软岩隧道初期支护沉降变形分析及控制方法

目前存在对软岩隧道初期支护变形的错误认识,造成施工成本的浪费、安全风险的增大、进度被严重制约等不利影响,所以非常有必要对隧道初期支护变形进行研究分析并控制。首先以“矿山法”工程实践证明软岩隧道预留变形量是不必设置的,再通过各种权威文献说明以容许变形来实现围岩自承的观念是对“新奥法”的曲解,是错误的,需要找出支护变形的真正原因并控制。通过总结分析隧道支护常见的6 种位移及其组合,得出为控制初期支护变形需要解决支护底脚地基承载力和支护结构强度2 方面问题。于是建立以“分布锚杆+钢架+喷射混凝土且系统分布锚杆模拟为具有法向和切向作用力的链杆支座的结构力学模型”,可计算出支护结构底脚应力及截面最大应力等值,由此可得出对地基承载力和支护结构强度要求的明确标准,或对改善支护底脚抗力提供数值依据。计算结果表明: 系统分布锚杆能极大地降低支护结构的弯矩、轴力内力和底脚应力,从而增强支护结构的承载力和降低基底应力,使变形和沉降得以有效控制。     

黄土隧道网喷支护结构中锚杆的作用

为了检验锚杆在黄土隧道中的作用,在某黄土隧道中设置有系统锚杆和无系统锚杆2个长为30 m的试验段,对隧道初期支护的净空收敛、拱部下沉、围岩压力、钢架应力、喷射混凝土应力、锚杆轴力和纵向连接筋应力进行监控量测。研究表明:2个试验段无论从变形还是受力上讲,同类数据均处于同一量级,说明系统锚杆对结构的稳定性作用不大;网络钢架、喷射混凝土、钢筋网共同组成的支护结构是合理的黄土隧道初期支护结构;取消系统锚杆,可以及时喷射混凝土,有利于围岩稳定,从而大大缩短工期;以Ⅳ级围岩为例,取消系统锚杆可降低工程造价10.6%。     

黄土隧道洞口段支护结构的力学特性分析

为了解浅埋偏压黄土隧道洞口段支护结构的受力状况,对刘家坪2^#隧道洞口段围岩压力、钢架应力、喷射混凝土应力、纵向连接筋应力、锚杆轴力及拱部下沉进行施工监测,并采用有限元法对隧道支护结构进行计算分析。结果表明：在浅埋偏压条件下,黄土隧道拱部发生了平面偏移,拱顶下沉量大于净空收敛量;围岩压力分布呈不对称猫耳状;钢拱架左侧轴力大于右侧轴力,总体受力很大,在支护体系中作用很明显;拱部和边墙喷射混凝土处于受压状态,而底部多为拉应力;拱部系统锚杆对结构的稳定性作用不大,而锁脚锚杆对结构的稳定性有一定的作用;纵向连接筋受力非常大,对隧道整体的稳定性很有利;应取消黄土隧道洞口段系统锚杆,采用由钢拱架、钢筋网、锁脚锚杆、喷射混凝土、纵向连接筋组合形成的初期支护结构。     

承担全部设计荷载的隧道初期支护的设计计算方法

针对当前隧道初期支护设计存在不能承担全部设计荷载、以初期支护仰拱闭合的有利结构而不是以仰拱未闭合的最不利结构为最终设计目标而造成结构存在安全隐患以及给不出锚杆锚固力设计值和现场围岩变形很大使得采用岩体力学进行设计初期支护不具备条件的问题,提出按照“荷载-结构”的计算模型,采取结构力学力法对隧道初期支护承担全部设计荷载、对应施工“三台阶”法、对型钢钢架和喷射混凝土按变形协调条件确定各自承担荷载的比例系数、就钢架和喷射混凝土承载能力分别进行计算分析,明确在各部施工时对喷射混凝土强度以及锚杆的锚固力的要求。计算结果表明： 1）采取除中心夹角60°范围外其余均匀布置分布锚杆、采用“型钢钢架+分布锚杆+喷射混凝土”支护型式的隧道初期支护完全具有承担全部设计荷载的能力,且仰拱开挖不会威胁支护的稳定; 2）应将锚杆作为支护结构的链杆支座来确定锚杆锚固力; 3）锚杆和喷射混凝土3 h的强度对支护结构的承载能力影响很大。     

锁脚锚杆控制隧道初期支护沉降的原理和应用

当前软岩隧道初期支护因沉降变形量大而造成的成本消耗高问题较突出，初期支护底脚作用力与锁脚锚杆抗力不平衡是隧道初期支护沉降的主要原因，其中建立支护底脚与锁脚锚杆之间力的平衡关系是控制隧道初期支护沉降变形的重要前提。以弹性地基梁柱原理和摩擦桩原理来计算分析锁脚锚杆的内力和位移及其与地基的反力关系，以此确定锁脚锚杆的承载能力；通过分析锁脚锚杆对支护结构的柔度，确定其与支护结构的相互影响，进而建立考虑锁脚锚杆对支护结构底脚影响的支护结构力学计算模型，计算其作用于锁脚锚杆端上的作用力作为锁脚锚杆的设计依据；按照上述原理，分析了Ⅴ级围岩当前流行的42锁脚锚管的不足，并示例计算分析了108锁脚锚管的承载能力；最后以Ⅵ级围岩风积砂隧道施工的实例来说明“分布式”加强锁脚锚管以及锁脚锚桩控制支护沉降变形的显著效果验证技术的可行性；结论认为软岩隧道初期支护可按照“荷载—结构”原理确定围岩与支护、支护与锁脚锚杆之间的作用力与反作用力关系，达成支护结构之间力的平衡稳定以实现控制支护沉降的目的。     

水平泥岩砂岩互层隧道支护体系力学特性试验研究

公路隧道穿越水平泥岩砂岩互层施工过程中支护体系力学特性较为复杂,通过开展大梁峁特长公路隧道水平泥岩砂岩互层段支护体系现场试验,研究水平泥砂岩互层段隧道初期支护中的锚杆轴力、围岩压力,钢架应力、混凝土应力及支护变形,二次衬砌中接触压力和混凝土受力特征。分析表明：拱部锚杆作用明显,边墙锚杆受力较小,建议锚杆由拱部160°减少至拱部120°,同时适当增加拱部锚杆;围岩压力在断面开挖后7d时间内已基本达到最大围岩压力的80％左右,说明在该种岩层中隧道开挖后围岩压力释放较快;水平泥岩砂岩互层关键控制点在拱部位置,边墙部位的支护结构无论从受力还是变形来说均较小;研究成果可为水平层状岩层隧道及类似工程的修建提供参考。     

内蒙古地区马兰黄土隧道围岩及支护特性研究

通过对窑沟隧道周边收敛、拱顶下沉、围岩压力、钢拱架内力、喷射混凝土应力和锚杆轴力进行监控量测,了解隧道开挖过程中马兰黄土隧道围岩变形特性及支护结构受力特性。结果表明:施工过程中拱部沉降的量值远大于净空收敛的量值;围岩压力分布不均匀;钢架支护在隧道支护体系中起着非常重大的作用;拱部系统锚杆对结构的稳定性作用不大;水对拱顶沉降的影响非常严重。     

软弱岩层隧道取消拱部系统锚杆模拟研究

采用FLAC3D建立软弱围岩隧道模型,通过对比多种工况下的隧道支护效果,提出由超前支护和"钢架+钢筋网+两翼锚杆+喷射混凝土+锁脚锚杆+纵向连接筋"组成的初期支护形成联合支护结构。取消拱部范围系统锚杆,不仅未影响隧道围岩稳定,而且可以缩短了工序循环时间,有利于及早封闭围岩以形成完整的支护结构,具有一定的经济效益和社会效益。     

高含水量土质隧道不设系统锚杆的试验研究

鉴于土质隧道施工方法、支护时机、施工工艺等对系统锚杆支护效果的影响,及高含水量土层中锚杆成孔困难、注浆效果差、抗拉拔力低等缺点,提出在高含水量土质隧道中不设系统锚杆,初期支护采用“型钢拱架＋喷射混凝土＋钢筋网＋锁脚锚管＋纵向连接筋”组成的新型支护结构。为了评价这种新型支护结构的受力、变形特性以及衬砌结构的可靠性,在天恒山隧道Ⅵ级围岩段设置了两个监测断面,对隧道初期支护的拱部下沉、净空收敛、围岩压力、喷射混凝土应力、型钢拱架应力、纵向连接筋应力等进行监控量测。监测结果表明,不设系统锚杆时,隧道支护结构的变形和受力均在允许范围之内,初期支护工作状态良好。不设系统锚杆,可缩短工期和降低工程造价,具有着显著的经济价值和社会效益。     

浅埋偏压隧道施工工法研究与非对称设计优化

为探究偏压隧道的适宜工法并针对偏压特性对支护结构进行非对称优化,基于九绵高速福隆隧道,通过现场监测深浅埋侧非对称周边收敛与地表变形,建立三维山体隧道模型,进行不同工法围岩、支护结构受力变形比选分析以及初期支护厚度、锚杆长度与倾角的非对称优化设计。相关研究表明:1)现场监测发现,地表沉降与周边收敛非对称特性明显,随着离隧道正中距离的增大,深埋侧地表沉降较浅埋侧数值减小较慢。深埋侧上拱腰收敛数值最大且波动较大,浅埋侧下拱腰收敛增速较慢。2)偏压隧道较适宜工法为CD法,能有效控制围岩支护结构变形、锚杆应力、初期支护压应力以及塑性区分布。3)初期支护非对称优化结果为将浅埋侧初期支护厚度减小2cm,深埋侧增大2cm,能将二次衬砌拉应力控制在较小数值。4)锚杆长度非对称优化结果为将浅埋侧锚杆长度减小0.5m,深埋侧增大0.5m,使锚杆受力更为均匀并减小右上拱肩与左下拱脚的塑性区。初期支护应力在右上拱肩与左下拱脚处存在显著偏压,通过将右上拱肩处锚杆朝深埋侧倾斜能一定程度减小初期支护受力不均匀。     

软弱围岩隧道机械化全断面爆破开挖初期支护受力特性研究

软弱围岩隧道开挖后自稳能力差,易发生大的变形、钢架扭曲等现象。为降低安全风险,依托郑万高铁高家坪隧道进口机械化全断面爆破施工,对支护体系下的围岩压力、钢架应力、初喷混凝土应力、锚杆轴力、围岩内部位移、掌子面挤出变形等进行系统试验研究。试验结果表明： 围岩压力、钢架应力、初喷混凝土应力受岩性条件、施工扰动等因素影响显著,随时间推移均呈现“急剧增大、缓慢增大、波动变化、稳定收敛”的变化规律; 通过锚杆轴力峰值位置可以初步判定围岩塑性区范围约为距洞壁3.0 m。基于现场试验监测,通过数值模拟分析了初期支护结构压应力、轴力和弯矩的分布情况,与现场量测数据相符,较好地反映了初期支护受力特征。本次试验的相关方法、手段和结论对隧道机械化大断面施工软弱围岩变形与支护体系受力研究具有借鉴作用,同时也为建立科学合理的支护结构体系提供了参考。     

浩吉铁路黄土隧道初期支护格栅钢架应用研究

为验证重载铁路黄土隧道初期支护推广应用格栅钢架的可靠性,通过全环格栅钢架混凝土1∶1模型试验,现场初期支护变形收敛、围岩压力、格栅钢架和喷射混凝土力学性能测试,以及基于大数据的初期支护变形收敛数据统计分析等方法进行研究。研究结果表明:1)全环格栅钢架混凝土结构表现出较高的承载能力兼顾较大的变形协调能力,H180型格栅钢架混凝土结构在极限状态下可承载相当于32.56 m的黄土自重; 2)格栅钢架可应用于Ⅳ、Ⅴ级围岩大跨度黄土隧道,能保证围岩稳定及初期支护结构的安全; 3)大跨度黄土隧道初期支护采用格栅钢架,初期支护拱顶下沉及水平收敛值控制良好,总体在开挖预留变形量控制值内。     

考虑岩体蠕变特性的片岩大变形隧道初期支护力学效应

以某隧道V级围岩试验段为工程背景,采用现场测试和数值分析手段,对比支护形式进行基于黏弹塑性的三维变形、受力分析,获取了锚杆、喷射混凝土及钢支撑等初期支护结构的受力特征以及围岩变形规律.分析表明:在云母片岩地层隧道中,大变形主要表现为剪切破坏特征,3种支护形式对围岩的变形都有一定控制作用,但顶部系统锚杆对控制塑性区的影响作用甚微;锚杆及其他初期支护受力最大的区域均位于边墙下部和拱脚位置,提高喷层厚度和钢架刚度能减缓变形速率,但过大的刚度也使得结构内力大大增加.因此,为控制云母片岩隧道过度变形,应增强边墙与锁脚锚杆以提高初期支护成环效应,适当的提高钢架的刚度,必要时提前施作二次衬砌.     

极高地应力软岩隧道双层支护技术

兰渝铁路两水隧道洞身主要通过炭质千枚岩软岩地层,隧道为极高地应力状态,最大水平主应力值为6.5~11.3 MPa。施工前期,隧道初期支护结构变形较大,部分钢拱架扭曲、断裂,支护结构失稳,初期支护结构侵入衬砌净空,拆换拱情况频繁发生,局部地段二次衬砌开裂。针对前期施工中出现的问题,分别开展双层初期支护和双层衬砌试验,对试验段初期支护变形、围岩压力、接触压力、钢架应力、钢筋应力、混凝土应力等进行现场试验研究,掌握试验段设计及施工参数条件下,隧道支护和衬砌结构受力和变形规律。主要研究结果如下:1)双层初期支护变形相对较小,喷混凝土应力、钢架应力、二次衬砌混凝土应力及二次衬砌钢筋应力均未超过材料的容许应力,工作状态良好;2)双层初期支护可减少绑扎钢筋的工序,不需要再另增衬砌台车,在工序组织上更加便利,工效性相对较高。     

米拉山隧道凝灰岩开挖与支护力学特性研究

通过对实测数据分析可知,米拉山隧道凝灰岩遇水软化对围岩的变形影响很显著,为此,采用数值模拟方法对米拉山隧道凝灰岩开挖与支护力学特性进行了研究,获得了在不同时期围岩遇水软化和各分步开挖阶段围岩的位移、应力场变化规律,支护衬砌结构的变形、应力分布及内力分布情况。围岩遇水软化后,由于隧道的变形,锚杆与围岩发生相对滑动,锚杆嵌入隧道围岩,隧道变形大的部位也是锚杆受力大的部位,同时该部位锚杆与围岩的相对滑动也最大。隧道下台阶一次性开挖后施作的锚杆受力左右成对称分布,下台阶左右分步开挖施作的锚杆受力成不对称分布,后面施作的锚杆受力小于前面施作的锚杆受力。隧道围岩遇水软化后初期支护发生整体下沉,沉降量由拱脚向拱肩逐渐增大,拱顶沉降相对小于拱肩沉降;通过对不同阶段隧道围岩遇水软化下二次衬砌和仰拱的受力分析,发现在围岩软化的情况下进行隧道的开挖时,下台阶一次性开挖、仰拱一次性施作对隧道的安全性和稳定性方面都有提高,并得出不同阶段隧道围岩遇水软化隧道在后期运营阶段均处于安全状态。     

浅埋软弱围岩双连拱隧道合理复合衬砌研究

结合某隧道出口浅埋软弱段工程,采用荷载-结构-弹性抗力模式对隧道支护结构承载能力进行了计算与分析,在此基础上,采用数值分析方法,对隧道初期支护结构与围岩的刚度耦合关系进行了研究,给出了喷射混凝土层不同厚度下的应力变化取值和钢拱架采用不同钢型参数对支护效果的影响取值,并据此对隧道初期支护设计参数提出修正意见。此外,论文还对连拱隧道合理二衬参数进行了探讨。     

软岩隧道初期支护沉降机理及其工程措施研究

为解决软岩隧道开挖过程中初期支护整体下沉普遍较大的工程难题,依托郑州至西安高速铁路大断面黄土隧道及成昆铁路第三系昔格达地层软弱围岩隧道工程,通过理论计算及现场实测,对软弱围岩隧道初期支护普遍沉降较大的原因以及采取的工程措施的可靠性进行分析,得到以下成果： 1）软弱围岩隧道下沉量往往超过20 cm,现场实测的拱脚承受最大荷载为897.4 kN,初期支护整体下沉大的主要原因是拱脚压力较承载力大一个数量级; 2）锁脚锚杆靠近钢架位置的轴力最大,为55 kN。大拱脚的承压特性显著,其压力极值达到0.9～1.7 MPa; 3）增设锁脚锚杆（管）、扩大拱脚和及时闭合仰拱是控制软岩隧道初期支护沉降的关键措施。     

基于复合拱理论的大断面隧道初支体系承载力分析

隧道工程的性质决定了隧道支护结构的特殊性与复杂性,特别是大断面公路隧道在穿越不良地质段落时由于开挖断面大,其初期支护结构受力更为复杂,本文以云南省在建的大断面特长公路隧道-杨林隧道为工程背景,应用复合拱理论结合现场监测对大断面公路隧道初期支护体系的承载能力进行分析并求解出锚杆、钢架与喷层各自构件的承载力及比例,通过工程实例显示喷层与钢拱架形成的内层支护拱在大断面公路隧道初期支护体系中起决定性作用;本文提出的方法可为大断面隧道初期支护的承载力分析和后续施工提供一定的借鉴和技术支护,并积累有益的经验。     

隧道“关门”塌方原因的力学分析及预防对策

为向施工技术管理人员解释隧道初期支护随施工的应力变化规律,进而找出发生“关门”塌方的原因,首先说明“关门”塌方发生时的施工状况,一般采取钢架+锁脚锚杆+喷射混凝土的支护结构,塌方时松散荷载已形成; 然后按荷载-结构模型,在初期支护承担全部设计荷载的条件下,通过施工三台阶法对上、中、下3个断面采取结构力学力法分别进行内力计算及承载能力分析。结果表明: 在围岩完全松散的极限情况下,上台阶绝对安全,中台阶基本安全,下台阶开挖尤其是仰拱开挖时塌方的风险极高。针对上述问题提出预防“关门”塌方的相应对策。结论认为采取钢架+锁脚锚杆+喷射混凝土的支护形式,支护结构处于极限应力平衡状态,很容易破坏而造成隧道坍塌。     

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。