红黏土隧道围岩含水率变化及变形特征分析

银西高速铁路庆阳隧道洞身主要围岩为红黏土。本文通过现场监测,对庆阳隧道从初期支护开始近2个月内围岩含水率、钢拱架应力及围岩变形的变化规律进行分析。结果表明:红黏土隧道围岩含水率、钢拱架应力和围岩变形先增大而后趋于稳定;含水率和钢拱架应力的增长波动期一般为2～4周,围岩变形增长期一般为2周;含水率趋于稳定后拱顶和拱腰处围岩含水率明显小于拱脚和仰拱处;增长期围岩变形线性增大,变形基本稳定后拱顶沉降大于水平收敛;钢拱架承受围岩压力,对确保红黏土隧道围岩的稳定起着重要作用。     

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。     

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。     

深埋碳质板岩隧道采用不同开挖方法时围岩及初期支护变形特征

大理至瑞丽铁路高黎贡山隧道为深埋碳质板岩隧道,利用MIDAS/GTS建立数值模型研究该隧道开挖过程中围岩及初期支护变形特征。结果表明:含仰拱全断面开挖在控制围岩变形和剪切破坏方面比不含仰拱全断面开挖更有优势,掌子面渗水导致实测的围岩变形量稍大于数值模拟结果;围岩压力和钢拱架应力出现急剧增长、增速变缓、趋于稳定3个阶段。急剧增长阶段围岩压力和钢拱架应力的最大值分别占整体最大值的70%～85%和60%～85%,围岩变形、围岩压力和钢拱架应力的最大值均出现在拱顶,较大值均出现在右拱腰和左拱脚,存在右上左下的偏压现象。     

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。     

软弱围岩隧道钻爆法机械化施工关键技术及装备

为实现软弱围岩大断面隧道钻爆法机械化施工，依托渝昆高速铁路（重庆—昆明）来福隧道，对凿岩钻孔与拱架安装施工工艺进行了研究。通过加长臂改造改进了凿岩台车，以适应软弱围岩条件下台阶法钻爆开挖隧道。通过增加托举装置的延长杆，改进了三臂拱架安装台车；结合“一长两短”的上台阶初期支护钢拱架设计方案，实现了拱顶初期支护钢铰接+三臂拱架安装的施工工艺。通过现场试验，采用改进后的凿岩台车施工，与传统人工手持风枪凿岩相比，两台阶与三台阶断面钻孔作业，施工效率分别提升89%、90%；采用改进后的拱架安装台车施工，与传统人工配合机械安装拱架相比，Ⅳ、Ⅴ级围岩段施工效率分别提升72%、81%。可见，采用改进后的凿岩台车和拱架安装台车机械化施工不仅可以提高施工效率，还可以降低施工风险。该套施工设备可在类似工程推广应用。     

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。     

黄土塬区浅埋暗挖隧道慢坡段施工期围岩变形特征分析

黄土塬区浅埋隧道慢坡段由于距地表边沟、冲沟距离不等,围岩压力分布不均,难以形成自然拱,给施工带来诸多风险。选取银西高速铁路黄土塬区上阁村隧道典型浅埋慢坡段断面为研究对象,分析了施工过程中围岩应力、含水率、洞内变形及地表沉降的变化规律。结果表明:围岩初期支护应力分为增长-波动-稳定3个阶段,其收敛期约在开挖后84 d;围岩含水率先增长后趋于稳定,收敛期约在开挖后118 d;拱顶下沉量是净空水平收敛量的2～3倍;地表沉降影响范围为距隧道中线约18 m以内。     

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。     

黄土地层大跨区间隧道新奥法施工格栅拱架受力分析

兰州市轨道交通一号线东岗站后配线段黄土地层大跨区间隧道采用双侧壁导坑法施工,根据不同断面的监测数据对比分析初期支护围岩压力和格栅拱架钢筋应力的分布规律。结果表明:格栅拱架支护作用明显,钢筋应力最大值为108.27 MPa,位于隧道拱腰处,满足设计要求;测试断面拱腰和拱肩处围岩压力、钢筋应力相对较大,施工过程中应加强变形监测和控制;初期支护局部变形较大时采用临时钢支撑辅助加固效果明显;整个断面格栅拱架钢筋应力分布不均匀,格栅拱架的分段架设与连接须牢固,以提高结构的整体性;仰拱施作完毕7 d后,整个断面围岩压力和格栅拱架钢筋应力趋于稳定。     

监控量测技术在客运专线大断面黄土隧道中的应用

研究目的:本文结合郑西客运专线大断面黄土隧道一秦东隧道这一工程实例,针对砂质黄土变形特点和大断面黄土隧道不同的施工方法,就如何选择合理的量测项目、量测频率和量测方法进行了阐述,以求掌握大断面黄土隧道的变形规律。研究结果:结合秦东大断面黄土隧道的施工实践,得出了大断面黄土隧道拱顶下沉、水平收敛等项目的变化规律,对黄土隧道施工起到良好的指导意义。     

黄土塬区浅埋大断面隧道掌子面失稳机理研究

研究目的:高速铁路以隧道形式穿越黄土塬区时,受地下水位高、含水量大、围岩分级高、浅埋段距离长等特点的影响,隧道掘进施工中掌子面失稳及坍塌风险高。大断面黄土隧道掌子面稳定分析中,大都集中在浅埋短距离隧道的横向二维问题上,很少提到浅埋长距离隧道的纵向变形和掌子面超前稳定问题。研究结论:(1)针对黄土塬区大断面隧道掘进施工中掌子面失稳及坍塌风险,建立了利用Terzaghi松动土压力理论的三维修正分析模型,推导出了浅埋长距离隧道掘进施工中掌子面稳定性的计算公式;(2)研究了黄土隧道三台阶预留核心土工法施工中掌子面稳定性与黄土含水量之间的关系,提出了黄土塬隧道掌子面施工稳定含水量界限参考值为20%,针对性地提出了安全预防措施;(3)该研究成果可有效指导黄土塬区浅埋慢坡隧道掌子面安全施工,为浅埋长距离隧道的纵向变形和掌子面超前稳定分析和安全控制提供理论依据。     

软塑黄土二元地层隧道变形特征及监测分析

当隧道斜向上穿越软塑黄土夹层时,隧道拱部逐渐脱离软塑黄土层,使得围岩处于"上硬下软"的二元地层状态。由于软塑黄土含水率高、稳定性差、承载力低,使得大断面隧道在这种二元地层下的变形特征不尽相同。本文依托银西高铁上阁村隧道,基于室内试验、数值计算、现场监测等手段,分析"上硬下软"二元地层下隧道围岩位移演化规律,揭示隧道围岩变形特征。结果表明:随着软塑黄土层的下移,拱顶累积沉降量逐渐减小并趋于稳定;当软塑黄土分布于边墙时,围岩软弱,软塑黄土变形量大,变形时间长;当软塑黄土分布于隧底时,隧底围岩隆起值及下台阶水平收敛较大;随着隧道穿出软塑黄土层,净空收敛逐渐减小并趋于稳定。     

郑(州)西(安)客运专线高桥隧道变形原因浅析

研究目的:多座大断面黄土隧道在施工过程中均出现了不同程度的地表裂缝,尤其在隧道浅埋偏压段更为突出,因此对大断面黄土隧道进行深入调查及针对大断面黄土隧道的施工方法,支护结构和围岩的应力、变形情况、地表裂缝情况开展研究是很有必要的。研究结果:确定隧道产生变形的原因是由于黄土结构相对疏松、施工开挖面大、施工工艺控制不严格且隧道变形地段存在偏压等原因造成的,从而提出大断面黄土隧道在浅埋段宜采用短进尺,强支护,快封闭,勤量测,二衬紧跟的施工原则,并做好地表及拱顶下沉检测工作。     

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.     

冻融环境浅埋砂质黄土隧道围岩变形规律研究

研究目的:黄土因其结构性工程性质特殊,其中砂质黄土受冻融作用的影响尤为敏感,浅埋砂质黄土隧道施工过程中在冻融循环作用下发生各类病害屡见不鲜。本文以银西高铁惠安堡黄土隧道洞口段现场监测结果为基础,进行冻融条件下砂质黄土的参数试验,配合数值模拟等方法,得到这种不良地质条件下隧道围岩变形规律及稳定性发展状况。研究结论:(1)冻融循环对不同含水率的砂质黄土物理、力学特性均有着重要的影响,且随着含水率的增加,这种影响的作用更加强烈;(2)运用FLAC3D软件对不同含水率砂质黄土隧道围岩变形规律进行了研究,得出冻融循环和含水率的耦合作用对砂质黄土隧道的围岩变形规律;(3)分析了冻融循环和含水率的耦合作用对砂质黄土隧道的围岩变形的影响机理;(4)本研究结论可为季节性冻土区浅埋砂质黄土隧道设计和施工提供借鉴和参考。     

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。     

引水隧洞突涌段变形特征及控制关键技术研究

深埋引水隧洞突泥突水洞段注浆固结圈与初期支护结构作为协同承载结构,其荷载分担与变形控制对结构和施工安全有重要作用。为研究深埋引水隧洞突涌洞段围岩与支护体系稳定性,以滇中引水狮子山隧洞为工程依托,通过现场对围岩-支护监控量测与第二层型钢拱架受力监测,结合施工工况动态分析围岩-支护体系受力与变形,研究总结突涌段施工变形控制关键技术。研究结论:(1)深埋隧洞突涌洞段拱顶累计沉降17.4 mm,达预留值的17%左右;拱肩、拱腰累计收敛106.6 mm、98.1 mm,达预留值100%左右。(2)突涌洞段理论预测极限位移150 mm;现场监测评价设定阈值uo=100 mm,当达到2/3时,应采取加强措施。(3)最佳开挖方法为微台阶法。各级台阶长度控制在3 m左右,按“快挖、快支、快封闭”原则组织施工。(4)超前预支护管棚结构起到提高固结体刚度作用,较固结体提高约13倍。(5)双层支护结构强度、刚度增加,承载能力明显提高,施工安全性也得以提高。     

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。     

朔州隧道塌陷下沉侵限段支护处治施工技术

风积砂质黄土构造疏松,垂直节理发育,具大孔隙,具有中等~严重湿陷性,这种土质在隧道施工中易发生崩塌。针对准池铁路朔州隧道进口段风积砂质黄土段初支后出现塌陷、下沉、侵限,喷射混凝土剥落、开裂、下塌变形、初支钢拱架扭曲变形等现象,采用有限元差分软件FLAC3D对风积砂质黄土隧道坍塌体进行分析,处治方法采用迈式锚杆管棚超前支护和径向迈式锚杆打设处治技术,对原初支进行有效拆换,迈式锚杆具有钻进、锚固作业一体化施工特点,实现了塌陷、下沉、侵限段支护处治有效施工。该施工技术方便、快捷,适合隧道狭窄空间作业和抢险施工等特点。