅助措施,以便有效地改善围岩地受力状况。     

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。     

乌鞘岭隧道F7断层初期支护与二次衬砌接触压力估算

乌鞘岭隧道F7断层全长817m,二次衬砌在初期支护未趋稳定情况下施作,势必导致初期支护对二次衬砌的压力较大,了解其压力的大小对设计、施工有重要意义.通过二次衬砌的收敛量测,考虑二次衬砌混凝土弹性模量、收缩变形随时间变化等因素,探讨并估算初期支护对二次衬砌接触压力的大小.     

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。     

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。     

地铁隧道过海段复合衬砌参数的敏感性分析

以青岛地铁1号线胶州湾过海隧道为研究背景，选取了影响复合式衬砌外围水压力的9个主要影响因素，在利用Midas有限元数值分析软件的基础上，采用正交试验设计法分析了2种测试水平下这9个因素对水压力折减系数的显著性影响水平。结果表明：影响二次衬砌外围水压力大小的显著性因素为二次衬砌外围半径和围岩渗透系数与二次衬砌渗透系数的比值；影响初期支护外围水压力大小的显著性因素为围岩渗透系数与注浆圈渗透系数的比值、注浆圈厚度、围岩渗透系数与二次衬砌渗透系数的比值及隧道半径。其中，围岩渗透系数与二次衬砌渗透系数的比值对二次衬砌、初期支护的外围水压力均有显著性影响。因此，在海底隧道设计和施工过程中，应重点关注衬砌的渗透性能，注意支护结构的参数设计和选取，以保障海底隧道的顺利开挖及运营安全。     

小净距浅埋偏压软岩隧道支护结构受力实测分析

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。     

考虑相变和围岩含水裂隙的隧道冻胀力研究

研究目的:为掌握寒区隧道冻胀力特征,以2022年冬奥会重大交通保障项目金家庄特长螺旋隧道为依托,通过室内试验、温度测试和COMSOL数值模拟相结合的方法,建立仅考虑围岩冻胀的计算模型,研究相变潜热和围岩含水裂隙对衬砌结构和围岩内力的影响。研究结论:(1)考虑相变潜热能减少衬砌结构内力,相变潜热对衬砌结构冻胀内力的影响随着计算时间的增加愈加明显;(2)含水裂隙使初期支护的最大拉、压应力增大,而使二次衬砌的最大拉、压应力减小,且对初期支护的最大拉、压应力影响明显大于二次衬砌结构,相对于无围岩裂隙,含水裂隙的存在推迟了衬砌结构应力出现的计算时间并使围岩各截线位置的第一主应力变化规律由W型转变为V型;(3)相变潜热和含水裂隙对衬砌结构的最大拉、压应力位置,衬砌结构和围岩的主应力分布规律及量值大小均有一定影响,实际工程中应注意减小围岩裂隙对结构的影响;(4)本研究结论可为类似高寒地区相变潜热和围岩含水裂隙对隧道冻胀力的影响大小提供借鉴或参考。     

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。     

Research on the Mechanical Characteristics of Primary Supporting in Deep Buried Large-section Red Clay TunnelEI北大核心

Research purposes: In the New Austrian Tunneling Method, the primary supporting has the vital function as the main structure of taking the pressure of surrounding rock. In order to study the force characteristics of primary supporting in the composite lining of deep buried large section tunnel, this paper is based on Qingyang tunnel engineering in Yinchuan-Xi'an High-speed Railway. After the on-site monitoring of the process, we can find the variation law of surrounding rock pressure on the deep buried large section red clay tunnel, steel arch internal force and concrete internal force, and analyze the internal forces and distribution characteristics of the primary supporting structure. Research conclusions:(1) The pressure of surrounding rock on both sides of the large section tunnel of red clay is greater than that in the vault and the inverted arch. (2) The internal force of primary supporting structure shows a distribution pattern of big top and small bottom, and the steel arch bears most of the surrounding rock pressure. (3) It can be considered to increase the marking of steel arch frame on the side wall and vault roof, and reduce the section area of arch frame in inverted arch, so as to make full use of materials, reduce the cost and improve the reliability of lining structure. (4) This research conclusion can provide reference for the optimization of lining design and construction organization of tunnel primary support under similar geological conditions. © 2018, Editorial Department of Journal of Railway Engineering Society. All right reserved.     

宜万铁路马鹿箐隧道“+978”溶洞处理技术研究

宜万铁路马鹿箐隧道"+978"大型富水溶洞容量巨大,水压高,充填物为饱水淤泥质粉质黏土夹碎石、块石及孤石,颗粒细、强度低、施工风险大。在排水减压的条件下,根据Ⅰ、Ⅱ线溶洞段不同的工程地质条件,Ⅰ线溶洞段采用了"注浆加固、超前支护、加强结构"的处理方案,Ⅱ线溶洞段采用了"回填反压、盖挖通过、加强结构"的处理方案。针对溶洞充填物强度低,荷载大的特点,采用双层喷混凝土支护形式的初期支护,有效控制了围岩变形,并承担了大部分围岩压力,为二次衬砌承受雨季突增水压力提供了有利条件,隧道结构安全性监测结果表明溶洞段结构安全可靠。     

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。     

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。     

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。     

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.     

流变效应作用下高地应力铁路软岩隧道衬砌结构长期稳定性研究

高地应力软岩具有变形量大、变形速率快、持续时间长、流变性强等特点,围岩流变性对衬砌结构长期稳定性影响大。以木寨岭铁路隧道为例,结合室内蠕变试验结果,采用Burgers流变模型,分析不同流变周期内支护结构受力随时间变化的规律。结果表明:(1)本文采用的Burgers模型能较好地反映围岩流变特性;(2)目前木寨岭隧道的支护结构形式,已施作的衬砌结构在以后数年发生压溃开裂的风险较大;(3)提高支护结构的长期稳定性及安全性,应从改变围岩流变性的角度出发,降低围岩的流变特性,增强围岩强度。     

寒区隧道衬砌结构可靠性分析

为了研究寒区隧道在运营阶段衬砌结构的可靠性,考虑到冻胀力、围岩压力和结构自重应力对围岩衬砌结构的影响,以昆仑山寒区隧道工程为背景,采用ANSYS中的PDS(概率设计)模块和蒙特卡洛拉丁超立方抽样方法,对影响寒区隧道衬砌结构可靠性的主要因素以及保证隧道结构安全的可靠性指标进行研究。结果表明:基于ANSYS数值模拟,通过研究冻土围岩温度场和应力场的耦合结果,得到冻胀对衬砌结构产生的最不利的位置;以概率论和数理统计相结合的方式,对衬砌结构最不利位置的可靠性进行定性和定量的分析,得到衬砌结构的可靠性指标;蒙特卡洛法中的拉丁超立方抽样提高了抽样概率的精确性,概率设计的敏感性和设计变量之间的散点图分析,有利于确定影响衬砌结构可靠性的主控因素,进而针对可控因素采取措施,以此提高衬砌结构的可靠性。     

京张高铁八达岭长城站大跨深埋三连拱围岩压力计算方法研究

大跨度深埋三连拱隧道具有开挖跨度大、施工工序复杂、各洞室协同受力等特点,支护结构设计需要进行荷载-结构模型验算,而荷载如何确定尚无成熟的计算方法。依托京张高铁八达岭长城站三连拱隧道工程,基于普氏平衡拱基本假定并借鉴深埋双连拱隧道荷载计算方法,推导出深埋三连拱情况下围岩压力计算解析解。研究表明:三连拱隧道围岩压力由拱部松散土压力和中隔墙共同承担;中隔墙的主动支撑作用非常重要,这与双连拱隧道的受力变化规律吻合;该计算方法适用于具备一定强度的接近松散体围岩;通过解析法计算结果与现场监测数据对比分析,水平与竖向围岩压力最大相对误差分别为9.75%和10%,验证解析法计算结果的合理性。