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。     

采用总安全系数法对几个隧道设计问题的探讨

研究目的:目前复合式衬砌支护参数的设计以工程类比法为主,无法得出安全系数,因而设计施工中经常对锚杆设置、隧道承载主体、支护参数优化等问题存在争议。本文采用总安全系数法对这些争议问题进行探讨,并提出相关建议。研究结论:(1)因实测锚杆轴力小而少设或不设锚杆,会降低结构的总安全系数;目前采用的砂浆锚杆耐久性不足,仅对施工阶段和运营初期的安全性有作用;如采用耐久性锚杆,则大部分隧道的喷层厚度可减少;(2)在满足施工和运营总安全系数的前提下,复合式衬砌可以有多种设计方案,且初期支护、二次衬砌都是承载主体,最为合理的方案除考虑经济性、耐久性等因素外,还应保证喷层与二衬具有合理的强度匹配;(3)建议根据地层条件、埋深、地下水发育情况进行支护参数的优化;(4)本研究成果可为隧道优化设计提供思路和方法。     

锚杆在隧道初期支护体系中的作用机理分析

通过理论分析对锚杆在围岩和隧道初期支护体系中的作用机理进行探讨,运用数值模拟的方法对Ⅲ～Ⅴ级围岩中考虑锚杆作用后初期支护的受力响应规律进行分析总结。结果表明,在Ⅲ级围岩(浅埋段)、Ⅳ级围岩中,锚杆对初期支护受力的改善作用较为突出,对于Ⅴ级围岩,由于其坍落拱范围远远大于拱部锚杆及周边岩体形成的组合拱结构,拱部锚杆的作用微乎其微,而边墙锚杆能有效改善初期支护受力状况,且利于稳固钢架。因此,边墙锚杆的设置显得更有必要。最后,对现行衬砌通用图的设计参数提出了建议。Ⅲ级围岩(浅埋段)和Ⅳ级围岩深埋工况安全系数较大,建议适当优化设计参数;Ⅴ级围岩工况的围岩压力小于Ⅳ级围岩(浅埋段),而初期支护设计参数却强于Ⅳ级围岩(浅埋段),建议优化Ⅴ级围岩初期支护参数,使各级围岩初期支护的安全度较为一致。     

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。     

考塘隧道初期支护的设计与施工

结合铁路考塘隧道中的Ⅳ级围岩地段初期支护中的锚杆数量与喷层厚度控制,分析了新奥法初期支护的作用原理以及此类支护在软弱围岩中的应用。     

基于总安全系数法的隧道围岩压力代表值研究

研究目的:由于地质条件的千变万化、施工水平的差别、支护参数的不同,即使围岩条件相同,围岩压力在时空上也具有变异性,导致实际围岩压力难以确定,而采用总安全系数法设计时,仅需要寻找围岩压力的最不利情况。为此,提出深埋隧道采用围岩压力代表值作为设计支护力的理念,并对其计算方法与合理性展开研究。研究结论:(1)采用"围岩压力代表值"作为设计支护力,为解决安全系数设计法中实际围岩压力难以确定的问题提供了思路;(2)当埋深不小于10～15倍洞径时,建议采用无支护状态下隧道(等效为当量圆)顶部45°位置处塑性区边界至开挖轮廓线范围内的围岩自重作为围岩压力代表值;当埋深小于10～15倍洞径时,可取弹塑性有限元计算的拱部90°范围内的平均塑性区自重作为围岩压力代表值,该计算结果具有合理的安全性与经济性;(3)当软弱围岩的两端为较好围岩时,荷载具有空间效应,导致围岩压力代表值低于理论计算值,具体折减值与隧道洞径、软弱围岩的长度等因素有关,超前注浆加固圈具有明显的承载作用,可以显著降低围岩压力代表值;(4)本研究结果可为完善隧道支护结构的量化设计方法提供思路。     

我国铁路隧道通用图结构安全性的计算研究

我国既有铁路隧道大多按标准图或通用图设计,而标准图或通用图又是采用工程类比法设计,因此不能给出明确的结构安全系数。为了给今后的铁路隧道设计优化与既有隧道维护提供技术支撑,采用所建立的复合式衬砌总安全系数设计法,对以往标准图或通用参考图的结构安全系数进行校核,对影响安全性的主要因素进行分析,得出以下主要结论:(1) 2008年以来编制的铁路隧道通用参考图,结构总安全系数均偏高,具有一定的优化空间;而20世纪编制的时速140 km单线电气化铁路隧道标准图在软弱围岩地段的总安全系数偏低;(2)隧道埋深对安全系数的影响较大,地下水发育程度对耐久性影响较大,建议按照不同埋深、不同地下水发育程度进行支护参数优化;(3)隧道断面形状对安全系数影响较大,建议根据围岩压力分布形态采取合理的断面形状。     

时速200 km 客货共线双线隧道施工方法研究

对时速200 km 客货共线双线隧道,采用有限元程序模拟了Ⅳ级(分石质、土质)、Ⅴ级围岩浅埋及偏压情况下的动态施工过程.对各工况下的不同施工方法进行了比较,以隧道施工后周边围岩的稳定性和初期支护及临时支护的安全性为指标,给出了各工况的合理工法:Ⅳ级石质围岩(包括浅埋及偏压)及土质围岩浅埋情况可采用中隔壁法施工,Ⅳ级土质围岩偏压及Ⅴ级围岩浅埋情况采用交叉中隔壁法施工较好,而Ⅴ级围岩偏压情况建议按双侧壁导坑法施工.     

高速铁路隧道衬砌脱模强度对结构安全影响分析

为了明确高速铁路隧道衬砌脱模强度对结构安全的影响,通过建立早龄期混凝土强度与弹性模量之间的关系,获得混凝土不同强度脱模对应的力学参数,基于有限元软件对不同脱模强度下隧道结构安全性进行分析,以探明高速铁路隧道衬砌脱模强度的影响因素及其合理取值。研究发现:脱模强度逐渐增大的过程中,安全系数控制点在隧道结构由下向上转移;得到不同围岩级别下高速铁路隧道脱模强度临界值,并给出建议取值;当脱模强度为10 MPa时,深埋隧道安全系数较浅埋增大约50%,Ⅳ级围岩安全系数较Ⅴ级增大40%。当安全系数为临界值时,浅埋隧道脱模强度较深埋增大70%,Ⅴ级围岩脱模强度较Ⅳ级增大45%,浅埋隧道脱模强度与埋深大致呈线性相关。     

京沪高铁西渴马隧道初期支护受力特征分析

结合京沪高铁西渴马隧道工程,建立三维数值计算模型,根据相关勘察设计资料选取隧道围岩、注浆锚杆和初期支护力学参数。从隧道围岩最大主应力、最小主应力和塑性区等方面分析围岩的受力特征;从喷射混凝土受力和锚杆受力方面分析隧道支护结构应力特征。通过对现场典型断面实测,计算得到支护结构弯矩最大值处的最大压应力2.41 MPa,表明现行支护参数满足安全性要求。     

昔格达地层隧道围岩稳定性及系统锚杆功效研究

昔格达地层隧道围岩水敏感性强,遇水易泥化,易造成围岩大变形、支护结构破坏和掌子面塌方等灾害。冉家湾隧道穿越昔格达地层,本文采用强度折减法对该隧道围岩稳定性进行数值模拟分析。结果表明:当含水率在20%以下时隧道具有一定的自稳能力,当含水率超过20%时隧道开挖需要采取超前支护措施;埋深小于45 m时埋深对昔格达地层隧道围岩稳定性影响显著,埋深大于45 m时,隧道围岩稳定性对埋深的敏感性降低;喷射混凝土对隧道安全系数的提升率大于设置系统锚杆;对于昔格达地层在天然含水率下,浅埋隧道破坏从拱部开始延伸至边墙,深埋隧道破坏从边墙开始蔓延至拱部。     

铁路隧道施工围岩变形安全等级的研究与应用

研究目的:我国在建铁路隧道有4 000余座约8 000 km,近年来隧道塌方事故时有发生,造成了一定的人员伤亡、经济损失和社会影响。建立铁路隧道围岩变形安全等级,用于现场管理十分重要。通过调研国内外研究成果,分析安全监测数据,辅以理论计算,以初期支护的安全度为基础,制定了铁路隧道变形控制安全等级管理数值。研究结论:(1)现有铁路隧道围岩变形安全等级管理与国际基本不接轨;(2)利用规范建议的设计参数,采用数值模拟计算,Ⅳ级围岩隧道开挖支护后拱顶沉降为11 mm、V级围岩为19 mm,而现场实测远大于该数值,因此,隧道围岩变形主要受控于开挖工法、初期支护施作质量以及初期支护闭合的及时性;(3)按变形总量和变形速率对隧道围岩变形进行预警二级、预警一级管理,变形总量Ⅲ级分别为40 mm、80 mm,Ⅳ级分别为50 mm、100 mm,V~Ⅵ级分别为75 mm、150 mm,变形速率分别为5 mm/d、10 mm/d;(4)研究成果可用于铁路隧道施工围岩变形监控量测安全管理。     

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。     

雁门关隧道变形控制技术

研究目的:雁门关隧道处于恒山山脉,太古界变质岩地层,受多期构造运动影响,围岩稳定性差、大变形造成初期支护环纵向开裂,拱顶、拱脚喷混凝土剥落,钢架扭曲、折断,支护侵限甚至是二衬开裂等现象,给隧道建设带来极大的困难。通过隧道DK 121+203~DK 121+175段典型大变形处理案例,分析其大变形的原因,提出合理的控制变形技术。研究结论:(1)雁门关隧道变质岩地层虽属硬质岩,但复杂多变的地质条件加大了围岩变形破坏可能性;(2)根据现场施工及围岩量测情况采取信息化设计,对隧道各段采取针对性的措施,做到"岩变我变",确保施工安全,有效的控制了工程成本;(3)采用快封闭、快支护、设置临时横撑、长锚杆、大管棚、分层加强初期支护以及早施工并适当加强二次衬砌等措施可以有效的控制并稳定隧道大变形;(4)本研究成果在构造复杂变质岩地层隧道设计、施工中有较广泛的应用价值。     

围岩松动圈理论在某大断面隧道中的应用

隧道开挖过程中,由于围岩受到扰动使得隧道周围形成了松动圈,松动圈的厚度对隧道的支护设计具有重要意义。基于Mohr-Coulomb(摩尔-库伦)强度准则,推导了隧道围岩松动圈半径的计算公式,并将其运用于大断面隧道工程实例中,分别计算了Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级围岩松动圈在不同埋深下的半径及其厚度。结果表明,隧道围岩松动圈厚度不仅与围岩级别有关,而且与地应力、支护压力以及隧道断面形式也相关。     

浅谈新奥法初期支护-喷锚支护在软弱围岩的应用

结合赣龙铁路考塘隧道中的Ⅲ级围岩地段初期支护中的锚杆数量与喷层厚度控制，介绍了新奥法初期支护的作用原理以及此类支妒在软弱围岩中的应用。     

含水率对昔格达地层大断面隧道初期支护安全性影响研究

昔格达地层具有水稳性差、易崩解等特点,常常引发隧道初期支护结构开裂、围岩掉块、坍塌冒顶等灾变事故。为了研究围岩含水率对昔格达地层大断面隧道初期支护安全性的影响规律并及时预防灾变事故,以成昆铁路复线桐梓林隧道为工程依托,通过数值模拟对比分析5种典型围岩含水率下隧道初期支护结构的受力特性和变形规律,根据相关规范规定的洞周变形标准和结构强度安全系数标准界定现有支护参数所能够维持的围岩含水率阈值为29%,并为超过此围岩含水率阈值的隧道支护参数提出优化方案。通过现场监控量测数据验证数值模拟计算结果的可靠性和合理性,研究成果不仅完善了昔格达地层大断面隧道设计参数,同时为类似工程提供借鉴和参考。     

基于结构安全性的偏压隧道初期支护参数优化

基于剪切滑移理论确定的初期支护安全性评价方法,对典型偏压隧道初期支护参数进行了优化。结果表明:锚杆的设置能有效控制围岩的变形,同时,在一定范围内增加锚杆长度可以提高其支护效果,但当锚杆达到一定长度后,加固改善逐步趋于不明显;各偏压角度下,拱顶和拱脚的安全系数均大于5,拱腰和墙脚在部分支护参数条件下的安全系数小于1,拱腰和墙脚是支护结构的薄弱部位。     

秦东隧道施工的设备配置

正1工程概况郑西高速铁路秦东隧道全长7684m,起讫里程DK333+312—DK340+996,设计为双线隧道。隧道围岩主要为砂质黄土和粉质黏土,其中Ⅳ级围岩段长7300m,V级围岩段长384m,隧道洞身最大埋深200m。根据围岩条件及隧道埋深情况,隧道不同地段     

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。