新近系泥岩隧道初期支护受力特性研究

富水区泥岩隧道开挖后经常出现支护结构大变形乃至开裂现象,影响隧道的施工和长期运营安全。为掌握新近系泥岩隧道支护结构和围岩的变形动态,开展相应的室内试验与现场监控量测以及数值模拟。采用室内试验方法获得泥岩的物理力学参数;通过现场监测方法得到围岩压力、钢拱架应变;采用数值模拟的方法获得泥岩软化前、后拱顶及拱脚沉降量、围岩压力、径向位移值的大小。研究结果表明:泥岩呈弱崩解性,且具有一定膨胀性,是导致围岩变形持续时间较长的主要原因;多数测点钢拱架弯曲,导致初期支护承载力不足,进而引起初衬混凝土掉块脱落;泥岩软化后,隧道同一位置处拱顶、拱脚沉降量、围岩压力、径向位移值均远大于泥岩软化前的数值,泥岩遇水软化是导致隧道支护结构产生大变形的原因之一。研究方法和结论对新近系泥岩隧道的设计和施工有一定的参考价值。     

兰渝铁路两水隧道双层支护试验研究

针对兰渝线两水隧道穿越炭质软岩、设计施工难度大、初支变形不满足稳定性条件、衬砌较早施作而引起开裂等问题,开展双层支护研究工作。通过现场试验对试验段初期支护围岩变形、围岩压力、接触压力、钢架应力、钢筋应力和混凝土应力等监测。得到初期支护隧道围岩与结构的力学及变形特性,分析其随时间的变化特点和沿隧道横断面的空间分布规律。研究结果表明：围岩压力、钢架应力和喷混凝土应力随开挖进程存在急剧变化阶段,易受施工扰动影响,敏感性随时间逐渐降低,结构应力沿隧道横断面的空间分布呈现“上下大,两侧小”的分布规律。研究结果对建立科学合理的软弱围岩隧道支护结构设计方法具有一定的指导意义。     

白垩系全风化红砂岩深埋隧道初期支护受力特性与荷载模式

阳城隧道穿越大量红砂岩地层,该地层遇水易崩解软化。本文通过对现场试验结果分析得出含水率对该隧道围岩压力的影响显著,富水区域围岩压力大,容易导致隧道偏压。经对比3种理论计算方法,太沙基理论围压压力计算值与实测值最接近,因此依据太沙基理论计算全风化红砂岩深埋隧道围岩压力。在此基础上结合试验段现场实测数据,给出全风化红砂岩深埋隧道围岩压力计算方法。与设计规范推荐的计算方法相比,采用该方法进行初期支护结构设计具有更多安全余量。研究成果可供类似地层隧道设计施工参考。     

大断面古土壤隧道围岩变形规律研究

古土壤形成时期、环境有别于黄土,因此,古土壤隧道围岩物理力学性质与黄土隧道存在一定差异。银西高铁早胜三号隧道作为国内首次穿越古土壤地层的长大隧道,为系统研究古土壤的物理力学性质及隧道穿越古土壤地层时关键施工技术研究提供了有利条件。本文以早胜三号古土壤隧道为研究背景,通过基础试验得到古土壤的物理力学性质,利用现场量测结果分析古土壤隧道的沉降变形收敛规律,然后通过数值模拟验证了现场监测结果。研究表明:古土壤具有密度大、比重大、抗剪强度较大和弱膨胀性的特点;隧道沉降变形分为快速增长阶段、持续增长阶段、平稳阶段,沉降主要集中在上台阶拱顶位置;围岩收敛主要集中在拱脚附近,且随着测点距拱脚位置的减小,收敛值逐渐扩大;同时,三台阶七步施工工法是造成左右围岩收敛值不同的主要原因;针对收敛主要集中在拱脚位置这一现象,建议进行仰拱曲率优化的研究。     

长大隧道围岩稳定性分区与支护措施研究

长大隧道是铁路工程工期的关键控制节点,为了加快施工进度、确保施工质量,需要准确分析整座隧道围岩稳定程度和施工控制关键段落。目前,在隧道结构设计中常采用荷载-结构模型,但荷载的确定与工程实际情况有一定差别。针对该问题,根据理论分析与室内试验,提出能量收敛准则,建立基于GSI指标的隧道极限状态分析法,利用数值计算方法,对隧道围岩进行稳定性分区,并提出相应的施工措施和优化方案：对于S空间,采用轻型支护,即初期支护采用喷混凝土+锚杆的支护手段,喷混凝土厚度<15 cm,局部软弱、破碎围岩加设钢筋网或钢带;对于浅埋隧道或断层破碎带,采用重型支护,即初期支护采用钢架+网喷的支护手段,一般地段采用格栅钢架,特殊地段采用型钢钢架,喷混凝土厚度≥20 cm;现有隧道围岩稳定性分区局限于计算平面应变模型,应在后续研究中将其扩展至三维。     

敖包梁隧道围岩与支护结构稳定性研究

隧道围岩与支护结构稳定性问题一直倍受岩土工程界关注。采用室内试验方法研究煤系岩层高岭石峰值及峰后力学特性,基于Mohr-Coulomb强度准则的岩石峰后应变软化理论,构建敖包梁隧道三维有限差分数值模型,计算隧道围岩变形特征曲线及纵剖面变形曲线,结合收敛-约束法分析隧道围岩与支护结构安全稳定性,通过现场监测,验证数值模型及计算方法的合理性。研究表明:采用理想弹塑性模型计算的隧道围岩安全系数小于应变软化模型的计算结果;分析现场监测数据可知,考虑应变软化的围岩与支护结构相互作用关系更符合工程实际情况,采用收敛-约束法计算隧道安全稳定性更加直观。     

水下盾构隧道基岩爆破扰动地层管片外荷载实测分析

为探明盾构隧道基岩爆破对管片外荷载的影响,以珠海马骝洲交通隧道工程为依托,介绍改进的基岩爆破预处理措施,采用现场测试的方法对隧道无基岩地层断面及基岩爆破扰动地层断面处的管片外侧水土压力进行长期自动监测。得到以下结论:(1)基岩爆破装药结构经现场验证具有良好的爆破效果,可简化施工作业,利于盾构施工;(2)海底基岩爆破破坏土层的原有结构,爆破地层施工过程中水压力消散较慢,水土"耦合"更为复杂,隧道侧压力增大;(3)监测数据表明无论土层爆破与否,隧道围岩压力均表现以水压力为主的特征。     

缓倾软岩地层隧道仰拱超挖对结构受力影响

本文以贵南铁路九万大山一号隧道为依托工程,为掌握缓倾软岩地层隧道仰拱超挖对结构受力的影响,运用现场测试技术手段分两种工况开展典型仰拱断面监测工作：(1)仰拱爆破后,直接架设拱架再喷射混凝土形成初期支护;(2)仰拱爆破后,先喷射混凝土填补超挖部分,使隧道仰拱精确成型,再架设钢架,确保钢架与围岩密贴,最后喷射混凝土形成初期支护。对两种工况分别测试仰拱围岩压力、钢架及混凝土应力以分析仰拱超挖处理前后结构受力特征,并对初喷工序在大断面缓倾岩层隧道修建中所起作用进行验证。     

暗挖隧道超前导管注浆对地层位移影响规律的研究

以深圳地铁施工资料为基础，利用三维模拟程序对暗挖隧道施工过程及支护结构进行了模拟分析。对于喷射混凝土和格栅钢架组成的隧道初支系统，考虑了喷射混凝土的时间效应及格栅钢架与喷射混凝土的不同刚度。在模拟过程中，研究了不同超前导管注浆范围对围岩变形的影响规律。从分析结果得出，尽管超前小导管对控制隧道围岩的变形有一定的效果，但注浆对地层的加固效果更加明显。     

长大铁路隧道软弱围岩双层初支监测技术研究

针对在建怀邵衡铁路岩鹰鞍大断层大变形施工技术难题,运用理论分析、现场实测和监控预报等方法,分析了工程水文地质和断层条件,选择适合施工的监测方案和工具,进而对断层段洞内围岩支护应力应变进行现场监测并对监测数据进行研究,确定了过断层隧道双层初支的合理性。实践表明,按照提出的过断层隧道双层初支治理方案能够获得较好的围岩变形与受力效果,可以很好地保证隧道过断层段围岩稳定和结构安全,可为矿山、公路、铁路以及其他类似隧道工程提供参考。     

郑西客运专线大断面黄土隧道围岩变形特征

隧道围岩变形是一个极其复杂的问题,涉及的因素较多。结合郑西客运专线黄土隧道的施工,利用现场量测的手段分析隧道变形、围岩压力、一次衬砌和二次衬砌接触压力以及仰拱和型钢钢架随时间变化规律及分布特征,对今后类似工程的设计、施工具有一定的参考价值。     

京张高铁八达岭长城站大跨度深埋三连拱隧道设计及施工方法研究

目前三连拱隧道衬砌荷载尚无成熟的计算方法且类似工程施工经验相对较少,以京张高铁八达岭长城站为例,研究在V级围岩地质条件下,大跨度深埋三连拱隧道设计计算方法及合理的施工工序。依据普氏平衡拱理论并借鉴双连拱隧道围岩荷载计算方法,提出深埋三连拱隧道围岩荷载模型,通过建立有限元模型,分析三连拱隧道的合理施工工序。研究表明:三连拱隧道围岩压力可以看作拱部松散土压力及中隔墙所承受的压力之和;三连拱施工工序推荐采用先侧洞后中洞的工序,对于施工过程中保持围岩及支护结构体系的稳定较为有利;通过右洞围岩压力计算结果与现场检测结果对比分析,围岩压力最大相对误差在10%以内,全施工阶段监测情况一切正常,验证了解析法计算结果的合理性及施工工序的优越性。     

京张高铁八达岭长城站超大跨隧道变形控制标准研究

为了确保超大跨隧道开挖过程围岩稳定和施工安全,合理确定各开挖步序的变形控制标准,采用理论分析、数值模拟实验和现场监测等方法,建立隧道变形与围岩应变相互关系的计算模型,提出基于围岩极限应变的隧道总变形控制标准,制定超大跨隧道分步变形控制标准和分级管理方法。研究结果表明:隧道围岩总变形控制标准取决于隧道围岩的极限应变;Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级围岩32.7 m跨度的隧道,其拱顶总沉降控制标准分别为40,90 mm和180 mm;超大跨隧道施工过程中成跨阶段的变形约占总变形的95%,成墙阶段的变形约占总变形的5%。     

中铁二十二局在建工程重点科研项目——兴源隧道高地应力软岩大变形控制技术

牡绥铁路兴源隧道全长3427m，双线，设2座无轨运输斜井，斜井总长750m。隧道穿越地层为薄层炭质泥岩，现场判定围岩为Ⅵ级，具有明显的不均匀性，受区域地质构造的作用明显，且岩层走向不利于隧道稳定，卸荷效应强烈，初期支护易产生开裂、钢架扭曲、剪断、喷砼掉块等大变形现象。     

大断面膨胀土隧道结构受力特性测试研究

研究目的:大断面隧道因其跨度大、形状偏于扁平,在施工过程中表现出独有的力学特点,经常造成围岩大变形侵限、区域性塌方、底鼓和支护结构开裂等施工风险,而这些特点在膨胀土环境中表现的尤为明显,因此研究大断面膨胀土隧道支护结构受力特性具有重要的工程应用意义。本文以银西线庆阳隧道为工程背景,首先通过室内试验确定红黏土围岩的膨胀参数,然后利用现场监测手段对庆阳隧道支护结构的力学特性进行研究,并评价其支护结构受力性能,以期对同类隧道施工起到一定的指导作用。研究结论:(1)隧道膨胀土最大膨胀率为67%,最大膨胀力达到67.42 kP a,施工过程中应加强超前地质预报,尽可能减少水害对施工的影响;(2)隧道拱顶、两侧拱腰及底部具有较大围岩压力,围岩压力呈对称分布,初支闭合后拱顶附近围岩压力基本稳定,但两侧拱腰及仰拱位置围岩压力持续增大;初支闭合后钢拱架受力持续快速增长且受力基本对称,隧道上部初支内钢拱架受力始终较大,拱顶钢拱架应力最大达到1.46 MPa;(3)二衬施作后,初支仍存在一定变形,二衬左右两侧衬砌压力增长显著,二衬两侧拱脚位置混凝土应力增大明显;(4)本研究成果可为大断面膨胀性隧道设计优化和安全施工提供理论指导与科学依据。     

隧道穿越富水泥岩断层破碎带超前帷幕注浆技术

郑万高铁巴东隧道穿越的三叠系中统巴东组泥岩,具有一定膨胀性,遇水软化,自稳性差,在三峡库区被称为"易滑地层",并且隧道洞身穿过50 m长断层破碎带,采取有效的地层加固措施极为必要。在对泥岩基本地质特性分析的基础上,针对性地提出了超前帷幕注浆方案,并结合洞身超前管棚提高帷幕胶结体的承载能力,最后通过钻孔成像、现场监测等方法对帷幕注浆效果进行评价。实践表明,帷幕注浆后,掌子面围岩加固止水效果良好,有效保证了富水泥岩断层破碎带的稳定性,确保隧道施工安全。     

水下浅埋小间距软岩隧道孔隙水压力研究

依托浏阳河水下浅埋小间距软岩隧道工程,通过埋设孔隙水压力计,分析了不同施工阶段水压力。结果表明:隧道在施工期间孔隙水压力呈有规律变化。在测试初期均随时间增长,距相邻隧道较近一侧的孔隙水压随时间变化起伏大,距相邻隧道较远一侧孔隙水压变化较平缓,相邻隧道施工会影响孔隙水压力变化,施工完二衬混凝土后孔隙水压基本稳定。隧道不同部位孔隙水压力不一样,隧道仰拱部位的孔隙水压力最大。其成果可供同类工程设计和施工时参考,也可为完善水下隧道围岩中水压力的计算方法和抗水压衬砌结构的力学分析提供依据。     

隧道围岩变形影响因素分析

新七道梁隧道地质条件复杂,本文对复杂条件下长大隧道影响围岩变形的施工因素进行分析。采用有限元法模拟施工中围岩的力学特征,表明隧道施工对围岩变形影响显著。同时,在隧道内布设大量收敛值量测断面,并长期监测,对隧道围岩收敛测量数据进行曲线分析。结果显示隧道开挖后围岩的变形具有时间相关性和空间相关性。变形包括三个阶段,即急剧变形阶段、缓慢增长阶段、基本稳定阶段。同时分析开挖方法、支护结构、邻近施工、施工工序等施工因素对围岩变形的影响。结果认为施工中开挖初期对围岩变形影响最大,而设置仰拱可减小隧道围岩变形,因此应选择对围岩扰动小的开挖方法,并及时进行后序施工。将围岩变形施工因素分析动态反馈于施工中,取得满意结果。     

基于突变理论的隧道洞口浅埋段软弱围岩失稳分析方法

针对隧道洞口浅埋段多位于覆盖层、坡积层或风化严重的软弱破碎岩体中,极易发生失稳破坏的现实问题,以某隧道为工程背景,提出1种基于突变理论的隧道洞口浅埋段软弱围岩失稳分析方法。根据隧道围岩失稳情况,建立隧道洞口浅埋段围岩力学模型,采用Weibull分布函数,描述隧道上覆软弱地层的本构关系;根据总势能原理建立围岩失稳破坏的尖点突变模型,导出围岩失稳的力学判据;将地表沉降监测数据和尖点突变模型进行有效融合,建立隧道围岩稳定性预测模型,导出围岩稳定性判别式;以隧道5处典型断面为例,选取出现明显失稳征兆之前的7 d监测数据进行验证。结果表明:隧道洞口浅埋段围岩失稳与上覆地层的应变软化程度、刚度比及含水率相关;隧道围岩失稳力学判据和稳定性判别式的判别结果与现场实际围岩情况一致;利用地表沉降数据建立的围岩稳定性判别式来预测围岩的稳定性是合理可行的。     

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。