隧道及地下工程结构防排水技术的发展和应用

总结了自京广线大瑶山隧道修建以来，复合式衬砌隧道结构防排水试验研究和应用情况，介绍了塑料防水隔离层的防水机理、施工工艺及各自的优缺点，提出了改进建议。     

基于FLAC~(3D)的隧道单层衬砌结构力学特征研究

为了研究单层衬砌结构力学特征,采用了FLAC~(3D)有限差分软件,利用软件内置的接触面单元(interface单元)对不同结构层的层间接触效应进行了模拟。以巴哈高速公路东天山隧道2~#斜井工程为工程背景,建立了不同衬砌结构型式下考虑层间接触效应的数值仿真模型,分析了现场Ⅳ级围岩条件下的单层衬砌结构力学特征及其围岩稳定性,并与原复合式衬砌支护设计方案进行了对比。研究结果表明:(1)FLAC~(3D)模拟计算中采用接触面单元(interface单元)施加于不同结构层之间,可模拟衬砌结构不同层间接触形式的相互作用,较好地反映层间接触面的力学特征及位移特性;(2)对于受力性能而言,单层衬砌结构以组合梁承载模式进行承载,衬砌结构内力呈现"小弯矩、大轴力"的分布特征,衬砌结构截面应力以压应力为主,可充分发挥混凝土材料的受压性能;(3)由于单层衬砌结构具有良好的层间接触性能,不同结构层可实现"协同受力、共同变形",使其承载模式优于复合式衬砌,能以较小的结构厚度满足隧道支护要求,因此单层衬砌具有较高的经济性;(4)单层衬砌隧道拱腰、拱脚及边墙底部YAI值较小,围岩稳定性较差,易发生失稳,现场施工时应对上述部位加以防范。     

基于地层结构法的喷膜防水衬砌结构力学性能分析

为了研究防水膜的黏结作用对喷膜防水衬砌结构力学性能的影响和防水膜与初支及二衬间界面在围岩压力作用下的损伤情况，结合试验测得的界面法向、切向及防水膜的本构参数，建立隧道二维地层—结构模型，在Ⅳ级围岩条件下，对喷膜防水衬砌结构和复合式衬砌结构的力学性能和界面特性进行对比分析。与复合式衬砌结构相比，喷膜防水衬砌结构的协同受力作用能使二衬的轴力和弯矩减小，增大二衬的安全系数，同时使初支的安全系数减小。研究结果表明，防水膜的黏结作用会增加二衬的安全储备但基本不会影响隧道的位移，并且在受力过程中衬砌结构间的界面不会发生损伤。因此，可以对二衬的设计进一步优化，提高隧道的经济性。     

公路隧道防水技术中关键防线的探讨

针对当前我国新奥法公路隧道防水技术的现状，对复合式衬砌结构防水技术中所设置的几道关键防线的效用作了研究。从围岩注浆堵水、防水层防水、衬砌加止水带防水等几个方面，对当前防水技术中存在的问题和取得的成功经验进行探讨。     

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。     

大别山隧道斜井单层衬砌的试验研究

该文运用现场测试和有限元Ansys软件对大别山隧道二号斜井的单层衬砌结构形式进行了力学分析.研究表明:在同等程度荷载条件下,当支护结构的厚度也相同时,单层衬砌比复合式衬砌产生的内力要小;如产生的内力大致相等时,单层衬砌结构比复合衬砌结构的厚度可减薄1/4.     

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。     

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。     

莲花隧道进口小净距段新奥法施工跟踪监测研究

结合莲花隧道进口小净距段的台阶法施工实践,介绍了地表下沉、洞周水平收敛、拱顶下沉、锚杆轴力、围岩压力、二次衬砌混凝土应力等项目的跟踪监测工作,分析和总结了围岩变形特征及其复合式衬砌结构的受力特点,所得结果为复杂工况下小净距隧道支护结构的新奥法施筑与优化提供了科学依据,也为类似隧道工程的施工提供了经验.     

雷公山隧道Ⅲ类以下围岩复合式衬砌超挖回填方法

雷公山隧道Ⅱ、Ⅲ类围岩占隧道总长76%,施工中全隧均采用复合式衬砌,从而保证了隧道工程质量, 争取了隧道贯通时间,取得了较好的经济效益。本文对复合式衬砌中超挖回填几种方法反复对比,从而提出了较合理的回填方法。     

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。     

柳州市某公路隧道衬砌设计

结合柳州市某公路隧道工程,介绍公路隧道浅埋隧道围岩压力的计算和复合式衬砌的设计,总结了隧道衬砌的设计经验,供同类工程参考。     

上长坪连拱隧道无中导洞施工方法比选研究

目前国内外连拱隧道大多采用中导洞法施工，而对无中导洞施工研究相对较少，缺少相关工程经验，且未对无导洞法施工技术优缺点和适用范围做深入而系统的研究。本文研究的上长坪隧道为分离式隧道过渡到连拱隧道，因其与大桥衔接过渡，设计的中隔墙厚度不等厚，采用复合式薄直中墙，其结构设计新颖，在设计无法做变更及4个月完成504 m的工期要求下，为实施高难度操作的设计方案，采用竖直型钢喷射混凝土结构及斜向支撑成功解决了中墙二次衬砌浇筑的难题，其竖直型钢喷混结构浇筑在左右洞二次衬砌之间作为中隔墙的结构部分，成功开创了复合式薄中墙设计施工新工艺。同时，此工法有效解决了防水漏水问题及成本控制问题，为无中导洞施工方法增加了新的工艺类型，提供了Ⅳ级围岩隧道无中导洞施工新型案例。     

下穿运营铁路超浅埋公路隧道设计及施工关键技术

厦门高崎互通机场连接线在下穿鹰GOU Mingzhong厦铁路及道岔区段为2个单跨超浅埋暗挖双车道微拱形隧道。为保证铁路轨道能正常运营,隧道采用3层衬砌结构（1次初期支护、2次模筑衬砌）,全环设置299超长管幕(110 m),并在隧道掌子面和周边采用深孔预注浆对地层进行预加固、双侧壁导坑六部开挖方式施工;在每次列车通过前,通过实时监测,采取起道填碴方式,对铁路进行保护,确保了铁路运营的安全。主要介绍超长管幕、3层复合式衬砌结构、双侧壁六部开挖方式等几项设计及施工关键技术。     

地质雷达技术及其在公路隧道质量检测中的应用

在新建公路隧道中，衬砌是隧道的主要承载结构，也是隧道防水的重要工程，其施工质量对隧道长期稳定和使用功能的正常发挥具有很大的影响。目前，隧道衬砌常见的质量问题有衬砌与围岩结合部的缺陷、局部裂缝、混凝土强度不够、衬砌厚度不足等。针对隧道施工中可能出现的质量问题，采用雷达检测技术，可以对混凝土衬砌与围岩结合部出现的脱空、回填欠实、富水区圈定、衬砌厚度等进行无损检测，及时发现问题，为采取加固措施消除隐患提供了依据，起到了对隧道施工质量实时监控的作用。     

中老铁路膨胀性盐岩地层隧道结构体系优化及施工技术探究

为解决膨胀性盐岩地层隧道修建时出现的大量衬砌裂缝、仰拱底鼓开裂等问题,同时为保证隧道后续快速安全施工及长期健康服役,采用现场调查、数值模拟和监控量测等方法,对膨胀性盐岩地层隧道结构及施工技术进行深入研究。研究结果表明:1)含盐地下水对混凝土的侵蚀引起的膨胀压力是原马蹄形隧道衬砌开裂的根本原因。2)250 k Pa的地层膨胀压力可大幅度增大围岩变形,但对隧道掌子面纵向挤压变形基本没有影响,可减小拱顶处的最大主应力,但会大幅度增大仰拱处最小主应力。3)多层支护可对洞周围岩变形起到积极的约束作用,也可明显减小掌子面纵向变形,对初期支护最大主应力基本无影响;无膨胀压力时,会引起墙脚最小主应力集中;有膨胀压力时,可减小其他部位的最小主应力。综合考虑围岩稳定性、支护受力以及施工成本控制等,膨胀性盐岩地层多层支护隧道施工宜采用二台阶法。现场实测证明采用3层衬砌、2层防水、全环注浆并施作隧底阻水榫后,围岩变形量小,衬砌未开裂。通过指数函数对围岩变形进行拟合,证明数值计算结果基本可靠。     

基于现场试验的超大双曲面穹顶洞库支护体系研究

为解决硬岩中超大型地下工程复合式衬砌二次衬砌模筑混凝土施工困难、模板工程复杂、混凝土圬工量大等问题，以某地下储油库为依托，应用有限差分计算软件与现场原位试验的方法，对大型地下工程进行力学机制研究及支护体系优化。研究结果表明： 1）在围岩条件较好的岩体中开挖大型地下洞室，在支护参数选择合理、施工质量得以保证的前提下，使用单层喷射混凝土衬砌可提高施工效率，减少混凝土用量； 2）采用聚丙烯纤维喷射混凝土支护+低预应力锚杆的优化支护体系相较于Q系统岩石支护表所得的支护参数可更好地控制围岩变形，减少支护结构与围岩的拉应力区，达到与复合式衬砌接近的支护效果； 3）现场试验后发现优化后的支护体系在变形与应力方面可达到预期效果，穹顶最大变形约8 mm，支护结构安全可靠。     

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。     

隧道复合式防排水系统的设计、试验及工程应用

传统隧道防排水系统中,防水板极易因施工控制不当出现破裂,而防水板破裂后,地下水进入防水板与二衬间的空隙中,由于防水板与二衬间缺乏排水通道,地下水将沿衬砌裂缝、施工缝等薄弱环节渗出而形成隧道渗漏水病害。在传统隧道防排水系统中,渗漏水病害治理难度大,维修费用高,针对传统防排水系统存在的不足,提出了一种在隧道防水板与二衬间增设排水板的复合式防排水系统,该系统具有可调节、抗淤堵、易维护等优点。为验证该系统的有效性,采用自主研制的试验装置对复合式防排水系统中所采用的3种土工排水材料（毛细型排水板、凸壳型排水板、土工布）在不同水压及支护压力条件下的排水能力及抗淤堵能力进行了相关试验,并依托某在建隧道工程对不同土工排水材料在隧道复合式防排水系统中的应用效果进行了现场验证。主要研究成果有：①随着支护压力的增加,3种排水材料的排水能力均出现了不同程度的降低,其中,土工布降幅最大,毛细型排水板次之,凸壳型排水板最小;②在固定的水压和2层支护间压力条件下,进行20次浑水排水试验后,土工布排水能力发生大幅下降,毛细型排水板和凸壳型排水板排水能力小幅下降,但凸壳型排水板排水夹杂有泥沙,而毛细型排水板排水为清水,表明其抗淤堵能力较好;③复合式防排水系统的现场试验数据表明,防水板与二衬间增设排水板,具有良好排水泄压的能力,可有效降低衬砌背后水压。复合式防排水系统的研发可为隧道防排水系统设计和渗漏水病害治理提供借鉴。     

复合衬砌在隧道施工中的应用

近年来,在隧道的施工中出现了一种新型的支护结构,那就是复合式衬砌。本文将详细介绍复合衬砌在隧道施工中的应用。