机械化施工大断面高铁隧道围岩压力测试及分布特征研究

为了解机械化施工大断面隧道围岩压力的变化规律和分布特征,依托郑万高速铁路湖北段大型机械化施工隧道群,开展大量围岩压力现场监测,根据测试结果对Ⅳ级和Ⅴ级深埋条件下围岩压力变化规律和分布特征进行分析,并与规范荷载进行对比。结果表明： 1）围岩压力监测数据从21~27 d开始稳定; 2）实测围岩压力小于《铁路隧道设计规范》深埋隧道计算荷载; 3）Ⅳ级深埋条件下,侧压力系数为规范荷载侧压力系数的1.2~2.4倍; 4）Ⅴ级深埋条件下,侧压力系数为规范侧压力系数的0.86~1.43倍。     

隧道稳定性分析与设计方法讲座之三：隧道设计理念与方法

本文作为一个讲座对以往研究成果作一综述。回顾了当前采用的3种隧道设计方法,提出了基于数值极限分析的地层－结构法,克服了地层－结构法缺点,可以求得设计所需的围岩稳定安全系数,解决了当前设计中的人为性问题。对隧道深浅埋分界线进行了探索,叙述了基于散体理论的隧洞深浅埋分界标准。提出了基于弹塑性理论的隧洞深浅埋分界标准,并对2种分解标准的优缺点进行了评述。阐述了隧道设计计算的5个基本理念： 1）隧道设计必须满足运行和施工中安全要求,提出初期支护后围岩安全系数必须保证施工安全; 2）隧道设计计算模型必须适应不同工程地质条件、围岩压力特征,符合隧道实际受力情况; 3）必须符合现代围岩压力理论与现代支护原理,充分发挥围岩自承作用; 4）隧道结构计算模型也应符合结构实际受力状态,树立初期支护作为围岩加固材料,按塑性理论计算的新理念; 5）采用合理的计算方法与计算参数,确保隧道设计计算的科学性。最后以一个地铁车站为例,采用本讲座提出的方法介绍了Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ级围岩中隧道的设计方法与成果。     

软弱地质小净距隧道围岩压力计算方法及受力特征研究

为研究软弱地质小净距隧道围岩压力计算方法及不同隧道净距和埋深对围岩压力的影响规律,引用三塌落拱理论,确立深浅埋隧道分界深度,基于公路隧道设计规范,建立隧道荷载计算模型,推导出围岩压力理论计算公式,并讨论不同的隧道净距和埋深对隧道内外侧围岩压力的影响规律。最后,结合工程实例,针对受力薄弱的中夹岩柱部位提出有效的加固措施。结论如下:1)极浅埋和浅埋小净距隧道围岩压力采用规范法中的全土柱和谢家烋理论公式,深埋隧道采用修正后的比尔鲍曼计算方法更为安全合理;2)小净距隧道施工过程偏压特性显著,围岩压力与埋深近似呈线性关系;3)左右洞室施工相互影响随净距增大而呈现减弱趋势,当净距大于1倍洞跨时,围岩压力可按单洞计算;4)中夹岩柱是软弱地质小净距隧道受力的关键、薄弱部位,采用中空注浆锚杆并合理确定锚杆长度,能有效抑制中夹岩柱塑性应变发展,提高围岩抗拉及抗剪强度。     

大跨扁平公路隧道稳定性位移控制基准研究

大跨隧道安全位移基准控制值与施工工法关系密切,而既有成果和规范对此研究不足。根据特征曲线法,探讨隧道极限位移、容许位移和预警位移3个控制指标之间的相互关系;提出公路隧道极限位移确定方法,即采用有限元方法,对规范给出的同一级别围岩的物理力学参数按照高、中、低位进行抽样组合计算,所得支护位移值域按照t分布进行数理统计,按概率密度曲线98.75%的保证率确定最大和最小值,并将该值作为同一围岩级别下考虑分部开挖工法的全域最优解,该最优解可作为隧道安全位移基准控制值。依据该方法,给出CRD工法下3车道公路隧道在Ⅳ、Ⅴ级围岩和4个埋深区间下的极限位移建议值。     

深埋小净距隧道围岩压力计算方法研究

根据普氏理论经验公式对深埋小净距隧道的围岩压力计算公式进行了推导,并针对沪蓉国道湖北省宜昌～恩施高速公路某分岔隧道的四车道小净距段,运用本公式进行计算分析,得出结论如下:当中夹岩柱厚度增大到一定程度时,围岩压力与分离式隧道相同,在Ⅴ级围岩条件下,当中夹岩柱厚度小于3 m时,围岩压力与连拱隧道基本相同,在Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ级围岩条件下,围岩压力比连拱隧道的大;在Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ级围岩条件下,左右洞室之间无影响的净距分别为55 m、20 m、10 m、7 m;中夹岩柱的承载能力对小净距隧道围岩压力有较大影响,选择合理的中墙加固方法对小净距隧道的稳定及结构受力十分关键.本文可以为深埋小净距隧道的结构设计提供参考.     

考虑围岩等级的“盾构法-矿山法”隧道对接贯通方式选用研究

为解决"盾构法-矿山法"隧道对接施工中贯通方式的优选这一关键难题,比较盾构法和矿山法2种贯通方式的主要过程,并针对矿山法贯通方式提出盾构提前拆解概念;以围岩等级为变量,依次开展Ⅱ—Ⅴ级围岩条件下的盾构提前拆解施工过程数值计算,和以盾构提前拆解为前提的Ⅲ、Ⅳ级围岩中矿山法贯通施工过程数值计算。对比分析2种贯通方式的特点和各工况数值计算结果,得出结论如下:1)提前拆机可有效提升盾构周转使用率,防止"卡机"和减小爆破冲击影响。2)比较盾构提前拆机过程计算结果,Ⅱ—Ⅳ围岩中塑性区发展和围岩变形均不明显,适合盾构提前拆机;Ⅴ级围岩中塑性区范围和变形均急剧增大,不适合盾构提前拆机。3)比较Ⅲ、Ⅳ级围岩矿山法贯通过程数值计算结果,Ⅳ级围岩中"盾构法-矿山法"隧道相接位置存在围岩变形突然释放现象,需要采取必要的加固措施。最后,根据上述结论制定了考虑围岩等级的"盾构法-矿山法"隧道对接贯通方式推荐表,并在实际工程中进行了应用。     

山岭隧道机械化大断面法设计关键技术

为解决长大山岭隧道钻爆法机械化安全、快速、高质量施工所面临的技术问题,依托郑万铁路湖北段隧道工程,采用“科研先行、试验验证、推广应用”的工作方法,开展隧道大型机械化修建技术研究与现场试验。结合国内外调研情况及工程实践,得出如下结论： 1)隧道机械化修建方法是对传统方法的系统性改变; 2)Ⅳ、Ⅴ级围岩传统多台阶法、被动支护、围岩压力“分担比”理论与机械化大断面法不相适应; 3)机械化大断面法施工的核心要点是“快挖、快支、主动支、快封闭”; 4)隧道结构设计采用规范中基于松散压力的围岩压力计算方法与实际存在差异,可采用形变压力计算方法; 5)对于采用机械化大断面法施工的隧道,掌子面超前主动支护体系与洞身主动支护体系是确保隧道掌子面附近围岩稳定的关键。     

郑万高铁大型机械化施工隧道位移控制基准研究

依托郑万高铁湖北段大断面隧道洞群,针对其开挖断面面积大、软弱围岩占比高、采用大型机械化大断面法施工的特点,开展初期支护位移现场监控量测,对监控量测数据进行分类统计、包络回归分析,得到Ⅳ、Ⅴ级围岩深、浅埋不同大断面法（全断面法、微台阶法）开挖下初期支护位移沿隧道纵向的函数表达式及各工况下分段位移占极限位移的比值。最后结合 Q/CR 9218-2015《铁路隧道监控量测技术规程》中初期支护极限位移值,给出郑万高铁大型机械化施工隧道各工况下初期支护位移控制基准建议值。结果表明： 郑万高铁隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩采用深、浅埋不同大断面法开挖时,按距掌子面距离的分阶段位移控制基准相差较大,现行Q/CR 9218-2015《铁路隧道监控量测技术规程》中统一规定不合理;围岩级别、埋深及开挖方法相同时,拱顶沉降和洞周水平收敛规律基本一致。     

四面山隧道开挖施工技术研究

对重庆江津至贵州习水高速公路(重庆境)工程中的四面山隧道开挖施工技术进行研究。隧道为分离式和一般小净距组合式隧道,穿越地层为砂岩、泥岩护层,围岩差,主要为Ⅳ级和Ⅴ级围岩。隧道洞身深埋段Ⅳ、Ⅴ级围岩采用环形导坑预留核心土法开挖,当Ⅴ级围岩采用环形导坑预留核心土法成洞困难时,可采用CD法开挖,确保隧道贯通的安全性与经济性,为今后相同条件下隧道贯通技术方法提供参考。     

莞惠城际铁路矿山法隧道各级围岩设计工法的适应性分析及调整建议

以莞惠城际铁路松山湖地下隧道（矿山法）施工为例,通过各综合围岩等级的工序分析、工法类比、稳定性与优势比较等,认为该隧道矿山法施工实际揭示围岩与设计工法存在一定的适应性问题,并提出以下建议： 1）Ⅵ级围岩隧道（第四、五、六类围岩）建议调整为三台阶七步法+拱部临时立柱法、Ⅵ级围岩隧道（第七、八类围岩）建议调整为三台阶七步法; 2)Ⅴ级围岩隧道（第二类围岩）建议调整为带临时仰拱台阶法或上下台阶法、Ⅴ级围岩隧道（第三、四、五类围岩）建议调整为上下台阶法; 3)Ⅳ级围岩隧道建议调整为上下台阶法; 4)其他未涉及的围岩情况,工法均不做调整。     

浅埋大断面公路隧道围岩竖向压力对比分析研究

本文依托于宝鸡坪坎至汉中(石门)高速公路PH-9合同段的一座分离式双向六车道某隧道,采用全土柱理论、谢家烋公式、太沙基公式、比尔鲍曼公式四种围岩压力计算方法进行理论分析比较,得出浅埋大断面隧道围岩压力主要影响因素为埋深和跨度。同时对埋深为7m和20m情况下,运用数值模拟对浅埋大断面隧道围岩压力进行计算分析,并与四种理论计算结果进行了比较,得出埋深小于荷载等效高度hq时,采用全土柱理论计算方法;埋深处于h_q~2.5h_q时采用太沙基公式计算方法。为今后同类浅埋大断面隧道围岩压力计算方法的选取提供了一定的参考价值。     

基于弹塑性围岩压力计算方法与实测值的对比研究

隧道开挖行为会使围岩内部形成二次重分布应力,为了维持围岩的稳定,获取合理准确的围岩压力值对优化支护结构受力具有重要意义。在区域地应力场特征的基础上,以某隧道IV级及以下围岩段部分监测断面为例,基于开挖应力释放率模型,结合初始应力的横向和竖向应力分量值,采用不同的位移释放率对开挖应力释放的相关指标进行计算。基于修正的芬纳公式计算初始应力和洞壁径向位移条件下的围岩压力值,计算得到横向和竖向围岩压力理论值,最后在现场进行围岩压力测试,并按照荷载承担比例进行换算得到总的围岩压力值,并和两种理论计算结果对比分析,结果表明：采用应力释放率法比修正芬纳公式更接近实测值。     

浅埋大跨度隧道微台阶法进洞力学响应与工程运用

结合某大跨隧道,针对浅埋大跨度隧道进洞的两种典型施工工法微台阶法(也称微台阶法)与双侧壁导坑法进行空间三维数值分析,研究了隧道围岩与结构位移、应力、应变等的分布与发展规律,得到了两种浅埋大跨隧道进洞施工工法的动态施工力学特征,提出在三车道大跨度隧道采用微台阶法进洞施工方案的可行性,并通过实际工程中成功运用经验,为大跨度隧道浅埋段采用微台阶法提供了工程借鉴。     

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。     

铁路隧道结构计算荷载问题分析讨论

铁路隧道复合式衬砌结构的计算荷载,按有关资料建议取值存在主观操作差异,设计失之指导与规范。通过进一步分析隧道工程状态,认为应规范化区别各级围岩及其级内差异和支护强度,以体现不同围岩衬砌的受力差异和平衡同级衬砌受力水平,为合理确定结构荷载提供条件;综合新奥法和传统矿山法分析,衬砌结构“远期”都承受相当的围岩压力,经结构验算和实测压力分析比较,并参考公路隧道设计细则,确定铁路深埋隧道坍方荷载按现行公式计算,Ⅱ、Ⅲ级衬砌荷载为坍方荷载的40%; Ⅳ、Ⅴ级衬砌分别为50%和70%; Ⅱ、Ⅲ级单线衬砌可视为安全储备,当跨度增加时,应全面满足构造、工程类比和结构检算要求;各级围岩侧压力系数按规范沿用,可以此统筹当前设计。建议通过系统性实测统计分析和试验研究,为进一步完善结构设计方法提供条件。     

偏压隧道围岩压力与初期支护受力数值分析

以ANSYS通用有限元对双线铁路隧道穿越Ⅲ、Ⅳ级软硬围岩,并当软硬围岩界面与地面夹角呈90°时的围岩压力与初期支护的受力特征进行了数值分析,并推导了围岩压力的计算式。     

深埋复合式衬砌隧道二衬分担比研究

为研究深埋复合式衬砌隧道二衬分担比,首先,介绍了基于"叠合梁"理论的初支与二衬荷载传递机理;然后,统计了31座隧道120个断面围岩与初支及初支与二衬间接触压力的监测数据,研究了围岩压力与围岩级别、埋深等参数的相关性,系统分析了经验公式计算的深埋隧道围岩压力与实测值的差异性;最后,将运用修正的"叠合梁"理论计算出的不同围岩级别二衬分担比与实测值对比分析,并讨论了"叠合梁"理论计算二衬分担比的适用性。结果表明:深埋复合式衬砌隧道围岩压力总体随着围岩级别或隧道埋深的增加而增加,而与隧道跨度﹑高度无明显联系;经验公式计算值与实测值接近程度从优到劣依次为:普氏理论、《公路隧道设计细则》(2010)、太沙基公式;《公路隧道设计细则》(2010)适用于埋深小于800 m的围岩压力预测;Ⅲ,IV,V和Ⅵ级围岩的二衬分担比多集中于20%～30%,30%～45%,40%～70%,隧道地应力高、围岩条件差以及初支未及时施作等因素可能是少数断面二衬分担比过高的原因;"叠合梁"理论计算的二衬分担比值受支护材料物理力学参数的影响甚微,而受初支厚度与二衬厚度的影响颇大,"叠合梁"理论不适用于IV级及以下围岩二衬分担比的计算,V和Ⅵ级围岩二衬分担比可按"叠合梁"理论计算值的70%预测。     

CRD工法在扩大断面石质围岩台山隧道的创新

结合哈大客运专线重点隧道——台山隧道施工实例,主要介绍该隧道位于浅埋偏压地段,为哈大客运专线两座扩大断面隧道之一。该隧道最大开挖断面为209m2,是目前国内客运专线施工中最大的扩大断面隧道。设计Ⅳ、Ⅴ级围岩段采用CRD工法施工,但由于该隧道为石质围岩,爆破对中隔壁影响很大,因此在保证安全质量前提下,对原设计工法进行了创新,可供类似工程借鉴。     

浅埋大断面公路隧道渐进破坏规律与安全控制

围绕浅埋大断面公路隧道渐近破坏过程与机制，以大永高速公路甸头隧道下穿大西二级公路工程为背景，开展了室内相似模型试验与现场监测分析。针对不同围岩级别条件（Ⅳ₃，Ⅴ₁和Ⅴ₂），分析了隧道毛洞开挖过程中围岩应力和位移变化规律，提出了基于变形差率的隧道施工安全控制指标，隧道施工现场监测验证了该指标的科学性，保障了隧道施工安全。研究结果表明：①隧道的破坏首先发生在拱顶位置，随着隧道的不同分部的开挖，破坏区向拱肩和地表扩展；围岩级别为Ⅳ₃时，隧道开挖后围岩形成一定厚度的塌落拱，塌落拱高度约为0.67M（M为隧道最大跨度）；围岩级别为Ⅴ₁和Ⅴ₂时，隧道开挖将引起围岩坍塌，形成塌方等较严重事故。②隧道开挖过程中，在开挖卸荷作用下，隧道产生不同程度的收敛与沉降，Ⅳ₃比Ⅴ₁，Ⅴ₁比Ⅴ₂，Ⅳ₃比Ⅴ₂最大地表变形分别减少了63.0%、20.0%和70.4%；隧道开挖应力变化方面，Ⅴ₁比Ⅳ₃，Ⅴ₂比Ⅴ₁，Ⅴ₂比Ⅳ₃最大应力变化量分别减少了43.5%、23.0%和56.5%，且Ⅳ₃，Ⅴ₁和Ⅴ₂围岩级别下隧道开挖过程应力和变形影响范围逐个增大。③采用模型试验手段，通过计算典型测点沉降差与测点距离的比值——变形差率，分别探讨Ⅴ₂，Ⅴ₁和Ⅳ₃围岩级别的浅埋隧道施工安全控制标准。隧道施工现场监测结果表明，对于Ⅴ₁级围岩浅埋隧道，当隧道地表横向和纵向变形差率均小于10 mm·m^-1，可防止公路地表裂缝的产生。研究成果对于浅埋大断面公路隧道施工与安全控制具有重要意义。     

基于新奥法浅埋隧道的围岩压力计算方法

依据模型试验和数值模拟结果,总结浅埋隧道围岩渐进破坏特征,以此为依据,建立适用于新奥法浅埋隧道的围岩压力计算模型;经过理论推导,得到围岩压力表达式;算例经Matlab优化得到最优上限解,并与传统理论计算方法作对比分析。结果表明:该文方法计算结果合理,且更适用于新奥法浅埋隧道;适当提高隧道边墙支护刚度或尽早施作仰拱使支护结构闭合成环,有助于减小隧道顶板压力。