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。     

开挖方法影响下的深埋隧道形变压力计算方法

为了研究开挖方法对围岩形变压力的影响,采用理论分析、文献调研及现场测试方法明确了其对围岩形变压力的影响规律;根据相应变化规律,基于多元非线性回归方法,考虑围岩级别、隧道跨度及隧道开挖方法因素建立了围岩形变压力定量计算公式;对54座隧道的205个实测形变压力断面数据（108个大型机械化配套大断面开挖施工监测断面、97个常规分部开挖施工监测断面）进行分析.结果表明:采用大型机械化大断面开挖方法,隧道开挖后围岩稳定,所产生的围岩形变压力小;采用常规机械化分部法开挖方法,所产生的围岩形变压力大;围岩形变压力计算公式中开挖方法影响系数k_c的取值范围为1.00～1.15,且围岩级别越大,k_c取值越大,开挖方法对围岩所产生形变压力的影响越明显.      

护拱回填暗挖法隧道支护结构安全性评价

文章依托九景衢铁路荆生坞隧道工程,介绍了护拱回填暗挖法的施工步序,利用弹性理论推导了护拱与初期支护拱部的围岩荷载分担比例计算公式,采用极限平衡理论建立了边墙处围岩受力模型,推导了初期支护边墙附加围岩压力计算公式,最后通过建立荷载-结构模型,计算了护拱和初期支护的内力、安全系数,评价了护拱和初期支护安全性。结果表明:初期支护围岩荷载分担比例与护拱和初期支护的弹性模量、厚度有关,荆生坞隧道初期支护围岩荷载分担系数约为30%;护拱拱脚竖向压力导致边墙上部围岩沿破裂面滑动,对初期支护边墙上部产生一个水平向的附加围岩压力;九景衢铁路荆生坞隧道护拱回填暗挖段护拱和初期支护均处于安全状态,初期支护安全性随围岩荷载分担系数的增大而略有降低。     

下台阶含仰拱一次开挖工法仰拱早期受力研究

为明确下台阶含仰拱一次开挖工法仰拱早期的受力状态并制定相应的强度控制标准,以中条山隧道为依托工程,利用数值分析、位移-荷载反演等方法对仰拱早期在外荷载作用下的受力进行分析。下台阶含仰拱一次开挖工法中,仰拱随下台阶同步开挖,由于工法的特殊性,仰拱施作约2 h后会承受来自围岩变形、挖机及覆土自重产生的荷载。分析发现： 3个部分荷载中围岩变形压力对仰拱早期受力影响最大,围岩变形作用下最大压应力产生于仰拱拱脚位置,上填覆土及扒碴机械重力作用会减小拱脚压应力,增大拱底压应力。多种外荷载共同作用时,仰拱压应力分布形态为“W”型,最大压应力产生于拱底,为0.14 MPa。考虑预留一定安全储备的情况下,该工法仰拱施作2 h时的抗压强度控制标准可按0.2 MPa进行设计。与传统台阶法仰拱早期受力特性对比,结果证明了一次开挖工法仰拱施作采用早高强混凝土的必要性。     

下台阶含仰拱一次开挖工法特性研究

基于传统台阶法中仰拱单独开挖会造成初支封闭滞后存在的安全隐患,提出一种台阶法下台阶和仰拱一次开挖支护的施工方法,通过数值模拟和现场实测分析,探明新工法中支护结构施工力学特征及工程应用经济性,验证新工法施工的安全可行性,确定其对沉降变形起控制作用的关键工序。研究结果表明:新工法结构的应力值量值变化不大,应力分布状态改变;新工法结构变形明显减少,施工工效显著提高;新工法在控制沉降变形、地层适用性、施工组织方面具有综合优势,具备一定的工程推广价值。     

基于中条山隧道的台阶法几何参数优化分析

为提高台阶法在软岩条件下施工时的安全性,充分发挥其施工高效的固有优势,以中条山隧道为工程依托对该法施工时几何参数的选取进行优化分析。分析采取数值模拟结合现场监测数据的方法,以初期支护结构安全性、掌子面稳定性以及施工便利性作为优化选择的依据。根据研究成果可知:在软岩条件下隧道采用台阶法施工时,上台阶长度控制在4~5 m时隧道初期支护结构受力合理,施工机械操作便利;上台阶高度取值为0.6H(H为隧道高度)时能较好地兼顾隧道的施工效率以及掌子面的稳定性,但是在围岩条件较差如Ⅴ级围岩掌子面出水或浅埋情况下,其取值应适当提高但也不宜超过0.7H。     

基于凿岩台车钻进速度的隧道围岩基本质量指标计算方法

为保证隧道施工中岩体识别的准确性，针对冲击-旋转耦合式破岩的凿岩机提出1种基于钻进速度的隧道围岩基本质量指标（BQ）计算方法，包括基于钻进速度的BQ拟合计算式和钻进速度分级模式。首先，从能量角度分析冲击-旋转式凿岩机的破岩机理，推导由钻进参数和BQ值表达的凿岩机破岩功能关系计算式；其次，依托郑万高铁湖北段隧道工程获得92组样本，通过现场试验和室内试验，采集样本的钻进速度和可用于计算BQ值的岩石坚硬程度和岩体完整程度数据；最后，采用数理统计方法建立钻进速度与BQ值之间的关系，并在此基础上提出钻进速度分级模式。结果表明：钻进速度和BQ值之间具有良好的响应关系，当钻进压力一定时，可直接用钻进速度表示围岩BQ值；基于钻进速度的BQ值计算方法，包括中值拟合计算式及可覆盖95%数据的上、下限值计算式；钻进速度分级模式及选择原则可直接用于现场围岩级别的快速判定。