特大断面隧道原位扩建的施工力学特性分析

以金鸡山特大断面隧道原位扩建工程为背景，介绍了核心五步法的原位扩挖方案，并通过数值模拟与现场监测手段，分析了特大断面隧道原位扩建的施工力学特性。结果表明:目标断面附近掌子面右上、左上部围岩开挖，以及临时竖撑拆除、仰拱回填，使得拱顶沉降显著增大。同时临时竖撑的支承作用，使得作用在衬砌拱顶与拱底处的围岩压力较集中，而先右后左的扩挖方案使得衬砌右侧围岩压力明显大于左侧。金鸡山隧道原位扩建施工过程中，对目标断面的拱顶沉降和水平收敛进行了长期跟踪监测，其结果与数值模拟较为吻合。     

特大断面隧道钻爆法原位扩挖的爆破振动测试分析

福州市二环路金鸡山隧道原位扩建工程,采用钻爆法施工,通过爆破振动现场测试,重点分析赋存既有临空面的条件下,爆破振速的最大值及其主频的衰减规律。按萨道夫公式基本形式求出最大爆破振速传播与衰减的拟合式,得到Ⅳ级围岩K值明显小于相关规程建议的取值范围,说明既有临空面的存在能显著减小爆破振动效应。对爆破振速时程曲线进行傅立叶分析,认为爆破振动波在周边岩体的传播过程中,其高频成分衰减相当显著。基于此,建议在原位扩挖隧道的爆破施工中,适当减小掏槽眼的装药量,适当增大扩槽眼和辅助眼的装药量,以利用赋存既有临空面的有利条件,提高洞内破岩效率,减小洞外振动效应。     

TBM导洞扩挖法在高地应力软岩隧道施工中的应用效果分析

运用MIDASGTS有限元软件,分析了TBM导洞扩挖法在高地应力软岩环境中隧道开挖的应用价值。通过对某公路隧道分别采用TBM导洞扩挖法、预留核心土环形开挖法和两台阶法三种施工方法进行数值模拟,主要以拱顶沉降、拱腰水平收敛和拱底隆起等围岩变形指标进行对比分析,得出TBM导洞扩挖法高地应力软岩隧道施工时的围岩变形控制效果最好的结论。同时分析了在富水等复杂地质情况下,TBM导洞扩挖法在排水、探明前方地质情况等方面更具有优势。     

考虑时间效应的深埋小净距隧道围岩压力分析

囿于地形地貌、地质条件、选线要求等条件的限制,公路工程中常采用小净距形式的隧道,小净距隧道围岩压力是其复合式衬砌结构设计中的关键问题,但目前关于小净距隧道初支与二衬围岩压力分布及其随时间变化规律的相关研究仍较为稀缺。以龙兴岭隧道为背景,在FLAC3D平台上对4洞小净距隧道的开挖支护过程展开了细致的数值模拟,重点关注了作用在初支与二衬上的围岩压力分布。进一步考虑围岩蠕变效应,探讨了小净距隧道复合式衬砌支护结构的围岩压力及其初支/二衬荷载分担比随时间的变化规律,并与现场监测结果相互验证。结果表明:复合式衬砌支护结构围岩压力总体上关于设计中线近似呈对称分布,小净距隧道主洞(后行洞)开挖扰动引起辅洞(先行洞)二衬上围岩压力略微增大;围岩蠕变作用下,初支围岩压力随时间呈下降趋势,二衬围岩压力随时间呈上升趋势,但二者之和基本保持不变;蠕变稳定后,主洞上台阶部分(拱顶至拱腰)的二衬荷载分担比约为25%～45%,主洞下台阶部分(仰拱至边墙)的二衬荷载分担比约为20%～35%。研究成果可为小净距隧道复合式衬砌结构的设计施工及后期运维提供参考依据。     

隧道浅埋偏压洞口段施工技术

因地形地貌原因,很多隧道进洞口围岩呈浅埋偏压状态,结合岩性软弱、节理裂隙发育等情况,使洞口段掘进施工难度加大,有时设计资料中洞口段技术措施仍难以控制掘进后初支变形以至于侵入二衬空间,对施工质量、施工安全产生了严重的影响.大乘山隧道是一个较典型的浅埋、偏压,同时围岩岩性软弱的工程实例,系统介绍大乘山隧道洞口段施工中,针对浅埋、偏压及不良岩性,在山体位置和洞身范围采取技术措施,提供了初支变形及监控量测的有关资料.     

大断面隧道三岔口段施工技术及围岩变形规律

隧道斜井进入主洞三岔口段断面大、受力复杂、施工难度大,是长大隧道施工的关键。三岔口将隧道分为多个施工作业段同时施工,缩短了工程的工期,加快了隧道的整体施工进度。某山岭隧道斜井进入主洞处三岔口采用台阶扩挖法。斜井末端采用上下台阶,从上台阶向上挑挖4.2 m确定导洞高度,继续向前扩挖至对侧主洞边墙轮廓线完成导洞施工。主洞采用三台阶法,按照上台阶5.3 m、中台阶3.59 m、下台阶3.31 m依次向进口和出口方向开挖。三岔口段主洞断面面积92.1 m~2,为大断面隧道。大断面隧道的跨高比大,导致围岩和支护的稳定性变差,所以主洞在施工过程中应加强支护来保持隧道的稳定。利用ABAQUS有限元软件对隧道进行了数值分析,并直观地模拟了隧道开挖后围岩的应力分布,为隧道的施工提供合理依据。锚杆、钢筋网、衬砌、格栅和钢架根据不同的围岩等级按相应的要求进行了施工。通过对围岩及支护微小变形的监测,掌控了在开挖过程中围岩的稳定程度和支护结构的力学动态信息。对监控量测数据进行了回归分析,以较好地反映围岩变化规律,并分析各阶段的位移速率,预测最终位移值。监控量测数据表明:拱顶下沉和周边收敛的累计变形范围为8～14 mm。     

流固耦合作用下浅埋偏压隧道扩建方式研究

为研究渗流条件下或流固耦合作用下的偏压隧道扩建方式,以成渝高速中梁山宋家沟1 号隧道为工程背景,针对渗流作用下既有浅埋偏压隧道的左侧小净距扩建、右侧小净距扩建、左侧原位扩建、右侧原位扩建4 种扩建方式进行数值分析研究,分析各种扩建方式下的拱顶沉降、围岩收敛、围岩应力、初期支护内力、围岩孔隙水压力折减量等,通过与隧道扩建施工监测资料进行对比, 发现数值模拟结果与施工监测极其吻合,验证了计算结果的可靠性。通过对4 种扩建方式进行对比分析认为: 1)采用小净距扩建时的围岩收敛变形、围岩竖向应力等均小于原位扩建; 2)从针对地下水资源保护的角度出发,采用左侧小净距扩建时对地下水资源的保护效果明显优于其他3 种扩挖方式; 3)扩建隧道围岩孔隙水压力的折减在各个方向均呈现出明显的梯度变化,隧道施工过程中的涌水量大部分来自扩建隧道上部围岩。     

扩挖支护对软弱围岩公路隧道初期支护结构影响分析

由于山子顶软弱围岩公路隧道施工现场所采用的环形开挖留核心土法并不能保证隧道施工的顺利进行,提出扩挖支护施工方案。首先论述扩挖支护施工工序,然后采用ANSYS有限元方法构建扩挖支护厚度为0、20、30、40、50、60 cm 6种三维计算模型,系统分析扩挖支护与初期支护的力学行为。研究得出:扩挖支护是软弱围岩隧道一种相对优越的施工方案,且当扩挖支护厚度达到60 cm时初期支护的主压应力为16.4 MPa,主拉应力为0.486 03 MPa,满足其材料强度要求。     

长距离掘进软弱围岩的TBM刀盘扩挖技术

为解决全断面岩石隧道掘进机（TBM）在软弱围岩地层的适应性问题，应对由于围岩收敛变形导致的卡机和支护被破坏的风险，基于高黎贡山隧道TBM施工项目，从TBM装备角度提出了针对性设计方案。通过对比现有的TBM刀盘扩挖技术，提出边缘滚刀外移和预留扩挖刀箱组合设计方案，并结合一套同步抬升油缸系统和中间导向柱实现了刀盘的抬升扩挖设计。通过上述研究，使刀盘半径方向扩挖量达到100 mm，避免由于隧道底部扩挖导致的主机“栽头”现象，实现TBM在软弱围岩地质条件的长距离扩挖掘进。     

延崇高速公路杏林堡隧道下穿S241省道浅埋碎石土段施工技术

以延崇高速公路河北段杏林堡隧道右幅为依托,分析隧道上覆古河道沉积层碎石土围岩(围岩级别XS5b+)极易失稳的特点以及下穿S241省道技术难点、风险评估,提出针对该隧道塌方冒顶的施工技术,并通过现场洞身监控量测数据分析验证了所采取的施工技术治理效果。研究表明:受浅埋段碎石土围岩夹部分流沙所形成的极易失稳的围岩特点、地下水侵蚀影响、施工中卸荷回弹作用影响,造成初支沉降变形甚至破坏,极易诱发隧道冒顶的施工风险。提出具有针对性治理施工技术包括:地表注浆施工技术提高上覆岩层稳定性的预加固处理、在原初支内侧增加临时拱架以加强初支强度、变更原设计的单排超前注浆导管为双排超前注浆导管的处治措施,经监控量测数据表明:围岩变形逐渐收敛直至稳定,现场处理措施效果明显。     

超大跨度隧道上台阶CD法中隔壁力学计算模型及施工力学行为研究

为研究超大跨度隧道分部开挖法施工中隔壁结构的施工力学行为,以山东滨莱高速公路改扩建工程双向八车道乐疃隧道为依托,基于初期支护钢架与中隔壁钢架之间的内力传递、变形协调及拱脚变位,将支护体系等效为支座可移动的三次超静定无铰拱-梁固接结构,建立了上台阶先导初期支护钢架-中隔壁钢架共同承载变位力学计算模型,采用理论分析、现场测试和力学模型计算相结合的方法,对超大跨度隧道上台阶CD法施工时中隔壁的力学行为进行分析。研究结果表明:拱顶沉降和周边收敛主要经历急剧增长、缓慢变形和趋于稳定3个阶段,且各变形值均小于设计预留变形量150 mm;受施工工序和结构约束条件变化的影响,钢架内外侧应力整体呈现出先急剧变化后逐渐趋于稳定的规律,各测点应力小于型钢屈服强度235 MPa;力学模型计算结果和现场实测数据的平均相对误差为12.6%,且规律基本一致;钢架轴力在上台阶施工过程中始终为受压,且最大值均在钢架拱脚处,受后导开挖影响,中隔壁钢架轴力增大,初期支护钢架轴力减小;先导开挖时钢架弯矩大部分部位为正,拱顶部位为负,受后导开挖影响,中隔壁钢架正弯矩值及正弯矩区域减小,同时初期支护钢架正弯矩区域减小,钢架拱脚附近弯矩出现负值;钢架结构整体处于偏心受压状态,受后导开挖影响,中隔壁钢架和初期支护钢架小偏心受压区域均发生移动,且两者钢架小偏心受压长度占比增大。     

塌方段原位扩建四车道公路隧道“回填-台阶法”施工力学及安全分析

为了深入探究塌方段原位扩建四车道公路隧道施工力学及安全性的问题,以福州市马尾隧道原位扩建工程为背景,在准确确定塌方体空间范围及工程特性的基础上,针对性提出“回填-台阶法”施工技术,并对塌方段原位扩建四车道公路隧道“回填-台阶法”动态施工力学及安全性进行分析。研究结果表明：①运用理论分析、数值计算、多道瞬态瑞雷面波探测技术相结合的方法可准确地获得既有隧道塌方体的空间范围和尺度;②兼顾施工技术与工期双重目标,提出了塌方段原位扩建四车道公路隧道施工方案,即塌方冒顶区通过地表注浆与洞内中空玻璃纤维锚杆进行加固,扩建开挖采用“回填-台阶法”,实现快速施工;③“回填-台阶法”施工时,隧道上半断面（1^#部）的开挖是整个施工过程的关键,结构内力增长迅速;受隧道上方塌方体和既有隧道影响,最大正弯矩出现在左拱肩处;地表最大沉降量出现在隧道中线右侧3 m处,主要由上台阶开挖引起;围岩变形主要发生在3^#开挖前,4^#开挖时围岩变形基本收敛。马尾隧道施工过程中,地表沉降、围岩及支护体系变形、支护结构受力等监测结果均满足施工安全要求,验证了施工方案的可靠性和安全性,该研究成果可进一步丰富超大扁平断面隧道的修建技术,并为今后类似的工程提供一定的借鉴。     

漫谈矿山法隧道技术第九讲——隧道开挖和支护的方法

强调对隧道开挖和支护关系的基本认识： 开挖和支护是隧道施工的2大基本工序,开挖的基本原则就是把对周边围岩的松弛降低到最小限度,弹性变形和少许塑性变形是容许的,超过围岩极限应变变形（过度变形或松弛）的场合需要依靠各种支护对策。开挖和支护有先挖后支和先支后挖2种模式,一般采用前者,当开挖后隧道围岩不稳定时,采用后者。随着施工技术的进步、采用大型施工机械的要求和大断面隧道的出现,对隧道开挖方法选择的观点有了极大变化： 1)在选定开挖方法时,要以大断面开挖为指向,围岩条件不是唯一的决定因素; 2）尽可能不采用施工中含有需要废弃的和临时性作业的分部开挖法; 3）把机械开挖法与分部开挖法相结合,如TBM导坑超前扩挖法,在欧洲和日本等国已经成为大断面隧道施工的基本方法; 4）在同一座隧道,开挖方法频繁变化,既不经济也不安全,主张在全隧道中（除洞口段外）采用同一种开挖方法--全地质型开挖方法,如全断面法或台阶法,当围岩条件剧烈变化时,采用注浆、超前支护等应对措施。介绍日本、美国和欧洲等国规范、指南推荐的隧道开挖方法概况： 1）日本从隧道围岩级别、洞口段和洞身段等方面分类,给出隧道相应的开挖方法,基本以全断面法和台阶法为主;在断面比较大、比较长的隧道,采用TBM导坑超前扩挖法。2）美国把围岩分为岩质围岩和土质围岩2大类,其推荐的开挖方法基本相同,即全断面法、台阶法和中隔壁法,仅采用的支护方法不同。3）欧洲各国由于围岩条件总体比较好,多采用全断面法和台阶法。归纳选择开挖方法的基本条件： 施工条件、围岩条件、隧道断面面积、埋深、工期和环境条件。     

钢架岩墙组合支撑工法动态施工力学特性及其应用

京沪高速公路济南连接线浆水泉隧道全长3 101 m，最大开挖断面尺寸为19.5 m×13.1 m，是目前中国最长的双向八车道高速公路隧道。浆水泉隧道穿越地层主要以Ⅲ，Ⅳ级硬质灰岩为主，且施工工期紧，传统的双侧壁导坑法、CRD法等因施工工序繁琐，临时支撑多，施工效率低，无法满足工程工期需求。基于以上背景，提出钢架岩墙组合支撑分部施工工法，主要特点是中间岩墙和上台阶临时钢架组成临时支护体系，在减少临时支撑的同时，中部岩墙还能通行车辆，5个工作面可同时施工，从而实现快速施工；在此基础上，进一步运用数值计算与室内模型试验相结合的方法，对该工法的动态施工力学特性进行研究。结果表明：施工过程中，隧道上部围岩开挖的时间段是支护结构受力最不利时期，支护结构内力在此期间增长迅速，波动较大；中隔壁是支护结构中受力最不利处，其余部位结构受力对隧道施工反馈很小；影响拱顶沉降和仰拱隆起的主要因素是隧道上部围岩的开挖，影响拱脚处围岩水平收敛的主要因素是隧道下部围岩的开挖；支护结构承载和围岩变形均能够满足公路隧道施工安全需要；通过在浆水泉隧道中的实际运用表明该工法能有效提高施工效率，缩短施工工期，是一种可行的超大扁平断面隧道快速施工工法。     

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。     

双侧壁导坑法施工大断面地铁车站中隔墙岩柱开挖稳定性分析及施工关键技术

为了便于盾构过站施工连续,保证施工安全,以重庆轨道交通环线上桥车站工程为依托,对双侧导洞先行贯通、中隔墙后续开挖的双侧壁导坑工法进行分析,并研究临时中隔墙岩柱开挖的稳定性和加固措施,形成临时中隔墙岩柱开挖的施工关键技术。分析结果表明,在双侧导洞贯通后、中隔墙岩柱开挖前,隧道已经发生较大的拱顶沉降和收敛变形。为保证中隔墙岩柱开挖的稳定性和控制隧道变形,先对隧道及中隔墙进行加固,然后采用分台阶开挖施工。中隔墙拱部采用锁脚锚杆和增加中隔墙临时支撑体系刚度有助于改善初期支护的受力模式和控制隧道的收敛变形。     

基于三维重构的隧道围岩稳定性快速分析及动态反馈

节理的存在降低了岩体的完整性和连续性,对隧道围岩的稳定具有重要影响,若支护不及时或强度不够将会严重威胁施工安全。本文依托井冈山特长隧道,提出了基于三维重构、块体理论的隧道围岩稳定性快速分析方法,动态反馈、指导设计施工方案优化。针对中风化砂岩、Ⅳ级围岩区段,通过地质素描与统计分析,建立基于节理特征的三维重构地层模型;运用块体理论,分析隧道开挖时临空面关键块体分布、失稳形式及安全系数;提出围岩稳定性动态反馈方法,并对比分析不同支护方案。研究表明:开挖后围岩稳定性较差,必须采取相应的支护措施,根据动态反馈明确在实际施工时必须严格按照原设计方案施作锚杆支护。基于三维重构的围岩稳定性快速分析及动态反馈,可以实现施工过程中地质数据的动态采集、分析与反馈,及时依据实际开挖地层条件,动态调整支护体系,确保结构的经济安全性。     

基于ANSYS模拟分析合理确定隧道开挖支护方案

本文运用有限元分析软件ANSYS模拟隧道围岩开挖支护受力状态,对隧道围岩开挖支护结构的位移、弯矩、应力等进行计算分析,合理确定隧道开挖、支护施工技术方案,优化隧道支护结构设计,降低其建设成本。     

烟台山大跨度小间距隧道施工方法的选用分析

为了选取合适的施工方法,保证大跨度小净距隧道的施工安全,以市琅岐环岛路西北段烟台山隧道为工程背景,开展了隧道合理施工方法选用分析。通过Ⅴ级围岩采用双侧壁导坑法和Ⅳ级围岩采用中隔壁法施工,对施工过程中的拱顶沉降、水平收敛、地表沉降等进行了数据分析。结果表明:Ⅴ级围岩采用双侧壁导坑法和Ⅳ级围岩采用中隔壁法,隧道周边收敛、拱顶沉降和地表下沉均未超过限定值,说明选用的开挖方法合理。