基于厚度检测的运营隧道二次衬砌安全评价研究

二次衬砌作为隧道复合式衬砌结构的重要组成部分和最后一道防水防线,其安全评价历来备受关注,而二次衬砌的厚度通常是评价运营隧道安全的重要指标。以运营中的代古寺隧道为工程依托,开展了二次衬砌外观质量及厚度现场检测;采用MIDAS有限元软件对衬砌厚度不合格段进行变形及受力分析,基于数值计算结果校核了二次衬砌的安全性状;针对不同等级的围岩,分析了二次衬砌厚度与其安全性的关系,并给出了相应的最小安全厚度。研究结果表明:二次衬砌最不利位置位于边墙和拱脚附近,衬砌厚度不足会使结构的轴力与弯矩减小,导致隧道结构的安全系数降低;对于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩,二次衬砌最小安全厚度建议值分别为31cm、36cm和41cm。     

弹塑性解析法确定隧道二衬合理支护时机的应用研究

基于弹塑性理论,推导了隧道工程围岩塑性区内的应力和位移公式以及衬砌结构的应力和位移公式,推导出不同围岩等级下隧道开挖半径及支护范围,并给出了二次衬砌施工时合理的洞周位移值,所得结论对同类工程具有指导作用.     

基于流固耦合的高水压隧道支护结构研究

高水压是山岭隧道建设的重要难题之一,抗水压衬砌是隧道穿越这些区段的常用措施,其衬砌结构断面厚度远大于标准断面。衬砌厚度过大施工相对不便,施工质量不能保证,且不能及时分担水压。针对广西某隧道高水压段,采用双层初期支护和二次衬砌组成的支护结构承受高水压,减小二次衬砌厚度。为了分析双层初期支护的效果与获得基于双层初期支护的支护结构参数,利用有限差分法研究了不同防渗等级的单层与双层初期支护、不同注浆范围及不同二次衬砌厚度对围岩的变形影响和对支护结构的力学状态影响。结果表明:在相同支护体系中,喷射混凝土的不同防渗等级对围岩变形、支护应力影响不大;初期支护的防渗等级相同时,相比于单层初期支护,双层初期支护体系使围岩变形、喷射混凝土应力、二次衬砌的轴力与弯矩均减小40%以上;当拱顶以上水头为90 m且采用防渗等级为P8的双层初期支护时,径向注浆能够有效减小支护应力。当径向注浆范围超过4 m后,注浆对减小支护结构受力的效果不明显;采用双层初期支护体系,注浆范围为4 m时,二次衬砌的厚度设计为40 cm就能保障支护结构处于安全状态;径向注浆条件下,采用双层初期支护+二次衬砌的支护体系能够有效保障隧道高水压段的安全。     

地质雷达在高等级公路隧道衬砌质量无损检测中的应用研究

研究了地质雷达进行高等级公路隧道质量无损检测的原理与方法，对衬砌围岩，初期支护及二次衬砌的施工质量进行分析讨论，并通过分析评价指出了应用前景。     

上官隧道塌方处理

隧道在洞口段围岩破碎时,二次衬砌要求及时施工,但在洞身段时,为了开挖进度,二次衬砌施工比较滞后,这样很容易造成掌子面与二次衬砌之间的初期支护出现塌方。对上官隧道掌子面与二次衬砌之间的塌方原因进行了分析,提出了可行的处理方案,保证了塌方处理过程中的安全。     

高地应力大断面软弱围岩隧洞开挖变形控制技术

在锦屏二级水电站C2标引水隧洞绿泥石软岩洞段施工中,针对软弱围岩隧道在开挖后支护未完成前即发生较大变形,侵入混凝土衬砌断面,导致二次扩挖的情况,分析其变形的原因,通过优化支护措施,预留合理变形量,采用锚索、锚筋桩等柔性支护体系,有效控制了软岩变形,确保了施工安全和工期目标。     

浅析苏木山隧道衬砌结构厚度检测方法及其分布规律

通过苏木山隧道实际工程案例,验证了地质雷达无损检测技术在隧道衬砌结构厚度检测过程中可达到良好的效果,并对苏木山隧道初期支护和二次衬砌厚度检测结果进行分析,可知实际检测厚度和设计之间差值呈现高斯分布规律,其拟合度较高;初期支护和二次衬砌在不同测线位置的实际检测厚度平均值均高于设计值,通过分析国内山岭隧道质量评价方法,建议从结构安全度和可靠度双重角度制定隧道衬砌厚度评价指标。     

石膏质岩隧道新置换衬砌结构受力特征研究

为分析石膏质岩隧道衬砌结构置换施工后的受力特征,依托杜公岭隧道病害处治工程实例,在隧道病害处治施工阶段和运营阶段对6个不同病害现象的典型断面新置换衬砌结构的初期支护变形、初期支护钢架应力、初期支护-围岩接触压力、初期支护-二次衬砌接触压力等进行为期2.5年的现场测试。测试结果表明:在新置换初期支护单独承载的3~5个月时间内,初期支护的变形速率和变形量均较小,其中5个测试断面的拱顶沉降和周边收敛量最大,其分别为6.8,6.4mm;新置换初期支护钢架应力较小并且在二衬浇筑后较短时间就达到稳定状态,其中64处测点(总计72处)应力小于100 MPa;边墙芯样发现石膏、硬石膏成分的断面在二次衬砌浇筑后的26个月内,其边墙或拱顶测点的初期支护-围岩接触压力和初期支护-二次衬砌接触压力仍有明显变化,其中个别测点经过10~20个月才能达到峰值,另有个别测点在3~8个月到达峰值后受干湿交替环境影响会出现变化;综合分析认为,杜公岭隧道衬砌结构主要受到围岩中硬石膏的膨胀作用,石膏的吸水软化作用不明显,其围岩压力具有缓慢发展的特点,新置换二次衬砌承担了主要的围岩压力,新置换初期支护安全性较高;建议石膏质岩地层隧道二次衬砌不宜过早施作或者初期支护与二次衬砌间设置缓冲变形层,以充分发挥初期支护的承载力、减小二次衬砌承担的围岩压力。     

围岩蠕变对运营隧道衬砌安全性的影响

为探究在软弱围岩隧道运营期间围岩蠕变效应对二次衬砌安全性的影响,以九景高速公路隧道为依托,以Ⅳ级围岩区段二次衬砌支护结构为研究对象,采用室内试验和数值模拟手段,首先对该围岩区段泥质粉砂岩在不同应力水平下的单轴蠕变特性进行了室内试验分析,并采用Cvisc模型对蠕变试验数据进行了非线性拟合,获得了Cvisc模型的蠕变参数。然后,利用FLAC3D软件建立了两车道公路隧道三维数值模型,研究了单考虑围岩蠕变作用和同时考虑隧道埋深对运营隧道衬砌结构安全性的影响。结果表明:非线性拟合相关性系数在0.92～0.96之间,可认为Cvisc模型能够很好地描述泥质粉砂岩的衰减蠕变和稳定蠕变关系;单考虑围岩蠕变作用,在同一支护时间,二次衬砌安全系数较高的位置支护结构承受的围岩压力相对较小,围岩的蠕变变形量较大,但过小的支护承载又会导致围岩蠕变变形而增加围岩压力,进而不利于运营隧道衬砌结构的长期安全;同时考虑隧道埋深的影响,二次衬砌支护结构的承载随着隧道埋深的增加而减小,即围岩自身能够承担较大部分的因蠕变变形而增加的围岩压力,从而对运营隧道衬砌结构的长期安全有利。     

隧道稳定性分析与设计方法讲座之二：隧道围岩稳定性分析及其判据

作为一个讲座对以往研究成果作一综述。分析隧道围岩稳定性的3种判据,提出有严格力学依据的稳定安全系数作为围岩稳定分析的定量判据。指出围岩有剪切安全系数与拉裂安全系数,并建议采用强度储备安全系数作为围岩稳定安全系数。建立土体隧道稳定分析的新理念和新方法,计算中考虑了围岩的荷载释放,初期支护作为弹塑性材料加固围岩,并应具有一定安全系数,以确保施工安全。二次衬砌作为弹性结构,围岩、初期支护与二次衬砌共同作用确保运行安全。对岩石围岩分级提出初步建议,并以无衬砌围岩安全系数作为各级围岩自稳能力的定量判据,由此反推出各级围岩的力学强度参数,改善了参数的合理性。     

基于围岩压力及结构力学特征测试的隧道初期支护时机探讨

台阶法施工的隧道工程,上台阶的开挖支护是关键工序,其施工效率影响整个隧道施工的进度。因此,以黔张常铁路吴家边隧道为依托,基于现场测试结果,对Ⅳ级围岩隧道上台阶的开挖进尺和初期支护时机进行了探讨,重点研究了不同开挖进尺和初期支护时机工况下围岩压力的变化特征、初期支护的内力演变特征及其安全性。通过研究得到:Ⅳ级围岩地段上台阶开挖进尺最长可到6 m,再进行相应的支护体系施作,可提高机械设备的工作效率,加快施工进度;支护结构在刚度相同的情况下,结构内力按时间分配;二次衬砌基本不承担围岩压力,只是作为安全储备。     

高地应力软岩隧道塌方成因和治理措施分析

基于某新建高地应力软岩铁路隧道工程,运用MIDAS GTS与ANSYS有限元软件,对二台阶三部开挖法的应力与变形特点进行了分析。结果表明:初支与二衬施作的时间间隔、循环进尺的长度、上下台阶的距离的合理选择是保证高地应力软岩隧道安全施工的重要因素。高地应力软岩隧道的二衬不仅作为对初支的加强和安全储备,且承受软岩的流变压力,流变压力在二衬施做的初期增长迅速,后期变缓趋于平稳。二台阶三部开挖工法施工中,应注意右下台阶的开挖稳定、合理的循环进尺及台阶距离能够保证高地应力软岩隧道的施工安全。     

大断面黄土隧道台阶法施工数值模拟研究

针对新建忻州隧道工程,运用有限元通用软件ANSYS,对大断面黄土隧道采用台阶法施工的过程进行数值模拟,探讨了采用台阶法施工隧道的围岩、初期支护及二次衬砌应力场和位移场随施工步的变化规律。在此基础上,研究了隧道初期支护、二次衬砌的支护效果以及隧道开挖对已施作初期支护受力及变形的影响。结果表明:①隧道施作初支有利于降低地层压应力,减小隧道变形;施作二衬能有效降低地层和初支的主应力,对隧道变形影响不大;②隧道的进一步开挖将导致已施作初支的压应力及位移值增大,使初支处于更危险的状态。     

秦岭天台山隧道1#斜井取消衬砌支护的影响研究

为解决公路隧道通风斜井取消二次衬砌对洞室稳定性和通风造成影响的问题，根据秦岭天台山隧道1#斜井Ⅲ级围岩段的地层特点和施工情况，从规范符合性、结构的安全性和耐久性等方面入手，分析取消二次衬砌后该段洞室围岩喷锚衬砌安全性的问题。同时，依据相关规范和文献资料，对斜井Ⅲ级围岩喷锚衬砌段的沿程阻力系数进行修正，据此分析计算出隧道的风道压力损失，并与原设计的相关参数进行综合比较，确保在满足隧道通风系统设计要求的前提下节约工程造价。结果表明： 1）在地质围岩条件较好的地段，斜井取消二次衬砌满足规范要求，且具有足够的安全富余度； 2）在斜井喷锚衬砌的壁面粗糙度不超过30 mm、通风设备等参数增大10%的设计富余量，可抵消斜井段取消二次衬砌对该段压力损失的不利影响。     

高地应力软岩隧道圆形断面扩挖施工围岩及支护受力特征研究

针对高地应力软岩隧道开挖时围岩大变形问题,以某隧道圆形扩挖段为背景,采用三台阶法施工和3层初期支护+小导管注浆+二次衬砌的复合结构支护,并通过现场监测、数值模拟和理论计算研究开挖过程中的围岩变形及支护结构受力。结果表明:上、中台阶开挖时的隧道围岩变形速率较大,在仰拱封闭和第3层初期支护施作完成后,隧道变形趋于稳定;采用3层初期支护结构可有效改善隧道周边围岩应力,3层初期支护基本都是受压结构,拱腰和边墙处竖向应力最大,拱顶处水平应力最大;二次衬砌拱腰、拱顶、拱脚和边墙处安全系数均大于规范要求,保证隧道结构安全。     

膨胀性软岩隧道致灾机制研究与应用

隧道建设的规模和数量迅速发展,相关理论研究却相对不足,随着隧道越来越多地穿越诸如软弱围岩、溶洞等复杂、恶劣地质区域,对施工技术和理论研究的要求也更高,如何做到规避灾害,安全施工是大家一直关注的问题。以重庆市某公路隧道为依托,对穿越膨胀性软岩段隧道,提出不良地质构造与围岩条件、水的因素、不规则地应力以及工程因素等导致隧道灾害的因素,不同因素相互关联、相互影响,根据分析结果采取相应的防治方案来规避灾害。利用Poyting-Thomoson模型计算隧道围岩变形,与现场监控量测数据相结合,对隧道膨胀性软岩段的围岩变形做出预测,得出最佳二次衬砌支护时间。同时从初支二衬间的应力角度对膨胀性软岩进行了持续监测,表明了膨胀性软岩隧道段防治方案达到了预期目标。从致灾机制来分析隧道建设,可以更好地为工程决策服务。     

复合式衬砌隧道总安全系数设计法修正与应用研究

为评价复合式衬砌这一整体结构的安全性，对以往所建立的复合式衬砌隧道总安全系数设计法的不合理之处进行修正，并再次分析不同铁路隧道的安全性，同时与挪威Q法支护参数进行对比，最后结合案例说明该方法在断面形式比选方面的应用。结果表明： 1）所建立的总安全系数设计法可以为初期支护和复合式衬砌的支护构件选择、量化设计和整体优化设计提供一定的理论基础。2）采用总安全系数设计法对不同铁路隧道安全系数计算的结果与现场实际施工情况、既有隧道病害情况基本相符。3）挪威Q法提出的支护参数如果用于我国时速350 km的高速铁路双线隧道，Ⅲ、Ⅳ级围岩总安全系数满足要求且较为经济，但Ⅴ级围岩安全系数偏低；采用耐久性锚杆有利于充分发挥锚杆-围岩承载拱的支护作用，从而可以减少喷层和二次衬砌的强度，提高经济性。4）总安全系数设计法可以用于隧道断面形式与支护参数的精细比选。     

高地应力千枚岩隧道二次衬砌施作时机研究

二次衬砌施作时机一直是高地应力软岩隧道工程设计与施工过程中面临的关键技术难题之一。为此,依托在建成都-兰州铁路典型千枚岩隧道工程,基于隧道变形长期监测结果,分析高地应力软岩隧道变形时程特点,考虑软岩隧道荷载特点,确定了二次衬砌施作时机原则;考虑隧道测量丢失变形,提出软岩隧道第1稳定阶段变形量确定方法;通过现场实测变形数据统计回归,基于一定保证率确定不同大变形等级和不同断面下的软岩隧道二次衬砌施作时机,并进行现场试验验证。研究结果表明:适当刚度的初期支护可以实现高地应力软岩隧道前期变形稳定,但无法保持围岩长期稳定,二次衬砌应该在初期支护变形达到第1稳定阶段后施作,既可以减少二次衬砌荷载,又可以控制围岩变形;采用指数函数拟合软岩隧道变形具有较好的相关性,但参数差异性较大,同时在确定隧道第1稳定阶段变形量时应考虑测量丢失变形;轻微、中等大变形段拱顶下沉变形速率小于0.1~0.2mm·d^-1,边墙收敛速率小于0.5mm·d^-1,严重、极严重大变形段拱顶下沉变形速率小于0.4mm·d^-1,边墙收敛小于0.6mm·d^-1,即可进行二次衬砌施作;轻微大变形段、中等大变形段和严重大变形段分别在隧道开挖45~55 d,55~60 d和80~90 d后达到二次衬砌施作标准。     

我国西南部山区隧道施工期支护结构力学行为特征案例分析

为研究我国西南部山区隧道施工期支护结构所面临的重大问题，将雅安—康定、汶川—马尔康高速公路的典型隧道作为案例，归纳总结施工期存在的高地应力、软弱围岩、断层破碎带、次生地质灾害等潜在危险源，通过现场实测数据深入分析不同危险源环境下支护结构体系的力学行为特征。研究结果表明： 1）当隧道穿越软弱围岩时，围岩强度低、自承载能力差，接触压力、钢拱架应力均显著高于普通围岩隧道，二次衬砌分摊荷载比例显著上升； 2）当隧道穿越断层破碎带时，支护结构受力需要较长时间才能稳定下来，其力学行为呈现出3阶段演化规律，前期快速降低、中期缓慢降低、后期基本稳定； 3）当隧道洞口穿越松散堆积体时，坡体稳定性易受到扰动，其支护结构力学行为具有显著的偏压特性，围岩压力主要集中在深埋侧； 4）高地应力与围岩强度联合控制着围岩稳定性与支护结构体系的力学行为，高地应力硬岩隧道也具有一定的流变时间效应，但由于硬质围岩的强度较大、稳定性较好，支护结构受力相对较小，安全储备较高； 5）高地应力软岩隧道的围岩压力与结构受力显著升高，其支护结构力学行为在施工期便呈现出明显的流变特性，开挖约200 d后，仍然保持着缓慢增长。