石质铁路隧道初期支护优化研究

以蒙华铁路九岭山隧道为工程背景,运用强度折减法计算围岩强度储备并将其作为围岩稳定性的参考指标。依据现场监测,得到初期支护的受力特征。基于围岩强度储备指标与初期支护的受力特征,对初期支护进行优化设计,并应用于现场。研究结果表明:在围岩具有足够强度储备的前提下,初期支护主要承受形变压力;系统锚杆未发挥作用,喷射混凝土抗压性能未被充分利用,格栅钢架钢筋难以发挥其抗拉和抗弯性能;可将现有初期支护"喷射混凝土+格栅钢架+系统锚杆"的结构形式优化为"喷射混凝土+格栅钢架"。对原有设计和优化方案进行数值模拟,对比其锚杆轴力与喷射混凝土应力分布,同时应用现场试验验证该优化方案的安全性与可行性。该优化方案已在蒙华铁路应用推广。     

初期支护组合形式有效性现场试验研究

初期支护组合形式的有效性一直存在较多争议。依托蒙华铁路在建隧道,针对初期支护不同组合形式有效性问题开展大量现场试验,量测内容包括拱顶沉降、水平收敛、系统锚杆轴力、喷射混凝土应力及钢架应力。通过对花岗岩、板岩、砂泥岩、黄土4种地层进行试验,分析具有代表性的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级花岗岩和Ⅴ级黄土试验段数据,研究深埋岩质和土质隧道初期支护中钢筋网喷射混凝土、钢架及系统锚杆不同组合形式的有效性。结果表明： 1）现阶段“网喷+钢架+系统锚杆”的初期支护组合形式未充分发挥其作用效果,有效性差,措施过于保守,存在很大优化空间; 2）在土质或浅埋破碎岩质隧道初期支护中,系统锚杆无明显作用,可以取消,而只采用“网喷+钢架”组合形式; 3）在深埋岩质隧道初期支护中,采用“网喷+钢架”或“网喷+系统锚杆”2类组合形式之一即可。考虑到目前现场系统锚杆施作机具和施工质量,采用“网喷+钢架”的组合形式是合理和可行的。     

基于现场实测的隧道初期支护受力模式分析

为研究隧道初期支护的受力模式,以蒙华铁路在建隧道为工程依托,开展隧道洞周位移和初期支护受力状态的现场测试。结果表明:1)初期支护普遍受压,结构处于小偏心受压状态;2)隧道洞周位移收敛值较小,且隧道整体向净空侧变形,与初期支护普遍受压的受力模式一致;3)洞周位移、锚杆轴力和初期支护的受力状态均不符合塌落拱式的受力模式,而符合围岩与支护相互作用而产生的形变压力特征;4)格栅钢架对结构的抗压-剪承载力贡献非常小,初期支护斜截面的抗剪强度主要由混凝土控制,格栅钢架的作用仅是在混凝土开裂后提供峰后韧性。