高原浅埋隧道不同施工方法力学行为分析

为了分析不同施工方法对高原浅埋隧道施工过程中稳定性的影响规律,以某隧道工程实例为背景,采用有限差分软件FLAC3D对双侧壁导坑法和三台阶预留核心土法进行数值模拟,并分析对比高原浅埋隧道在2种施工方法中的围岩变形、支护应力和围岩塑性区分布规律。数值模拟结果表明:双侧壁导坑法在控制围岩变形和地表沉降方面优于三台阶预留核心土法;支护拉压应力更小,围岩塑性区分布范围也更加均匀合理。因此,对于高原浅埋隧道,采用双侧壁导坑法施工具有更大优势。     

软弱破碎围岩隧道开挖支护中CD法与环形开挖留核心土法对比分析

针对Ⅴ级围岩隧道岩体破碎,开挖中易发生松动变形、掌子面挤出、拱顶坍塌及地表沉降过大等病害的问题,基于FLAC^3D有限差分软件,对采用环形开挖留核心土法及中隔壁法(CD法)施工过程中围岩应力、位移和塑性区范围发展情况进行对比,分析不同开挖支护方法对围岩稳定性的影响。结果表明,相较于环形开挖留核心土法,CD法具有施工扰动小、初期支护封闭早、围岩位移及塑性区面积较小的优点,更适合于Ⅴ级围岩隧道的开挖支护。     

软岩隧道施工方法数值分析

以软岩单线铁路隧道为工程背景,采用三维数值手段对常规台阶法、扩大拱脚台阶法和预留核心土台阶法等典型工法的施工空间效应进行动态模拟。计算结果表明：对于软岩隧道,当采用常规台阶法施工时,加强上台阶围岩支护效果对大变形控制至关重要;在台阶法开挖过程中掌子面挤出变形明显,掌子面的稳定性不容忽视,而预留核心土在控制掌子面变形、确保掌子面稳定方面有明显的作用;扩大拱脚支护形式与标准断面相比更有利于控制隧道收敛变形和塑性区的发展。综合分析结果认为：兰渝铁路软岩单线隧道采用扩大拱脚支护形式结合预留核心土的台阶法更有利于控制变形和确保洞室稳定。     

新乌鞘岭隧道软岩大变形悬臂掘进机施工控制技术研究

为解决新乌鞘岭隧道8号、9号、10号斜井工区正洞在千枚岩、板岩等软弱破碎岩体前期施工中出现的掌子面频繁溜塌、初期支护开裂、变形扭曲等问题,在对地质预报、监控量测和围岩松动圈等数据分析以及三台阶钻爆法施工支护存在的问题研究的基础上,采用现场试验的方法,研究玻璃纤维锚杆超前加固、超前大管棚支护、悬臂掘进机预留核心土两台阶机械法开挖工法、合理预留变形量以及增强初期支护的锁脚锚固、桁架结构加强初期支护纵向连接、径向注浆加固围岩等措施。经现场应用表明： 1）对于高地应力软弱围岩隧道,采用预留核心土两台阶大断面悬臂掘进机铣挖法施工技术是可行的,结合超前加固、支护结构补强等措施后,支护结构累计变形较前期减小一半以上,支护结构变形可控。2）采用悬臂掘进机开挖,隧道平均线性超挖量可控制在15 cm以内,相比钻爆法喷射混凝土平均超挖率由120%减小至60%,工序循环时间减少3 h左右,月施工进度由25~35 m提升至50~60 m。3）高地应力软岩大变形控制应在合理工法、合适设备、合理预留变形量和具有一定抵抗变形能力的支护结构之间找到平衡点。     

弱膨胀土地区隧道施工工法及塌方原因研究

为探求适合弱膨胀土浅埋隧道的施工工法,基于在建三淅高速公路李家坪隧道工程,借助三维有限元软件分别模拟了弱膨胀土地区隧道环形开挖预留核心土法及CD法开挖过程中的围岩稳定性,对比研究了围岩的受力与变形情况。有限元计算结果表明:环形开挖预留核心土法施工对软弱围岩掌子面的变形能起到有效控制,但对于控制浅埋段隧道整体沉降效果不大;相对于环形开挖预留法,CD法开挖工作面小,且各工作面封闭成环时间短,各工作面支护有效限制了塑性区发展,尤其是在隧道拱顶处,CD法开挖比环形开挖预留法开挖扰动引起的塑性区范围小很多,CD法更适用于弱膨胀土地区隧道施工。此外,根据收敛约束法的理念,推导了膨胀土隧道围岩特征曲线,结果表明:膨胀性围岩对含水率变化非常敏感,尤其是围岩变形较小时,膨胀压力可以达到塑性形变压力的数倍。综合理论推导、数值模拟和现场监测数据,分析了李家坪隧道施工时产生塌方冒顶的原因。由于雨季施工使隧址区的弱膨胀土围岩含水量增大,吸水膨胀后释放应力,隧道自稳能力下降,加上薄弱的支护体系,是造成隧道塌方的主要原因。研究成果可为弱膨胀土地区隧道施工提供一定的参考依据和实践经验。     

深埋大断面公路隧道开挖方法数值模拟分析

依托大连南部滨海大道东端桥隧建设工程,利用大型有限差分软件FLAC3D建立三维公路隧道模型,分别采用三台阶预留核心土法、导洞法、单侧壁导坑法和双侧壁导坑法模拟深埋大断面公路隧道的开挖过程,详细分析隧道开挖支护后围岩的位移场、应力场、锚杆轴力和塑性区分布。数值模拟结果表明:综合比较4种开挖方法,双侧壁导坑法开挖过程位移变化和锚杆受力最小,受力更加均匀,塑性区分布范围较小,更有利于维持围岩的稳定性。最终确定双侧壁导坑法为该工程较合理的开挖方法,为类似的大断面公路隧道的设计和施工提供了必要的参考依据。     

东天山隧道穿越断层破碎带初期支护变形分阶段控制标准研究

为解决东天山特长公路隧道穿越F2断层破碎带软岩大变形问题，综合采用理论分析、数值模拟、现场监测与统计分析等手段，开展隧道两台阶预留核心土法和三台阶法施工初期支护变形控制标准研究，并提出隧道初期支护变形分级预警方法。研究结果表明： 1）东天山隧道穿越F2断层破碎带的预留变形量选取60~80 cm能够满足施工要求。2）对于两台阶预留核心土法，上、下台阶开挖产生的初期支护变形占其总变形量的比例建议为60%、40%；对于三台阶法，上、中、下台阶开挖产生的初期支护变形占比建议为20%、65%、15%。3）当初期支护变形未超过预留变形量、超过预留变形量但未超过5%二次衬砌设计厚度、未超过10%二次衬砌设计厚度时，分别启动Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级预警。Ⅰ级预警时正常施工，Ⅱ级预警时采取控制开挖进尺和台阶长度、及时设立护拱、尽快封闭初期支护等处治措施，Ⅲ级预警时则进一步采用短台阶或微台阶法施工。     

千枚岩地质条件下新两河关隧道施工方法比选

以千枚岩地质条件下的新两河关隧道为工程背景,利用FLAC3D有限差分软件对上下台阶法和上断面环形开挖预留核心土法进行模拟,分析拱顶下沉、洞周收敛、掌子面挤出位移、支护应力以及塑性区开展深度等,提出适合该工程的施工工法.     

公路隧道浅埋暗挖段施工方法的数值分析

针对张桑(张家界—桑植)高速公路麻栗垭隧道左线ZK34+910变形剧烈段,利用有限元数值软件MIDAS-GTS NX建立二维数值模型,分别采用上下台阶法、三台阶法、三台阶预留核心土法模拟公路隧道浅埋暗挖段的开挖过程,分析公路隧道浅埋段埋深10m处围岩衬砌的应力变化、位移及塑性区分布,确定三台阶预留核心土法为该工程较合理的开挖方式。     

回头沟隧道洞口浅埋偏压段开挖方法比选研究

以回头沟隧道工程洞口段为例,针对偏压隧道常用施工方法,对台阶法、环形开挖留核心土法、CRD法、单侧壁导坑法等开挖方法进行模拟分析,从控制围岩变形以及围岩塑性区范围,减小围岩应力集中方面分析,单侧壁导坑法优于其他三种方法,但结合隧道工程条件,从施工工序,施工工期方面分析,在实际施工时可以采用台阶法进行开挖。     

土质地层公路隧道大断面快速施工技术研究

随着交通工程建设的快速发展，公路长大隧道越来越多，常规施工方法效率较低，无法满足工期要求，这对公路隧道快速施工技术提出了新的挑战。以东天山特长公路隧道为背景，提出土质地层隧道大断面开挖工法，通过力学分析及现场对比试验，分析论证了该工法的可行性。结果表明：土质隧道大断面开挖时，采用超长小导管能够减少上部围岩压力对掌子面滑动土体的荷载作用，预留核心土则能够为掌子面滑动土体提供支撑反力，通过这2种控制措施能够实现土质围岩隧道掌子面稳定；相比台阶法，大断面开挖时围岩应力释放速率较快，变形快速发展，拱架和喷混凝土受力快速增长，支护封闭成环后可得到有效控制，但需进一步提高初期支护早期承载性能，即提高喷混凝土早期强度；采用大断面工法能够提升机械作业空间，简化工序，实现多组设备同时作业，相比两台阶施工，隧道施工效率提升约22%。综合评价，土质地层隧道采用大断面快速施工工法能够实现掌子面稳定，支护结构安全，且相比台阶法施工效率可得到显著提高。     

隧道施工对围岩应力变形的分析

以某高速公路隧道开挖和支护为工程背景,通过数值模拟方法分析上下台阶法、交叉中隔壁法和三台阶法3种施工方法情况下,隧道围岩的变形情况以及对支护时机的影响。设置不同的应力释放率方案,得到上台阶开挖、初衬施工步、核心土开挖和仰拱施工的应力释放率分别为50%,30%,5%和5%。采用上下台阶留核心土法施工最多允许释放90%的原岩应力,而采用三台阶法和交叉中隔壁法施工时分别为90.5%和91%。隧道的施工方法对掌子面和二次衬砌之间的允许距离具有较为显著的影响,交叉中隔壁施工方法允许掌子面和二次衬砌之间的距离最大,从而延缓二衬衬砌的支护时间。选取V级围岩中的上下台阶留核心土法的掌子面和二次衬砌之间的距离作为参考值,则需对其他开挖方法的掌子面和二次衬砌之间的距离进行修正,分别为:交叉中隔壁法1.53,三台阶法1.14。     

不同开挖方法对软弱围岩隧道影响模拟研究

软岩隧道施工过程中,围岩变形较大,造成工程安全隐患。依托五峰隧道工程,通过有限元软件模拟台阶法、CD法和环形开挖预留核心土法在开挖软弱围岩隧道时的变形规律,结果表明,CD法开挖完成后产生最大竖向位移最小,初支受弯矩更均匀,最大竖向位移最小。因此,在软弱围岩进行隧道开挖时优先选用CD法,条件不满足时可选择环形开挖预留核心土法。     

昔格达地层隧道围岩及初期支护变形规律研究

为探明昔格达地层隧道开挖过程中初期支护背后空隙注浆的时机以及预留变形量的大小,以成昆复线铁路昔格达地层隧道为背景,采用现场实测与统计分析的方法对昔格达地层隧道围岩和初期支护的变形规律以及预留变形量进行深入分析。研究结果表明:1)昔格达地层隧道上台阶开挖后初期支护与围岩间存在初始空隙,拱顶围岩与初期支护间的差异沉降为1~2 mm,受地质、埋深及施工等因素影响,中台阶开挖较易引起隧道塌方,建议中台阶开挖前对拱部初期支护背后的空隙进行注浆回填。2)昔格达地层隧道预留变形量可根据掌子面施工揭示围岩情况调整,若施工揭示的昔格达组以页岩为主,建议预留变形量设置为24~30 mm;若施工揭示的昔格达组以砂岩为主,建议预留变形量设置为118~123 mm。     

包家山特长隧道富水千枚岩地段快速施工技术

结合包家山特长隧道富水段的施工,围绕“上部弧形导坑预留核心土三台阶七步开挖平行流水作业法”,从施工方案和支护参数的选择、开挖方法的确定、支护体系的形式等5个方面详细介绍了富水千枚岩隧道施工方法,总结形成了富水千枚岩隧道快速施工技术。三台阶七步流水法结合超前、径向堵水技术,有效地控制了围岩的变形,相对于国内以往千枚岩地质隧道大多采用正台阶法及大截面型钢、锚索等控制变形的施工方法来说,本施工技术具有操作简便、转换灵活、施工快捷等特点,对同类工程具有一定参考价值。     

偏压隧道变形破坏机理及超前预加固研究

依托九绵高速福隆隧道工程,通过建立三维山体隧道模型对偏压隧道围岩支护体系受力变形特征进行分析,并通过数值模拟与现场监测对不同超前加固方式进行对比研究。结果表明:受偏压地形影响,隧道围岩变形、塑性区分布、二衬受力等均存在非对称现象;隧道开挖时,拉应力出现在掌子面、仰拱、回填土处,塑性区分布深入掌子面后方约3 m,且掌子面的土体有向外挤出的趋势;偏压地形下,适用性较好的超前加固方式为双层注浆小导管,在有效控制围岩变形、塑性区以及二衬等受力同时具有良好的经济性;现场测得K89+317断面的拱腰收敛与拱顶、地表变形较小且收敛较快,验证了双层小导管的适用性。     

含倾斜破碎带隧道开挖相似模拟试验研究

为探究含倾斜破碎带隧道不同开挖方式下隧道断面的变形情况，依托上加山隧道工程，开展相似模型试验分析三台阶七步法、环形预留核心土法、CD法3种开挖方法下隧道断面应力变化情况，得出对于岩性条件极差的破碎带隧道而言，三台阶七步法下隧道各控制点处支护结构最大主应力较小。     

软弱围岩大断面隧道相向施工围岩稳定性分析与掌子面加固研究

相向施工的软弱围岩隧道临近贯通时,两开挖面的扰动区将会叠加,围岩应力及变形异常复杂,存在掌子面大变形和失稳问题。结合狮子垄隧道,采用数值手段分别对单向、相向施工时的隧道围岩应力与位移场进行研究,分析临近贯通时围岩的稳定性。结果表明,相向施工时,随着掌子面前方土体长度的减小,围岩塑性区明显增大,变形加剧,拱效应逐渐减弱,稳定性大大降低;两开挖面间存在极限距离,当2个掌子面距离小于该值时,围岩大范围临近塑性破坏,必须采取有效应对措施,方可保证隧道施工安全。在对掌子面加固、提高初支强度等措施效果分析的基础上,采用竹锚管注浆对狮子垄隧道贯通段掌子面进行加固,并提高初支强度,保证了该软弱围岩大断面隧道顺利安全贯通。     

弱节理小净距隧道合理净距及围岩稳定性研究

为了研究弱节理小净距隧道的合理净距及围岩的稳定性,以大荒沟小净距隧道工程为研究背景,基于量化GSI围岩评级系统,确定了弱节理隧道围岩力学参数;基于Hoek-Brown强度准则的应变软化模型,采用FLAC~(3D)软件模拟得到0.9B～1.7B净距条件下隧道中夹岩柱塑性区分布,分析了中夹岩柱的稳定性,确定了弱节理小净距隧道的最小合理净距。通过理论方法计算了小净距隧道围岩压力,进行支护结构设计。通过FLAC~(3D)软件分别对支护条件下小净距隧道采用二台阶法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、CD法、CRD法、环形开挖预留核心土法进行数值模拟,分析不同工况下围岩拱顶位移及水平位移的分布特征,选择合理的施工方法,优化隧道开挖支护方案。研究结果表明:采用FLAC~(3D)数值模拟得到不同净距条件下中夹岩柱塑性区分布情况,能够确定隧道最小合理净距;采用FLAC~(3D)数值模拟分析不同开挖工况条件下围岩的变形规律,确定了环形开挖法为理想的施工方法;通过现场监测分析可知,选择1.5B净距及环形开挖预留核心土法施工较为合理,锚喷支护与中夹岩柱长锚杆共同作用,能对约束小净距隧道双洞开挖后中夹岩柱松动圈的发展起到重要作用。     

黄土隧道三台阶施工预制临时仰拱技术及应用研究

为解决隧道临时支护结构施作耗时长、拆除后难以利用的难题,提出一种可重复使用的预制临时仰拱设计与施工方案,并在黄土隧道三台阶七步法中进行应用试验。通过对比现场光纤光栅传感器测试数据和数值模拟结果,对预制临时仰拱实施效果进行研究。研究结果表明:1)预制临时仰拱制作简单、拼装快速并可重复应用,可在大断面隧道三台阶临时仰拱七步施工方法中快速形成临时仰拱,使中台阶开挖后初期支护体系临时封闭成环;2)与传统三台阶七步开挖施工方案相比,采用"三台阶七步开挖+预制临时仰拱"方法可以有效改善大断面黄土隧道施工中初期支护结构受力与变形,其中初期支护结构最大主应变降低约72%,拱顶沉降降低约78%;3)设置预制临时仰拱使中台阶封闭成环,可以很好的改善初期支护结构与围岩的相互作用性能,有效减小隧道开挖后围岩塑性变形范围,保证隧道施工安全。