隧道初期支护钢拱架的应力分布规律研究

隧道开挖时,由于地质条件的不确定性和复杂性,导致支护结构受力状态发生变化,因此掌握支护结构应力分布规律对于隧道工程安全施工具有十分重大的意义。以下穿渝湘高速公路的凤咀江铁路隧道为背景,利用数值模拟和实际监测研究不同围岩和不同拱架间距下隧道初期支护钢拱架的应力分布规律,研究表明:(1)Ⅴ级偏差围岩最大拱架间距取0.8m,Ⅴ级偏好围岩最大拱架间距可增大至1.0m;(2)从应力分布角度看,钢拱架内外侧应力大部分为拉应力,且钢拱架最大拉应力出现在拱脚处,最大压应力在拱顶处;(3)当围岩质量状况变差时,钢拱架应力和应力梯度会迅速增大,钢拱架受力不均匀性也会显著增加;(4)在Ⅴ级偏差围岩条件下,当增大拱架间距时,钢拱架应力会迅速增加,因此要严格控制好拱架间距。     

预切槽法开挖黄土隧道的切槽方式研究

结合目前研制的中心轴式预切槽机械开展现场试验的需要,数值模拟研究顺序3段、5段、7段和跳跃7段切槽方式对于地层沉降、预筑拱变形及受力的影响,并在宝兰客专洪亮营黄土隧道现场进行了1环切槽及灌注混凝土试验,以测试预切槽机械的性能。结果表明:随着切槽分段数目的增加,地层沉降和预筑拱的收敛变形均逐渐减小,顺序7段切槽方式在控制地层和结构变形方面最为有利;预筑拱拱脚在4种切槽方式下均会承受较大拉应力,且超过了混凝土抗拉极限强度,其他部位拉应力均在安全范围内,因此应在拱脚处增加锁脚,并及时对预筑拱进行加固,以提高预筑拱的抗拉能力,防止其结构发生破坏;分段切槽灌注模式在黏质黄土中成槽的稳定性较好,而在砂质黄土中成槽的质量和灌注成型的预筑拱质量较差。     

中心轴式预切槽机械在大断面黄土隧道中的应用试验

黄土是一种特殊的第四纪陆相松散堆积物,具有强度低、变形大、自稳能力差的特点,我国大断面黄土隧道的建设通常采用三台阶七步开挖法、CD法、CRD法、双侧壁导坑法等,存在施工工序多、施工进度慢、变形量难以控制、临时支护用量大、对各小断面支护结构的连接工艺要求高等问题,研究适合软弱围岩隧道机械化施工的工法非常必要。预切槽法由于具有控制地层变形能力强、施工速度快的特点,受到国内隧道界的再次关注。2013年,中铁重工集团研制成功了国内第一代中心轴式预切槽机械。为了掌握预切槽机械切灌过程性能及预衬砌的受力变形特性,进行预切槽机械在黄土隧道中的工业化试验。研究认为:(1)研制的中心轴式预切槽机械在黄土地层切割成槽能力良好,但在切灌一体化方面尚需要深入研究;(2)由于限制了地层的变形,预衬砌承受的地层压力较大。(3)预切槽法对切槽脚部地基的承载力要求较高,预衬砌脚部是拉应力集中区域,实际施工中要进行合理加固。     

深埋大断面土质隧道初期支护结构受力特征研究

研究目的:新奥法中初期支护结构作为承受围岩压力的主要结构有着重要的作用。为研究深埋大断面隧道复合衬砌中初期支护结构的受力特性,本文以银西高铁庆阳某隧道为工程依托,通过现场监测,得到深埋大断面红黏土隧道的围岩压力、钢拱架内力与混凝土内力变化规律,分析初期支护结构内力变化规律及分布特征。研究结论:(1)红黏土大断面隧道两侧的围岩压力大于拱顶和仰拱内的围岩压力;(2)初期支护结构内力呈现出上大下小的分布规律,且钢拱架承担了大部分围岩压力;(3)可考虑在边墙及拱顶增高钢拱架标号,仰拱内减少拱架截面积,以达到充分利用材料降低造价,提高衬砌结构可靠性;(4)本研究结果可以为类似地质条件下衬砌设计优化及隧道初期支护的施工组织提供参考。     

黄土隧道围岩含水率变化及拱架受力特征研究

为了研究黄土隧道围岩含水率和钢拱架应力在施工期间的变化规律,以在建银西高铁董志塬区上阁村隧道为例,采用现场监测方法,对黄土隧道围岩体积含水率变化规律和钢拱架受力特征进行分析研究。结果表明:黄土隧道围岩含水率在时间上呈先增长后平稳的两阶段变化,在空间上表现为拱顶和拱腰位置的含水率总体小于拱脚和仰拱底部的含水率;钢拱架应力在施工期内呈先非线性增大后出现波动最后趋于平稳的三阶段变化规律,在施工期内钢拱架对承受围岩压力、确保大断面黄土隧道围岩稳定性方面发挥着重要作用。建议对大断面黄土隧道在施工期内形成"勤测含水率、重视防排水、加强初支"的管理理念。     

预切槽法开挖黄土隧道掌子面稳定方式研究

本文介绍了软弱围岩隧道的变形特点及控制措施,对软弱围岩隧道的掌子面稳定性进行分析,包括失稳形式、破坏机理,并提出掌子面加固措施。此外,结合预切槽法黄土隧道试验段实例,利用有限差分软件FLAC3D建立模型,研究三种不同的掌子面加固方法对围岩变形以及预衬砌受力的影响。结果表明:全断面预加固可有效控制围岩变形且减小预衬砌所受的拉应力,与预加固且留核心土方式相比,预衬砌的拉应力值相差不大且都在允许的范围内。在实际工程中考虑预切槽法结合大断面机械施工,建议采用全断面预加固的方式。     

近接浅埋偏压黄土隧道支护结构的力学特性分析研究

研究目的:解决新建复线隧道与既有隧道平行近距离修建时,既保证新建隧道安全施工,同时确保既有线隧道的安全运营的问题。研究结论:(1)在浅埋偏压条件下,新建黄土隧道拱部下沉量和净空收敛量均较大;(2)围岩压力分布呈不对称猫耳状;(3)钢拱架远离侧应力大于临近侧应力,在支护体系中作用较大;(4)拱部和边墙喷射混凝土处于受压状态,而底部多为拉应力;(5)拱部系统锚杆受力较小,对结构的稳定性作用不大,而锁脚锚杆对结构的稳定性有一定的作用;(6)既有隧道受新建隧道开挖影响比较明显,新建隧道开挖对既有隧道产生了偏压和拉伸两种效应;(7)两近接隧道之间的间距对既有衬砌的影响较大,当间距一定时,临近侧所受影响大于远离侧所受影响。     

大断面膨胀土隧道结构受力特性测试研究

研究目的:大断面隧道因其跨度大、形状偏于扁平,在施工过程中表现出独有的力学特点,经常造成围岩大变形侵限、区域性塌方、底鼓和支护结构开裂等施工风险,而这些特点在膨胀土环境中表现的尤为明显,因此研究大断面膨胀土隧道支护结构受力特性具有重要的工程应用意义。本文以银西线庆阳隧道为工程背景,首先通过室内试验确定红黏土围岩的膨胀参数,然后利用现场监测手段对庆阳隧道支护结构的力学特性进行研究,并评价其支护结构受力性能,以期对同类隧道施工起到一定的指导作用。研究结论:(1)隧道膨胀土最大膨胀率为67%,最大膨胀力达到67.42 kP a,施工过程中应加强超前地质预报,尽可能减少水害对施工的影响;(2)隧道拱顶、两侧拱腰及底部具有较大围岩压力,围岩压力呈对称分布,初支闭合后拱顶附近围岩压力基本稳定,但两侧拱腰及仰拱位置围岩压力持续增大;初支闭合后钢拱架受力持续快速增长且受力基本对称,隧道上部初支内钢拱架受力始终较大,拱顶钢拱架应力最大达到1.46 MPa;(3)二衬施作后,初支仍存在一定变形,二衬左右两侧衬砌压力增长显著,二衬两侧拱脚位置混凝土应力增大明显;(4)本研究成果可为大断面膨胀性隧道设计优化和安全施工提供理论指导与科学依据。     

大断面隧道小净距上跨既有隧道施工方案优化北大核心

成都市轨道交通17号线二期工程阳公桥站—龙爪堰站区间隧道上跨既有7号线盾构隧道采用交叉中隔壁法施工。通过数值仿真结合现场监测,分析大断面隧道以小净距上跨施工时既有隧道拱顶隆起与地表沉降的变化规律,并通过分析新建隧道初期支护厚度、钢拱架间距、单次拆撑长度对既有隧道拱顶隆起和地表沉降的影响,对原施工方案进行了优化。结果表明:先行开挖的两个导洞施工对既有隧道拱顶隆起与地表沉降影响明显;既有隧道拱顶隆起与地表沉降随钢拱架间距和单次拆撑长度增大而增大,随初期支护厚度增加而减小。建议新建隧道上跨施工时采用初期支护+二次衬砌+三次衬砌的复合衬砌结构,钢拱架间距取0.4 m,单次拆撑长度取6 m。     

复杂地质隧道衬砌变形分析与工程治理技术

研究目的:新建兰渝(兰州至重庆)铁路是我国《中长期铁路网规划》的重点项目,兰渝铁路两水隧道在施工过程中遇到高地应力,围岩最大水平主应力值为6.5~11.3 MPa,隧道围岩呈现变形大、速率快的特点。在隧道掘进施工前期,隧道初期支护结构变形大,部分钢拱架扭曲、断裂,支护结构失稳,初期支护结构侵入衬砌净空,拆换拱情况频繁发生。隧道贯通后,发现隧道已完衬砌局部区段出现衬砌混凝土开裂、掉块,断面变形乃至侵限现象,给隧道施工及运营带来极大的安全风险隐患。针对隧道衬砌出现的问题,经过会同有关专家充分分析其发生变形、开裂的原因,并就衬砌拆除换拱试验段工艺参数进行研究,通过严密的监控量测,分析隧道支护和衬砌结构受力和变形规律,提出合理的控制变形的工程处理措施。研究结论:(1)两水隧道通过区域地质构造十分复杂,软弱的薄层板岩、千枚岩或炭质千枚岩在高地应力作用下发生围岩大变形,造成较长段落初支变形和衬砌破坏;(2)在总结施工经验的基础上,结合大量的现场试验段围岩量测数据分析,采取双层初期支护和双层衬砌工程技术措施,进一步优化和增强初支拱架强度,可以有效的控制隧道大变形;(3)针对具有极高安全风险的衬砌拆除换拱施工,采用短拆除、快支护、设置临时套拱、打设锁脚锚管以及快速紧跟隧道二次衬砌等措施,可以进一步降低和控制安全风险;(4)本研究成果不仅是根据铁路大断面双线隧道通过软岩大变形地质条件下,出现罕见初支变形和衬砌破坏的工况,所采取的处理整治措施,而且对今后类似隧道工程施工中具有一定的指导价值。     

预切槽法在浅埋暗挖下穿公路段隧道中的设计

研究目的:机械预切槽法因其结合盾构的盾壳保护开挖理念和新奥法处理复杂地层的自由灵活理念,在土砂等极软弱围岩地质条件、城市特殊复杂环境近接施工或以上因素复合形成的复杂困难工程条件下具有显著的优势,可以较好地保障隧道施工的安全,同时也是机械化施工的一种很有发展潜力的隧道施工方法。本文结合福平铁路新鼓山隧道下穿福州机场高速公路的浅埋暗挖段,对隧道预切槽法施工在软弱地质下浅埋暗挖下穿通过道路的城市环境应用进行设计与分析,提出该方法的可行性。研究结论:(1)预切槽法可以应用于浅埋暗挖、下穿道路等特殊隧道段落的施工;(2)在浅埋、软弱、近接等特殊条件下,预切槽法形成的预筑拱作为超前措施,较常用的管棚等技术手段,对控制地表沉降、保证施工安全有更显著和可靠的作用,具有更大的安全性;(3)本研究结论可为类似工程条件的隧道设计提供借鉴。     

小净距隧道下穿既有建筑物稳定性研究

近接施工引起的结构稳定性一直是城市地下工程关注的热点问题。以合肥小净距隧道穿越利海大厦办公楼工程实践为依托,建立三维数值力学模型,研究建筑物桩基变形特性、小净距隧道围岩塑性区分布和衬砌力学响应。研究结果表明:上台阶开挖引起桩基沉降占整个断面通过后总沉降量较大比例,上台阶施工过程控制尤为重要;接近隧道入口的桩基沉降量最大,从外向内逐渐减小;隧道通过20 m后,桩基沉降基本稳定。小净距隧道围岩塑性区主要集中在边墙、中隔墙和拱脚,建议设置中隔墙对拉锚杆和拱脚锁脚锚杆;先行洞洞周变形大于后行洞,先行洞隧道拱肩、中夹岩柱侧边墙二次衬砌安全系数最小,应作为施工阶段重点监测部位。研究成果对复杂环境城市地下工程设计、施工提供参考和借鉴。     

大跨海底铁路隧道断面受力特点及优化建议

以甬舟铁路金塘海底铁路隧道矿山法施工段为依托，选其深埋段Ⅳ_b型衬砌参数，采用荷载-结构模型，基于内力分布特点研究仰拱加深、拱脚加厚及仰拱加深+加厚拱脚3种方案下的断面优化效果。结果表明，仰拱加深0.5 m可使断面弯矩分布更加均匀，可改善各关键节点安全性能并将衬砌可承受的最大水压由拱顶以上6 m提升至38 m;拱脚段加厚0.3 m对结构弯矩分布、底鼓挠度大小及整体安全系数的提升效果较小，可承受极限水压为拱顶以上23 m;仰拱加深0.5 m+拱脚加厚0.3 m优化方案与仰拱加深0.5 m方案优化效果大体一致，故建议断面优化优先考虑仰拱加深措施。     

高水压作用下单线铁路隧道衬砌受力特性研究

铁路隧道衬砌结构在运营期间的高水压致裂问题日益突出。本文依托新圆梁山隧道工程,采用数值分析方法研究了三种隧道衬砌断面在全环均匀水压力下的内力分布特征。结果表明:普通衬砌(a型)、蛋形衬砌(b型)的轴力和弯矩分布相似,拱顶、拱腰和拱脚为这两类衬砌的受力最不利位置;圆形衬砌(c型)的拱顶和拱腰为受力最不利位置。不同的衬砌结构形式下,衬砌轴力值和弯矩值与水压力均呈线性关系。不同衬砌断面形式下轴力相差不大,采用蛋型衬砌能小幅度降低衬砌所受弯矩,而圆形衬砌则能显著降低衬砌所受弯矩。研究成果可为类似工程提供借鉴和参考。     

大断面黄土隧道施工方法分析

研究目的:大断面黄土隧道开挖可采用双侧壁导坑法、CRD法、台阶法等,本文依托郑州至西安高速铁路大断面黄土隧道工程实例,通过对三种常用工法的理论分析,并结合现场初期支护下沉收敛、地表沉降的监测,对比分析各种工法的优缺点,提出适用于高速铁路大断面黄土隧道安全快速的开挖方法。研究结论:(1)在三台阶七步法、CRD法及双侧壁导坑法中,初期支护在施作二次衬砌前的安全系数分别为1.3、1.4、2.6,CRD法及双侧壁导坑法临时支护安全系数最小值为1.2、1.9,均能保证施工阶段的安全;(2)地表沉降值和黄土性质关联性更强,采用三台阶七步法和CRD法开挖,地表沉降值均在10 cm以上,双侧壁导坑法可将地表沉降值控制在5 cm以内;(3)高速铁路大断面黄土隧道无特殊情况下宜采用三台阶七步法开挖;(4)本研究成果可为类似断面工程的施工提供借鉴。     

隧道穿越红黏土接触带初期支护优化研究

研究目的:不同岩性接触带地质条件复杂,围岩软硬不均,隧道变形与常规地层隧道有所不同。本文以贾塬隧道穿越红黏土与砂岩夹泥岩接触带地段为依托,建立相应数值模拟分析模型,对初支厚度、拱架间距、锚杆长度和间距在控制围岩变形和初支应力方面的效果进行分析。研究结论:(1)隧道穿越红黏土与砂岩夹泥岩接触带时,开挖扰动引起的洞周变形占总变形量较大;(2)初期支护厚度和钢拱架间距两个参数对隧道变形和初支应力控制效果明显;(3)边墙锚杆的长度和间距对隧道变形影响不明显;(4)该成果可为隧道穿越不同岩性接触带时的支护参数优化提供参考。     

海底隧道衬砌结构受力特点及断面形状优化

针对青岛胶州湾海底隧道工程,选取设计参数不同的8个衬砌结构断面,基于荷载-结构模型,采用ANSYS有限元程序,分析衬砌结构受力特点.结果表明:衬砌结构仰拱半径不宜过大,减小仰拱半径可以有效减小衬砌结构仰拱、拱脚处的弯矩;衬砌结构拱脚半径不宜过小,增大拱脚半径虽可以有效减小衬砌结构拱脚、拱底处的弯矩,但同时会增加拱顶的弯矩;衬砌结构拱顶半径不宜过大,增大拱顶半径可以减小衬砌结构仰拱、拱脚处的弯矩,但将增大拱顶、拱肩处的弯矩.基于上述研究结果,根据相关规范设计要求,以各衬砌结构断面各单元最小安全系数最大化为目标函数,对青岛胶州湾海底隧道位于海域段V级围岩段衬砌结构断面形状进行优化,优化得到的衬砌结构断面,各处内力值(弯矩、轴力)更加均匀,安全系数离散性小,便于衬砌结构配筋设计.     

雁门关隧道应急停车带二次衬砌施工技术

雁门关隧道应急停车带二次衬砌采用钢拱架与小模板组合的方式,成功地解决了该种衬砌方式在大断面衬砌中的施工难题.     

填土对既有浅埋隧道的安全影响及容许填土厚度确定

既有浅埋隧道上方填土可能导致其衬砌变形、安全系数降低,甚至发生破坏,危及行车安全。以长枪岭隧道上方某拟建公园填土工程为例,选取若干典型断面,对既有浅埋隧道受不同厚度的填土影响进行数值分析,并确定容许填土厚度。结果表明:既有隧道上方填土将导致衬砌整体下沉,左右两侧沉降基本对称,位移值自上而下逐渐减小;填土后的安全系数降低,但幅度不大,拱脚及仰拱处安全系数偏小,可能出现开裂;既有隧道拱顶位移值随着填土厚度的增加而近似线性增大,为满足位移控制要求,容许填土厚度应为0.3 H~0.4 H(H为原覆土厚度)。根据若干断面的分析结果可得整个填土区域的容许填土线,在此范围内进行填土施工,并采取相应的工程措施,既有隧道的运营安全可得到保证。本分析方法简单易行,满足工程精度,可用于指导工程实践,对类似工程有一定的借鉴意义。     

浅埋大断面黄土隧道安全快速施工方案探讨

浅埋大断面黄土隧道施工易塌方,设计考虑采用侧壁导坑法,在现场施工期间,出现了施工进度慢,施做不到位引起的开裂变形甚至塌方等问题。基于浅埋大断面黄土隧道的变形特性,结合传统矿山法、新意法、预切槽法等施工方法的技术特点,提出了浅埋、大断面黄土隧道不同工况下安全、快速的施工方案。