大断面黄土隧道初期支护合理设置形式研究

在分析黄土隧道初期支护必要性的基础上,现场实测了现有施工技术条件下,初期支护拱部系统锚杆的实际受力状况,并对拱部无系统锚杆下的初期支护喷射混凝土受力特性进行了分析,提出了大断面黄土隧道初期支护合理设置形式;通过定性分析钢拱架受力影响因素,给出了改善钢拱架承载性能的工程措施。     

黄土隧道洞口段支护结构的力学特性分析

为了解浅埋偏压黄土隧道洞口段支护结构的受力状况,对刘家坪2^#隧道洞口段围岩压力、钢架应力、喷射混凝土应力、纵向连接筋应力、锚杆轴力及拱部下沉进行施工监测,并采用有限元法对隧道支护结构进行计算分析。结果表明：在浅埋偏压条件下,黄土隧道拱部发生了平面偏移,拱顶下沉量大于净空收敛量;围岩压力分布呈不对称猫耳状;钢拱架左侧轴力大于右侧轴力,总体受力很大,在支护体系中作用很明显;拱部和边墙喷射混凝土处于受压状态,而底部多为拉应力;拱部系统锚杆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;纵向连接筋受力非常大,对隧道整体的稳定性很有利;应取消黄土隧道洞口段系统锚杆,采用由钢拱架、钢筋网、锁脚锚杆、喷射混凝土、纵向连接筋组合形成的初期支护结构。     

宋家山隧道初期支护受力特征研究

以武(都)罐(子沟)高速公路宋家山隧道为工程背景,基于隧道浅埋、偏压、隧道洞口段穿越滑坡体等工程特点,通过现场实测资料、数值模拟、结合施工方法对初期支护钢拱架和喷混凝土的受力特征进行研究。结果表明该隧道初期支护受力先迅速增加后逐渐减小最后趋于稳定,应力分布规律具有浅埋、偏压隧道初期支护受力的一般特征;深埋侧滑裂面附近初期支护受力特点为:应力高、稳定周期长、剪力大等;仰拱闭合及二衬的施做对抑制滑坡蠕动有很大的作用。研究过程为该隧道的信息化施工提供了保证,同时研究成果也可为设计和分析研究其它同类工程提供参考。     

局部软岩偏压下隧道结构及钢拱架受力状态分析

为研究局部软岩偏压隧道施工中钢拱架实际的受力特征及变形状态,采用有限元建立三维地层-隧道模型,对隧道开挖过程中偏压隧道结构及钢拱架受力状态进行弹塑性模拟分析。在建模时,通过考虑钢拱架的实际截面尺寸及沿纵向的布置方式以准确模拟钢拱架的受力状态;在考虑隧道软岩偏压时,假定4种典型工况:均质地层无偏压、拱脚-边墙软岩偏压、边墙-拱腰软岩偏压及拱肩-拱顶软岩偏压等。基于数值计算结果,对钢拱架的应力分布、变形模式及内力,初期支护最大、最小主应力等进行分析。结果表明:不同工况下,钢拱架均处于受压状态,剪力最大区域主要分布在边墙和拱脚区域,为此建议加强边墙-拱脚区域的锚杆支护。     

大断面软岩隧道变形特征及多层初支控制研究

以连城山大断面软岩隧道工程为依托,基于施工监测数据,对比分析了单层I22b钢拱架初期支护、单层H20b型钢拱架初期支护、双层I22b工字钢拱架初期支护和双层H20b型钢拱架初期支护4种支护方案下围岩的变形规律与支护的受力特征。结果表明,单层和双层I22b钢拱架初期支护均不能控制隧道的大变形,而双层H20b型钢拱架初期支护可以控制隧道围岩变形。采用数值软件进一步比较了4种支护措施对于控制围岩变形的有效性,计算结果表明,I22b钢拱架的支护控制围岩变形的效果明显较差,尤其是单层I22b钢拱架的支护方案条件下围岩发生了较大的变形。采用双层初期支护的方案后围岩变形分布更均匀,支护结构与围岩协同变形。研究结果可为类似工程的设计与施工提供一定的参考。     

深埋黄土隧道循环进尺施工钢拱架受力及变形动态特征研究

为研究黄土隧道先行导坑初期支护型钢拱架在后行开挖过程中应力及变形动态特征,依托甘肃兰州某三台阶预留核心土法开挖的黄土隧道工程,通过MIDAS GTS NX建立有限元模型,模型还原了实际工况中的隧道各导坑开挖进尺、初期支护类型和支护顺序,分析得到了黄土隧道初期支护型钢拱架的受力和位移变化特征。结果表明:后行导坑的开挖是导致先行导坑初期支护应力状态和位移发展产生变化的直接原因;已趋于平缓收敛的初期支护应力及位移状态会因后行导坑的施工重新激活,甚至发展幅度更大;隧道进尺开挖施工过程中,上下导坑钢拱架连接处及开挖工况分界处的应力分布具有突变性。     

兰州轨道交通区间暗挖隧道初支受力状态研究

通过对兰州轨道交通区间暗挖隧道围岩压力和钢拱架轴力的测量和分析,掌握了兰州轨道交通新近堆积黄土中暗挖隧道施工时隧道初期支护的受力特点以及初支轴力和围岩压力之间的关系。结果表明:在暗挖隧道的拱顶部位,围岩压力一般有最大值,且该部位黄土容易产生塑性变形;同时,钢拱架轴力和围岩压力具有相关性,围岩压力较大的部位钢拱架轴力也相应较大。     

黄土隧道钢拱架受力量测与有限元分析

采用千分表对一特大断面黄土公路隧道初期支护中的钢拱架变形进行了现场测试．推算了钢拱架中的应力．同时对收敛量测结果进行了同归分析。采用二维弹塑性有限元法,分析了该隧道各个施工阶段以及建成后围岩和衬砌的受力状态．对支护结构进行了检算．建议了隧道的支护参数。     

内蒙古地区马兰黄土隧道围岩及支护特性研究

通过对窑沟隧道周边收敛、拱顶下沉、围岩压力、钢拱架内力、喷射混凝土应力和锚杆轴力进行监控量测,了解隧道开挖过程中马兰黄土隧道围岩变形特性及支护结构受力特性。结果表明:施工过程中拱部沉降的量值远大于净空收敛的量值;围岩压力分布不均匀;钢架支护在隧道支护体系中起着非常重大的作用;拱部系统锚杆对结构的稳定性作用不大;水对拱顶沉降的影响非常严重。     

不同埋深铁路隧道仰拱受力特征研究

以董志塬区银西高铁黄土隧道为例,对不同埋深条件下隧道仰拱的基底接触压力和钢拱架应力随时间的变化规律、空间分布特征及其差异性进行了对比研究。研究结果表明,浅埋隧道基底接触压力变化时间较深埋隧道略长;不同埋深隧道仰拱处最小基底接触压力均出现在拱底中心处,最大基底接触压力均出现在拱脚处,且同一部位浅埋隧道基底接触压力明显大于深埋隧道基底接触压力;在仰拱的同一部位处,深埋隧道钢拱架应力明显大于浅埋隧道钢拱架应力;仰拱部位钢拱架承受压应力为主,浅埋黄土隧道仰拱部位的钢拱架最大压应力出现在拱底中心,可达约12MPa;而深埋隧道拱脚部位的钢拱架压应力最大,可达26~33MPa。研究结果可为黄土隧道仰拱设计优化与施工提供参考。     

初期支护组合形式有效性现场试验研究

初期支护组合形式的有效性一直存在较多争议。依托蒙华铁路在建隧道,针对初期支护不同组合形式有效性问题开展大量现场试验,量测内容包括拱顶沉降、水平收敛、系统锚杆轴力、喷射混凝土应力及钢架应力。通过对花岗岩、板岩、砂泥岩、黄土4种地层进行试验,分析具有代表性的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级花岗岩和Ⅴ级黄土试验段数据,研究深埋岩质和土质隧道初期支护中钢筋网喷射混凝土、钢架及系统锚杆不同组合形式的有效性。结果表明： 1）现阶段“网喷+钢架+系统锚杆”的初期支护组合形式未充分发挥其作用效果,有效性差,措施过于保守,存在很大优化空间; 2）在土质或浅埋破碎岩质隧道初期支护中,系统锚杆无明显作用,可以取消,而只采用“网喷+钢架”组合形式; 3）在深埋岩质隧道初期支护中,采用“网喷+钢架”或“网喷+系统锚杆”2类组合形式之一即可。考虑到目前现场系统锚杆施作机具和施工质量,采用“网喷+钢架”的组合形式是合理和可行的。     

高速铁路黄土隧道群修建技术与应用——张茅大断面黄土隧道修建技术成果总结

针对以张茅隧道为代表的郑西高铁大断面黄土隧道建设中的一系列技术难题,通过大规模现场试验和理论分析,对大断面黄土隧道修建成套技术进行了研究。研究结果表明： 系统锚杆轴力较小,不超过12 kN,且拱部受压,边墙受拉;型钢、格栅钢架拱部平均应力分别为132 MPa和86 MPa,格栅应力相对均匀;新老黄土预留变形量建议取值分别为25～28 cm和10～15 cm;深浅埋分界深度为40～60 m;竖向初期支护与围岩接触压力实测较理论计算值小;浅、深埋隧道二次衬砌平均荷载分担比例为50%和10%;激振试验表明激振230万次后仰拱填充面的沉降稳定值≤0.5 mm,隧底饱和黄土未发现软化、泥化现象;大断面黄土隧道一般地段宜采用三台阶法开挖;砂质黄土浅埋下穿高速公路采用双侧壁导坑法施工时,地表沉降可控制在5 cm以内;可采用水泥土挤密桩消除隧道基础黄土湿陷性;饱和黄土隧道以排为主的方案可行。     

基于现场实测的隧道初期支护受力模式分析

为研究隧道初期支护的受力模式,以蒙华铁路在建隧道为工程依托,开展隧道洞周位移和初期支护受力状态的现场测试。结果表明:1)初期支护普遍受压,结构处于小偏心受压状态;2)隧道洞周位移收敛值较小,且隧道整体向净空侧变形,与初期支护普遍受压的受力模式一致;3)洞周位移、锚杆轴力和初期支护的受力状态均不符合塌落拱式的受力模式,而符合围岩与支护相互作用而产生的形变压力特征;4)格栅钢架对结构的抗压-剪承载力贡献非常小,初期支护斜截面的抗剪强度主要由混凝土控制,格栅钢架的作用仅是在混凝土开裂后提供峰后韧性。     

浅埋偏压隧道穿越松散堆积体支护结构受力特性分析

为探究浅埋隧道穿越松散斜坡堆积体时的偏压特性，基于雅康高速日地1号隧道，建立了精确的三维数值模型，运用FLAC3D进行了施工过程的力学分析，并开展了隧道支护结构体系力学行为的现场测试，对其洞口段穿越滑坡堆积体时的围岩变形机理与支护结构非对称受力特性进行了深入研究。结果表明:隧道周边围岩的变形具有显著的非对称特性。初期支护承受较大的荷载，最大围岩压力出现在深埋侧。与变形和围岩压力分布的情况相反，二次衬砌的最大轴力出现在浅埋侧。隧道二衬的安全系数较低，需要较长的时间才能稳定，为了确保隧道运营期间的安全，应适当增加二衬厚度。     

承担全部设计荷载的隧道初期支护的设计计算方法

针对当前隧道初期支护设计存在不能承担全部设计荷载、以初期支护仰拱闭合的有利结构而不是以仰拱未闭合的最不利结构为最终设计目标而造成结构存在安全隐患以及给不出锚杆锚固力设计值和现场围岩变形很大使得采用岩体力学进行设计初期支护不具备条件的问题,提出按照“荷载-结构”的计算模型,采取结构力学力法对隧道初期支护承担全部设计荷载、对应施工“三台阶”法、对型钢钢架和喷射混凝土按变形协调条件确定各自承担荷载的比例系数、就钢架和喷射混凝土承载能力分别进行计算分析,明确在各部施工时对喷射混凝土强度以及锚杆的锚固力的要求。计算结果表明： 1）采取除中心夹角60°范围外其余均匀布置分布锚杆、采用“型钢钢架+分布锚杆+喷射混凝土”支护型式的隧道初期支护完全具有承担全部设计荷载的能力,且仰拱开挖不会威胁支护的稳定; 2）应将锚杆作为支护结构的链杆支座来确定锚杆锚固力; 3）锚杆和喷射混凝土3 h的强度对支护结构的承载能力影响很大。     

大断面黄土隧道不同试验工法下的力学特性及变形特征研究

针对大断面黄土隧道的工法适用性问题,依托郑西客运专线陕西境内秦东、潼洛川和高桥等隧道,开展大断面黄土隧道中的CRD、双侧壁导坑、CD、留核心土台阶法及双层支护台阶法5种试验工法的试验,通过现场试验测试及数据分析,研究不同试验工法下的力学特性和变形特征。总结其变形特征为垂直位移显著,变形受封闭距离与支护刚度影响明显;分析对地表沉降的控制效果,受力特征分析显示型钢受压明显而锚杆受力较小;得到不同埋深下的围岩压力特征曲线;接触压力测试显示刚度大的双层支护较单层支护小。最后对不同试验工法的适用性进行综合评价。     

软弱围岩隧道机械化全断面爆破开挖初期支护受力特性研究

软弱围岩隧道开挖后自稳能力差,易发生大的变形、钢架扭曲等现象。为降低安全风险,依托郑万高铁高家坪隧道进口机械化全断面爆破施工,对支护体系下的围岩压力、钢架应力、初喷混凝土应力、锚杆轴力、围岩内部位移、掌子面挤出变形等进行系统试验研究。试验结果表明： 围岩压力、钢架应力、初喷混凝土应力受岩性条件、施工扰动等因素影响显著,随时间推移均呈现“急剧增大、缓慢增大、波动变化、稳定收敛”的变化规律; 通过锚杆轴力峰值位置可以初步判定围岩塑性区范围约为距洞壁3.0 m。基于现场试验监测,通过数值模拟分析了初期支护结构压应力、轴力和弯矩的分布情况,与现场量测数据相符,较好地反映了初期支护受力特征。本次试验的相关方法、手段和结论对隧道机械化大断面施工软弱围岩变形与支护体系受力研究具有借鉴作用,同时也为建立科学合理的支护结构体系提供了参考。     

隧道“关门”塌方原因的力学分析及预防对策

为向施工技术管理人员解释隧道初期支护随施工的应力变化规律,进而找出发生“关门”塌方的原因,首先说明“关门”塌方发生时的施工状况,一般采取钢架+锁脚锚杆+喷射混凝土的支护结构,塌方时松散荷载已形成; 然后按荷载-结构模型,在初期支护承担全部设计荷载的条件下,通过施工三台阶法对上、中、下3个断面采取结构力学力法分别进行内力计算及承载能力分析。结果表明: 在围岩完全松散的极限情况下,上台阶绝对安全,中台阶基本安全,下台阶开挖尤其是仰拱开挖时塌方的风险极高。针对上述问题提出预防“关门”塌方的相应对策。结论认为采取钢架+锁脚锚杆+喷射混凝土的支护形式,支护结构处于极限应力平衡状态,很容易破坏而造成隧道坍塌。     

水平泥岩砂岩互层隧道支护体系力学特性试验研究

公路隧道穿越水平泥岩砂岩互层施工过程中支护体系力学特性较为复杂,通过开展大梁峁特长公路隧道水平泥岩砂岩互层段支护体系现场试验,研究水平泥砂岩互层段隧道初期支护中的锚杆轴力、围岩压力,钢架应力、混凝土应力及支护变形,二次衬砌中接触压力和混凝土受力特征。分析表明：拱部锚杆作用明显,边墙锚杆受力较小,建议锚杆由拱部160°减少至拱部120°,同时适当增加拱部锚杆;围岩压力在断面开挖后7d时间内已基本达到最大围岩压力的80％左右,说明在该种岩层中隧道开挖后围岩压力释放较快;水平泥岩砂岩互层关键控制点在拱部位置,边墙部位的支护结构无论从受力还是变形来说均较小;研究成果可为水平层状岩层隧道及类似工程的修建提供参考。