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。     

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。     

公路隧道软弱破碎围岩高强钢筋格栅拱架支护性能研究

软弱破碎地层围岩稳定性差,与支护间接触压力大,支护结构应力状态复杂,因此支护结构的支护性能是满足隧道施工及运营期安全与稳定的重要保障。高强钢筋格栅拱架是以高强钢筋为主材的一种格栅拱架形式,具有支护强度高,与混凝土黏结性好,重量轻等诸多优点,但其在公路隧道软弱破碎围岩中的支护性能仍有待考量。为此,结合圆管弹性应变理论推导出的支护刚度计算公式,对不同拱架结构进行等截面换算,得出高强钢筋格栅拱架和型钢拱架的支护特征曲线;采用有限元数值计算方法将钢拱架与混凝土分部建模,进一步分析2种支护拱架的力学特性和变形特征;最后在现场开展对比试验,通过监测沉降收敛位移、围岩压力、拱架应力,分析施工中高强钢筋格栅拱架的支护性能。理论验算和数值分析结果表明,高强钢筋格栅拱架与I20b型钢拱架的极限承载力基本相同,但高强钢筋格栅拱架支护刚度相较I20b型钢拱架弱,I20b型钢拱架对变形控制能力更强;现场对比试验结果显示,2种支护拱架产生的收敛变形相差不多,且围岩接触压力分布规律基本相同,高强钢筋格栅相较I20b型钢拱架的承载应力更高,但远小于材料本身屈服强度;此外,现场施工表明采用高强钢筋格栅拱架能有效提升人工支护作业效率,对于特长公路隧道快速施工具有更好的应用价值。综合分析,高强钢筋格栅拱架在软弱破碎地层能够提供与I20b型钢拱架相近的支护抗力,适用作特长公路隧道软弱破碎围岩的初期支护拱架结构。     

浅埋软弱围岩隧道微桩锁脚施工技术研究

针对浅埋软弱围岩隧道开挖施工的沉降变形问题，以翁多隧道为依托，结合现场监测数据研究了“三台阶+微桩锁脚”施工技术下隧道初期支护结构的受力及变形特征。结果表明：两种支护结构下随着施工开挖的不断推进，围岩和钢拱架应力变化规律相近，先急剧增加并达到峰值，然后呈缓慢下降趋势，并逐步趋于平缓；累计沉降量则呈缓慢增大趋势。隧道拱顶位置处应力最大，风险最高，常规锁脚锚杆支护拱顶处围岩压力、钢拱架应力分别为0.55、74.10 MPa，累计沉降量最大值为6.70 cm，微锁桩支护时围岩、钢拱架峰值应力分别增加0.55、23.50 MPa，累计沉降量减小了3.96 cm。可见，微型桩技术方案可有效改良浅埋软弱围岩隧道结构的变形与沉降值，控制隧道变形，避免隧道因大变形导致侵限换拱，降低了施工安全风险，具有一定的应用前景。     

基于欧标体系公路隧道钢拱架的优化研究

基于欧标体系,以格鲁吉亚E60高速公路F 2标公路隧道项目为依托,对隧道中采用的钢拱架方案进行优化研究。首先,提出了优化后的设计方案;其次,采用欧标体系下的数值模拟计算方法,分析了不同工况条件下钢拱架的受力及变形特征。最后,针对优化后的钢拱架方案,采用现场监测数据验证优化方案的可行性。研究结果表明:优化后的方案具有钢架加工简便、施工操作方便、施工效率高的优点,且初期支护钢架刚度更加均匀和合理;单榀钢拱架和双拼钢拱架的最小安全系数值均位于拱部,两种结构受力特性基本一致,安全性都能满足要求,且单榀钢架更趋于安全;单榀钢拱架和双拼钢拱架的最大位移也位于拱部,两种结构变形特性规律一致;从现场监测的结果可以看出,采用单榀钢拱架方案支护后,围岩的收敛及拱顶下沉量均满足要求。     

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。     

大断面隧道装配式约束混凝土施工体系研究与应用

为解决大断面隧道软弱围岩控制难题及人力施工效率低、安全性差的问题,结合约束混凝土支护研究成果,研发拱架智能安装系列设备、装配式约束混凝土拱架（FCC拱架）及相应的配套装置,形成大断面隧道装配式约束混凝土施工体系。开展FCC拱架机械施工过程力学模拟试验,对拱架机械施工过程中的变形及受力进行实时监测,明确拱架机械施工过程力学特性,提出增设肩部节点区抗弯护板的加强措施,进行装配式约束混凝土支护机械化施工现场试验,分别对隧道围岩收敛变形、围岩与初支接触压力、加强后的拱架内力分布特征与规律进行了研究。结果表明：在FCC拱架自重及机械施工双重影响下,拱架肩部节点区变形产生突变,发生明显的应力集中,为受力变形关键部位;加强后的FCC拱架现场举升安装过程中未见有明显的变形;现场试验段围岩偏压现象明显;上台阶围岩变形及受力呈现三阶段波动增长,以拱顶及拱肩部位波动最为强烈;拱架受力整体呈现"上大下小"的特点,最大应力值出现在拱顶外侧,其次左拱肩部位;机械化施工能够有效提高施工效率及装配化水平,保障施工安全可靠,有效控制大断面隧道围岩变形,可为类似工程建设提供借鉴。     

大断面古土壤隧道围岩压力分布规律及支护结构受力特征分析——以银西高铁早胜3号隧道为例

银西高铁早胜3号隧道位于甘肃省宁县境内，为国内首条穿越古土壤地层的隧道。为研究隧道穿越古土壤地层时围岩压力分布情况及支护结构受力变形特征，通过在隧道相同里程布设压力盒、表面应变计和钢筋应力计等传感器，对围岩压力、初期支护受力变形情况进行长期现场监测，并将监测结果得到的频率值换算为力值或应变，最后对数据进行分析。结果表明： 1）对于三台阶七步开挖法，围岩压力大致经历了急剧变化-缓慢变化-平稳变化3个阶段，三台阶七步开挖的施工工法决定了相同里程先开挖一侧围岩压力明显大于后开挖一侧； 2）钢拱架呈现三维受力状态，相邻2榀拱架间轴力以受压为主，支护结构的完整程度以及与混凝土的协作关系直接影响轴力变化情况； 3）拱脚应变的最大值主要集中在上台阶和仰拱底部附近。     

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。     

双层初期支护在云屯堡隧道高地应力软岩洞段中的应用

为研究隧道双层初期支护中第2层支护的钢拱架设置方式和施作时机,结合成兰铁路云屯堡隧道高地应力软岩隧道工程,对 高地应力软岩大变形隧道双层初期支护中内、外2层钢拱架的布设方式和第2层初期支护的施作时机进行分析和研究。 由研究结 果可知: 1)双层初期支护中钢拱架采取交错的布置方式更有利于初期支护结构受力和围岩变形控制; 2)第2层初期支护应在第1 层初期支护结构不被破坏前及时施作,对于云屯堡隧道来说,第2层初期支护施作滞后掌子面的距离在7 m内较好。     

CD和CRD法施工下超大断面隧道围岩变形控制数值计算研究

为研究超大断面隧道围岩变形控制机制,系统开展CD及CRD开挖工法下不同支护方式的数值计算,研究了不同支护方案随围岩强度等级变化对隧道拱顶位移、围岩塑性区应变的影响规律,明确了CRD开挖工法下不同临时支护拆除顺序对隧道围岩稳定性影响规律。通过对结果进行对比分析可知:采用CRD开挖方法比CD法、I22b型钢拱架支护比I18拱架都具有更好的围岩控制效果,且围岩等级越差,控制效果差异越大;考虑到拱顶沉降安全值,采用I18型钢拱架在经济性和施工安全性及便捷性方面具有良好的可行性;采用先临时仰拱,后临时支撑拆除顺序对整个隧道围岩稳定性效果最好。     

软弱围岩浅埋连拱隧道力学特征测试与分析

为研究软弱破碎围岩浅埋连拱隧道支护体系力学特性,以某连拱隧道为依托,采用钢弦式传感器,对围岩压力、锚杆轴力、钢支撑内力、二衬受力及中墙内力等进行系统测试与分析。结果表明,拱部两侧拱腰位置围岩压力较大,呈"猫耳朵"分布。受地质和施工因素等的影响,拱部围岩压力实测值与公路隧道设计细则计算值相差较大。中墙底部及两侧边墙底部基底压力大。正洞锚杆轴力量值很小,建议取消正洞锚杆。侧导洞锚杆作用明显,根据围岩情况可以保留。钢拱架受力最大位置在拱腰处,拱顶处钢拱架承受拉应力,其他部位为压应力,部分拱架受力接近屈服,型钢拱架作用十分明显。中墙顶部钢筋计受拉,其余位置受压,中墙上部受力较下部敏感。左右线先后应力释放对中墙有一定的"纠偏效应",但中墙受力始终处于偏压状态。     

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。     

超大跨度隧道半步CD法拆撑安全性分析

以济南绕城高速济南连接线工程老虎山隧道为依托工程,研究半步CD工法施工过程中,中隔壁临时支撑拆除对支护结构受力及变形的影响,通过对支护结构受力及变形监测的分析,提出中隔壁临时支撑拆除过程主要影响支护结构拱部受力,对其他部位影响较小,施工中应特别注意拱部,特别是临时支撑与钢拱架拱部连接处的稳定与安全。     

富水隧道施工期及运营期衬砌结构力学特性研究

以米亚罗3号隧道为依托工程,首先通过现场实测应力监测数据,对米亚罗3号隧道施工期支护结构应力的演变规律进行了分析研究;然后进一步借助数值分析软件,对不同初始水头高度下,米亚罗3号隧道运营期间围岩和衬砌结构的力学特征进行了研究。应力监测结果表明:隧道上台阶开挖后,拱顶和拱肩处的围岩-初支接触压力、钢拱架应力和外水压力迅速增大,约在30~40d后趋于稳定;下台阶开挖后,拱腰处的接触压力、钢拱架应力和外水压力快速增长,约在30~50d后趋于稳定;随着下台阶的开挖,拱肩处的围岩-初支接触压力再度缓慢增长,而钢拱架应力则明显下降;二衬施作后,其内力快速增长,并在20d后趋于稳定。数值模拟结果表明:当初始水头高度增加时,运营期间米亚罗3号隧道的洞周位移、二衬内力和外水压力均成一定比例的增加;隧道变形主要为竖直和水平方向的挤压变形,最大位移发生在拱底;相对于无地下水的情况,地下水的存在会影响衬砌弯矩分布,导致弯矩最大截面从拱顶转移至拱脚;衬砌所受外水压力在拱底处最小,其余部位分布较为均匀;随着初始水头的增大,拱腰和拱脚背后围岩的塑性区范围会明显增加。     

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。     

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。     

水平砂泥岩隧道锚杆支护变形和受力特性研究

为了分析水平砂泥岩隧道锚杆支护效果,以段家坪隧道为例,通过数值模拟和现场监测,对隧道拱顶沉降、锚杆轴力和初期支护与围岩接触压力进行研究。结果表明:锚杆长度达到3 m,锚杆间距达到1.5 m后,继续增加锚杆长度和减少锚杆间距对于隧道拱顶沉降的控制作用不再明显;隧道拱部锚杆轴力较大,隧道拱腰和拱脚处锚杆受力较小;随着水平砂泥岩隧道围岩强度的降低,拱部锚杆轴力不断增大。围岩强度越低,锚杆能够更好发挥控制围岩变形的作用。     

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。     

XM1200三臂拱架台车在大断面软弱围岩隧道施工中的应用

为提高大断面软弱围岩隧道微台阶、全断面法开挖初期支护拱架施工机械化水平,引进三臂拱架安装台车进行拱架安装。通过对三臂拱架安装台车参数和性能、施工工艺、与传统台车对比应用效果等多方面进行分析,主要结论如下： 1）三臂拱架安装台车抓举和连接拱架可在有效保证施工人员安全的前提下,缩短拱架安装时间; 2）钢拱架安装工艺流程更规范,有效提高拱架安装精度和质量; 3）三臂拱架安装台车和传统台架、改装机械设备应用效果相比,更适应大断面软弱围岩隧道微台阶、全断面法开挖初期支护拱架施工; 4）三臂拱架安装台车除可完成拱架安装施工外,还可辅助进行部分隧道高空作业施工。