深埋风积沙隧道施工工法及围岩变形特征研究

风积沙作为一种抗剪能力弱、黏聚力低、自稳能力差的土体,隧道开挖时围岩变形难以控制,研究风积沙隧道的围岩变形特征及其适用的施工工法则显得尤为重要。依托蒙华铁路王家湾隧道穿越风积沙段,通过室内试验得到相关参数,采用有限差分法进行数值模拟,对比分析有无水平旋喷桩加固两种工况的围岩变形和塑性区发展,从而得出三台阶法、三台阶临时仰拱法、三台阶七步法、CD法以及双侧壁导坑法5种工法的变形特征和水平旋喷桩的加固效果。研究结果表明,(1)在无水平旋喷桩加固围岩的情况下,双侧壁导坑法最适用于大断面深埋风积沙隧道,但其控制效果仍然不能满足变形要求;(2)采用水平旋喷桩加固后,三台阶加临时仰拱法最适合于大断面深埋风积沙隧道;(3)水平旋喷桩与三台阶加临时仰拱法结合能够有效控制围岩变形;(4)水平旋喷桩能够显著控制上半部分围岩变形大小,并减缓全环围岩变形速率,但对下半部分围岩变形大小控制不明显。     

全风化红砂岩地层隧道掌子面变形特征及控制技术研究

为解决全风化红砂岩地层隧道在开挖过程中出现的掌子面失稳问题,以浩吉铁路阳城隧道为工程依托,利用现场调研、室内试验以及数值模拟等多种研究方法,对全风化红砂岩地层隧道掌子面的变形特征及控制技术进行系统研究。结果表明： 1）掌子面挤出位移主要集中在掌子面高度3~10 m的位置,掌子面最大挤出位移出现在上台阶和中台阶交界位置。2）拱顶沉降主要发生在已开挖段和掌子面前方约1倍洞径处,其预变形量占总变形量的比值均在40%以上,最大达到78.33%。3）掌子面前方核心土挤出变形曲线的变化趋势从快速减小到缓慢减小,直至减小为零,大致将其分为强影响区、弱影响区和无影响区3个区间,影响范围为5.8~19.2 m。4）阳城隧道采用超前水平旋喷桩和三台阶预留核心土法可以较为有效地控制掌子面的挤出变形,实际施工中,建议在采取降水措施的情况下将2种控制措施配合使用。     

基于现场实测的深埋风积沙隧道围岩压力计算方法研究

风积沙作为一种黏聚力低、自稳能力差的不稳定围岩,给隧道设计和施工带来很大困难。 为探究风积沙围岩压力大小和分 布规律,依托蒙华铁路王家湾隧道开展现场量测试验,根据实测的围岩压力分布特征,得到深埋风积沙隧道的围岩压力计算模式, 并通过数值计算分析与现场量测数据对比验证其合理性。 研究结果表明: 深埋风积沙地层围岩压力分布很不均匀,但普遍拱部较 小,初期支护大部分处于受压状态。 计算分析得深埋风积沙隧道围岩压力采用太沙基计算公式是较为合理的,进一步优化得深埋 风积沙隧道垂直方向围岩压力计算图示采用“双峰”形分布,水平方向围岩压力计算图示采用“阶梯”形分布,相比铁路隧道设计规 范的传统模式更安全,与实际衬砌受力状态更符合。     

深埋风积沙地层隧道掌子面失稳特征研究

研究目的:风积沙是一种黏聚力低、自稳能力差的土体,给隧道设计和施工带来很大困难。本文研究旨为揭示不同掌子面角度下深埋风积沙地层隧道的掌子面失稳特征,从而反馈设计施工。研究结论:(1)掌子面前方失稳区呈楔形状,再向上扩展形成封闭的灯泡状区域,随着掌子面角度增大,失稳区下部扩大,上部缩小,掌子面稳定性逐渐改良;(2)掌子面角度对于失稳区的纵向、横向尺寸影响不大,失稳区前边界约为掌子面前方1倍洞径处,横向跨度约为2倍洞径;(3)失稳土体中存在压力拱,其顶点位于拱底上方1~2倍洞径间,随着掌子面角度增大,失稳区形成的压力拱顶点在下移,跨度在减小;(4)本文推导了适用于深埋风积沙地层的掌子面支护力计算公式,并提出了相关设计施工建议;(5)本研究成果可应用于深埋风积沙隧道,尤其是台阶法或盾构法开挖的隧道。     

蒙华铁路风积沙地层隧道围岩稳定性及预加固效果试验研究

为了解风积沙地层隧道失稳变形特征和预加固控制效果，以蒙华铁路风积沙地层段为依托，通过室内物理力学试验得到风积沙的基本性质和参数，并利用数值模拟对隧道最大主应力和塑性区变化规律展开分析，然后建立模型试验对不同预加固方式在风积沙地层隧道中的效果进行研究。研究结果表明： 1）风积沙抗剪切能力在含水率为7%~14%时可达到极值，此时更利于隧道围岩的稳定性； 2）隧道失稳具有突发性，主要会经历“掌子面局部破坏—拱顶持续塌方—大体积失稳”3个基本过程； 3）未采用预加固措施的情况下，开挖面前方监测断面拱顶围岩内部位移值及变形速度最大，采用水平旋喷桩与钢管组合加固后可分别降低81.1%和98.3%； 4）水平旋喷桩与钢管的组合对于开挖面前方拱顶的围岩应力控制效果最好，水平旋喷桩的加固控制范围小于水平旋喷桩与钢管的组合。     

倾角对土砂互层地层围岩稳定性的影响探究

研究目的:全风化红砂岩和砂质黄土互层地层在我国有较广泛的分布,其敏感脆弱的工程地质特性严重影响隧道工程建设。本文以蒙华铁路阳城隧道为依托工程进行拓展性研究,采用室内试验、数值模拟、现场监测等多种方式深入探讨岩层倾角对土砂互层地层隧道围岩稳定性的影响。研究结论:(1)随着岩层倾角增大,拱顶及左、右拱腰位移呈现互异的变化规律,且具有不同的变形机理;对于拱顶而言,45°为破坏模式转换临界,位移取得最小值43. 7 mm;根据左、右拱腰变形差异性,分为非对称变形缓慢发展区、非对称变形快速发展区、非对称变形稳定区、非对称变形弱化区和非对称变形二次发展区五个阶段;(2)拱顶及左、右拱肩处支护结构在不同地层倾角下均有较大主应力,且波动幅度较大,左、右拱肩处应力差值的变化对隧道结构会产生不同程度的影响,当倾角为60°时,两处主应力差值取得最大值1. 01 MPa;(3)随着岩层倾角变化,张拉塑性区和剪切塑性区存在不同的分布规律,实际工程中应做好相应抑变措施;(4)本研究结论可为不同岩层倾角产状下的土砂互层地区的隧道设计和施工提供借鉴。