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。     

黄土连拱隧道中墙力学特征现场测试与分析

连拱隧道中墙是受力复杂部位和重要承载构件,直接影响到隧道的安全性与经济性。为研究黄土连拱隧道中墙受力规律,文章以陕北某黄土连拱隧道为依托,采用钢弦式传感器对隧道中墙顶部和底部接触压力、中导洞锚杆轴力、中墙钢筋计轴力及中墙内力进行了系统测试与分析。结果表明:中墙基底压力两边大中间小,呈"马鞍形"分布,基底压力比中导洞顶部接触压力大;锚杆轴力较小,峰值在围岩浅部,深部轴力约为峰值的10%,中导洞锚杆支护作用不明显,可以取消;中墙钢筋计轴力向底部增大,中墙受力上部较下部敏感;中墙受力最大位置在中部偏左下侧,左右线应力先后释放对中墙受力有一定的"纠偏"作用,但中墙始终受到偏压作用;按组合变形构件推算的中墙最大轴力值约为583 kN,最大弯矩值约为45 kN·m,中墙处于稳定状态,其纵向承受扭矩作用、最大值约为79 kN·m,内力十分复杂。     

附加荷载引起大跨扁平隧道变形破坏的模型试验研究

文章以深圳大跨扁平马峦山隧道为工程背景,采用模型试验法研究了Ⅳ级、Ⅴ级围岩条件下隧道结构在附加荷载作用下的破坏过程,分析了围岩压力、衬砌变形和结构内力的变化规律。研究结果表明:(1)拱顶围岩压力先增大后减小,当附加荷载达到至某一值时,拱顶围岩压力最大,且衬砌变形较小;(2)随着附加荷载的增加,衬砌变形均经历弹性阶段、塑性阶段、破坏阶段三个阶段,且Ⅴ级围岩衬砌变形较大;(3)随着附加荷载的增加,衬砌结构内力增大,衬砌弯矩分布形状近似呈"蝴蝶型",轴力分布形状近似呈"菱形",且分布不均匀性增大。     

拱盖法隧道围岩稳定性模型试验研究

文章利用大尺寸模型试验,研究了拱盖法隧道开挖过程中地表的发展模式和围岩受力情况。结果表明:隧道开挖过程中地表沉降先后经历了缓慢沉降、快速沉降和缓慢沉降三个阶段,其中中导洞开挖、竖向支撑拆除是沉降快速发展的阶段,拱部二次衬砌完成后开挖下部围岩对地表变形贡献不大;在掌子面推进过程中,监测断面各部位围岩荷载的释放过程具有较大差异性,拱部围岩荷载相比于拱脚和边墙释放更快,且幅度更大;拱部围岩中导洞开挖和临时支撑拆除会导致已稳定的围岩压力二次释放;由于支护的及时跟进,围岩自承能力得以发挥,围岩径向收敛变形得到较好的控制;拱部围岩中导洞开挖和临时支撑拆除会导致已稳定的围岩压力二次释放,建议工程中应将拱顶沉降作为拱盖法围岩稳定判别的主要依据。     

岩质隧道深浅埋划分方法及判别标准探讨

传统的深埋与浅埋隧道划分方法以普氏压力拱理论为基础,由于普氏理论的局限性,这种划分方法不尽合理。鉴于此,文章将有限元极限分析法应用于隧道深浅埋划分中,提出了隧道深浅埋划分的三条原则。对于Ⅳ级、Ⅴ级围岩的岩质隧道,根据隧道的破坏模式划分深埋与浅埋,破裂面贯通至地表即为浅埋隧道,破裂面没有贯通至地表即为深埋隧道,并利用有限元强度折减法求出浅埋隧道压力拱高度,以此作为深浅埋分界线;对于围岩等级高的岩质隧道,以无衬砌隧道稳定安全系数来划分深浅埋,安全系数大于等于1.5时为深埋隧道,安全系数小于1.5时还要根据破坏模式进行深浅埋判断。此外,深浅埋隧道划分还应考虑环境、施工、地质构造、不稳定块体等因素的影响,由此可能造成围岩整体塌落,形成松散压力。最后,文章建议对于深埋隧道可按弹塑性数值分析计算,而对浅埋隧道除按弹塑性数值分析外,还需按浅埋松散荷载依据荷载-结构模式分析,以确保安全。     

飞机荷载对隧道结构的动力影响分析

随着立体交通路网的发展,在机场跑道或停机坪下修建隧道的情况时有发生,这就需要研究飞机移动荷载对下穿隧道结构的影响,以确保其安全。文章依托北京市首都机场捷运工程,基于有限元法比选了节点动力荷载及面动力荷载两种简化飞机移动荷载的响应结果,结合计算结果与现场实测数据,进一步分析了飞机移动荷载对隧道结构的影响规律。结果表明:两种飞机简化荷载作用下,隧道的竖向位移变化规律相似,但节点动力荷载作用时隧道的竖向位移略大;飞机着陆点与隧道相对位置的变化对隧道结构的竖向位移变化规律影响不大;飞机位于隧道正上方三倍洞径范围内跑道时对隧道结构的动力影响是不容忽视的,不仅引起隧道结构发生明显的竖向位移,还可导致围岩压力的显著增大;而在飞机动、静荷载作用下,拱顶中心位置的围岩压力及竖向位移最大,需重点关注。     

基于两种拱盖法修建的青岛地区上软下硬岩质地层大跨隧道结构稳定性研究

拱盖法是基于纵深刚度差异较大的“上软下硬”地层条件,在充分吸取盖挖法、双侧壁导坑法等工法的成功经验或者不足之处的基础上发展起来的一种暗挖大跨隧道修建技术,拱盖法主要有双层初期支护拱盖法和二次衬砌拱盖法。文章以青岛地铁某暗挖大跨车站为例,结合站址范围内上软下硬复合地层的特征,通过数值方法对两种拱盖法修筑的隧道结构稳定性进行分析研究。结果表明:1)二次衬砌拱盖法采用纵向9 m拆撑安全步距施工时,外层初期支护棚护作用的“空间刚度效应”不足以弥补其拱盖的“拱”效应,双层初期支护拱盖法修筑技术更有利于隧道变形控制;2)隧道下部岩体开挖时拱盖结构的承载、保护作用显著,但在相同等地质环境条件下,二次衬砌拱盖法施工对拱脚岩体的塑性破坏作用更明显,换言之即二次衬砌拱脚对岩基的强度和刚度要求更高;3)初期支护拱盖法结构受力控制部位为拱肩及拱脚,二次衬砌拱盖法结构受力控制部位为拱脚,后者拱脚控制内力约为前者的1.56倍,前者的“梁”效应比较明显,后者的“脚”效应比较明显;4)为地铁百年服务工程安全计,建议优先考虑采用双层初期支护拱盖法施工。     

大断面隧道深浅埋划分方法研究

在中国现行的铁路和公路隧道设计规范中,隧道深、浅埋的划分是以松弛荷载概念作为基础的,并具有统计上的意义,但这种划分方法线条较粗,并没有充分考虑围岩的自承能力.文章以隧道围岩能否形成安全有效的压力拱为基本原则进行了隧道深、浅埋的划分.对于地表水平或近似水平情况,按平面应变假定,认为面内最大主应力的最大值出现在压力拱的内边界处,而将面内最大主应力方向发生偏转(拱体内最大主应力方向为水平方向,拱体外部最大主应力将恢复为开挖前的竖直方向)的点作为压力拱的外边界;当地表有较大坡度时,由于地形对自重应力场分布产生的影响,这里以等效埋深代替实际埋深,用以修正按地表水平情况计算的深、浅埋分界值.根据上述思路,对目前在建的某四线大断面车站隧道,通过数值模拟,建议取30m埋深作为隧道深、浅埋分界值.     

上软下硬岩质地层大跨隧道叠合承载拱结构设计分析

在上软下硬岩质地层中修建浅埋暗挖大跨地铁车站隧道的工程实例较少,选择合理的车站结构型式和施工方法所参照的经验也十分有限。文章以大连地铁兴工街站为背景,通过对上软下硬岩质地层大跨隧道围岩松动特性进行分析和类似工程介绍,提出了一种叠合承载拱新型车站结构型式和相应施工方法,实现单拱大跨车站结构,其结构跨度可达20 m以上,并对该结构的初期支护和二次衬砌设计方法和受力特征进行了介绍。实际应用效果表明,叠合承载拱结构依靠拱部叠合初期支护拱结构承受施工期间全部荷载,在其保护下施工下部结构,可有效控制地层变形,同时适合岩质地层快速机械化施工。     

不同净距双洞隧道上下台阶法同时开挖数值模拟分析

为研究不同净距双洞隧道在上下台阶法同时开挖下的围岩变形、受力及支护受力情况,文章基于Midas/GTS软件平台对10m、14m、18m、22m净距双洞隧道进行了数值模拟分析。结果表明:(1)隧道中岩墙一侧拱腰水平位移相比左侧拱腰大,拱顶处、仰拱处水平位移较小,且随着净距变化其值基本保持不变;(2)隧道拱顶及仰拱位置处围岩竖向位移较大,拱腰处较小,随着隧道净距增大各部位竖向位移均减小;(3)随着隧道净距的增大拱顶及仰拱处的水平应力及竖向应力逐渐减小,但减小幅度较小,同时拱腰处水平应力及竖向应力变化较大,且减小幅度不断扩大;(4)随着净距的增大,锚杆轴力最大值及喷混结构最大拉应力发生了减小,减小幅度逐渐扩大。     

黄土连拱隧道支护结构力学特性现场试验

为研究黄土连拱隧道支护体系力学特性,文章以某黄土连拱隧道为依托,采用钢弦式传感器,对围岩压力、锚杆轴力、钢支撑内力以及二次衬砌受力等进行系统测试与分析。结果表明:(1)在中墙墙顶与拱部的结合处以及在墙底与仰拱的结合处,围岩压力的波动比较大,最大压力值分别为195 kPa、115 kPa。位于围岩级别过渡段的隧道仰拱中心处的压力值较大,最大值为267 kPa,隧底出现较大底鼓趋势。围岩压力整体呈"双马鞍形"分布;(2)深埋段竖向围岩压力实测值与《公路隧规》中按连拱隧道半跨计算的结果比较接近。浅埋段按不同围岩压力计算公式得到的压力值均大于实测值,采用太沙基公式得到的压力值与实测值相对接近;(3)该黄土连拱隧道的初期支护与二次衬砌的荷载分担比例为47.66%和52.34%,二次衬砌处于明显的承载状态;(4)锚杆轴力较小,呈"鱼肚形"分布。钢拱架承受的荷载较大,在钢拱架强支护的作用下,锚杆发挥的作用有限;(5)中墙扭矩的存在,验证了黄土隧道中纵向效应的存在,在设计与施工的过程中应该加以重视。     

水平小净距隧道中夹岩安全系数法研究与应用北大核心CSCD

中夹岩柱是小净距隧道围岩稳定控制的关键部位,判别中夹岩的安全性是工程设计和施工过程中的重难点。文章通过分析不同围岩级别、埋深情况下中夹岩的破坏模式,建立Ⅳ级围岩条件下水平小净距隧道中夹岩力学分析模型,并确定中夹岩破裂面位置。根据中夹岩上部滑块体形状的不同分为两种情况,通过边坡稳定性原理、极限平衡假设及普氏压力拱理论推导中夹岩上部滑块体的抗滑力、下滑力以及安全系数的计算公式,从而建立起评判中夹岩安全性的安全系数法,并结合数值模拟对其进行验证。将经验证后的安全系数法应用于某实际隧道工程,判断其中夹岩安全性,得出该隧道中夹岩破坏临界厚度为6 m,进而对6 m以下的中夹岩使用锚杆进行加固。     

浅埋大跨径软土地层公路隧道下穿既有铁路车站路基施工技术

针对浅埋大跨径公路隧道近距离下穿既有铁路车站安全系数低的现状,文章以东孚隧道下穿既有厦深铁路站场区段工程实例为依托,通过理论分析、技术比选,提出了以"运用管幕法对隧道开挖方向围岩土体进行加固+挖孔桩上设承台作为临时支墩+挖孔桩结构选型与安全性检算+架设24 m D型便梁将既有铁路轨道托起+纵、横抬梁加固钢轨+弧形导洞预留核心土开挖+加固效果沉降监测与分析"相结合的施工技术总体方案。工程应用效果表明,加固效果显著,可快速、有效地限制隧道下穿区段地层沉降量,拱部管幕可以起到承载作用,D型便梁可减弱管幕体系所承受的外部荷载,大大提高了下穿隧道与既有铁路运营的安全系数,达到了预期效果。     

上坪格隧道塌方原因分析及处治措施研究

针对福建省漳永高速公路上坪格隧道塌方案例,文章在分析其塌方机理的基础上提出了相应的工程处治措施,并采用荷载-结构法对变更后塌方段初期支护和二次衬砌强度进行了验算。分析结果表明:不良地质、较差施工质量和不合理开挖工法是导致隧道塌方的主要原因;在塌方荷载作用下,初期支护和二次衬砌弯矩较大值发生在拱顶、左右拱腰、左右拱脚和仰拱部位,这些部位在施工中应给予足够的重视;初期支护危险截面的最小安全系数为1.93。二次衬砌危险截面的最小安全系数为2.43。均大于国家隧道规范规定值,满足工程安全性要求。     

隧道内流水对联络通道冻结效果影响分析

为分析地铁联络通道冻结过程中隧道内流水对联络通道冻结效果的影响,文章以广州地铁某联络通道冻结施工为例,通过工程实测与数值模拟,分析了隧道内流水对管片与土体交界处温度及土体温度的影响。结果表明:当隧道内有流水时,对上部管片与土体交界处的温度影响不大,下部管片与土体交界处的温度会明显升高,且越靠近隧道底部,平均温度相差越大;相同深度流水上游管片与土体交界处平均温度明显高于下游;当隧道内流水流速度变大时,管片与土体交界处平均温度升高,且流水速度对下游平均温度的影响明显大于上游;冻结过程中,隧道内流水对管片壁后2 m深度内的土体温度产生影响。     

粉煤灰地层大断面连拱隧道开挖进尺研究

粉煤灰地层具有结构松散、强度低、孔隙率大、物理不均匀等特点,隧道穿粉煤灰地层工程地质差因此施工难度大.本文依托盐坪坝隧道研究了开挖进尺对围岩稳定性的影响,利用Rhinoceros建立盐坪坝隧道大断面连拱隧道的网格模型并导入FLAC3D软件中进行数值计算,研究表明:当进行上台阶环形开挖时围岩变形出现突变,开挖进尺对隧道拱顶、拱肩位移影响较大,开挖进尺从2.0 m增加到3.0 m时拱顶变形增加1.09 mm,拱肩变形增加0.9 mm,远大于开挖进尺从1.0 m增加到2.0 m时的变形,考虑开挖安全和施工进度,最终选用2.0 m为施工循环进尺.     

多心圆拱隧道支护结构内力反演分析的理论研究

在施工环境下对多心圆拱隧道支护结构的内力分布特征进行研究,是保证隧道施工安全的关键措施之一。文章采用弹性地基曲梁理论,基于初参数法和现场围岩量测压力,从理论上推导了多心圆拱隧道支护结构内力计算的反演表达式,并结合集呼高速旗下营隧道某断面围岩压力的实测数据,反演了隧道衬砌结构的内力分布情况,对衬砌结构的薄弱部位进行了安全性评价。结果表明,隧道BG弧段衬砌结构弯矩和剪力较大,在施工过程中应加强该部位的现场监测工作;隧道拱顶部位混凝土可能出现弯拉造成的开裂现象,应注意加强观测。     

复合地层中浅埋盾构隧道开挖引起的地层位移及应力预测分析

为揭示复合地层中浅埋盾构隧道开挖引起的地层位移及应力,文章基于Покровский当层法,将该问题等效为求解均质地层位移及应力分布问题,结合Loganathan修正公式,推导了复合地层中浅埋盾构隧道开挖引起的地层位移、应变和应力分量表达式,构建了地层位移场分布预测模型。同时基于理论预测模型,对比分析了工程实例的预测位移与实测数据的差别,讨论了上下层土体弹性模量比n、地层深度z和土体泊松比μ对隧道开挖的影响;在分析含软弱夹层隧道开挖问题时,提出了软弱夹层等效厚度K的概念。研究结果表明:随着n的增加,地表最大沉降值Smax、地表附加水平应力σx和竖向应力σz的最大值均有所减小;随着z的增加,地层最大沉降值有所增大;随着μ的增加,Smax有所减小,地表附加水平拉应力σx和竖向应力σz的最大值有所增加;当软弱夹层等效厚度K增加,Smax有所增加;隧道施工时,上硬下软地层产生位移及应力扩散现象,上软下硬地层产生位移及应力集中现象。     

静荷载下水平岩层隧道围岩力学行为研究

为研究水平岩层厚度和施工方法对隧道围岩力学行为的影响规律,文章基于数值计算软件Midas-GTS建立隧道三维数值模型,通过对比六种不同水平岩层厚度和施工方法工况下的围岩上各监测点的数据,明确在全断面法和台阶法施工下,水平岩层厚度改变对围岩各监测点竖向位移、竖向应力和剪切应力的影响规律。研究得出：全断面法和台阶法施工对隧道围岩的变形和受力的影响均不大,隧道围岩力学行为基本一致,综合考虑效率和经济性可采用全断面法施工;水平岩层厚度对围岩变形影响较大,围岩各监测点的竖向位移随岩层厚度增加而增大,当水平岩层最小时,隧道变形最小,具有更好的稳定性;隧道围岩拱肩处剪切应力最大,拱脚处最小,其余位置数值较小;水平岩层厚度的变化会引起隧道围岩力学行为较大改变,围岩应变随岩层厚度增加而增大,因此实际施工中应注意水平岩层厚度过大时的施工安全问题。     

超载对淤泥质地层隧道结构受力性能影响分析——以苏通GIL综合管廊越江盾构隧道为例

依托苏通GIL综合管廊越江盾构隧道,针对运营期岸坡段可能出现的地表超载问题,文章通过建立三维有限元精细化分析模型,研究了不同超载形式下管片结构的变形与裂损特征,分析了断面收敛变形、接缝张开、结构内力随堆载的发展规律,揭示了大面积堆载、局部堆载两种超载模式下结构的损伤演化机理,提出了地表超载控制标准。针对穿越淤泥质粉质粘土的大直盾构隧道,研究表明:(1)大面积堆载工况下隧道变形破坏过程分为三个阶段,分别以设计荷载、拱腰内侧钢筋受压屈服为分界点,第一阶段表现为弹性受力,第二阶段为带裂缝工作的塑性阶段,第三阶段为加速变形失稳阶段,破坏时表现为拱腰受压屈服,竖向收敛为110.5 mm,接缝基本未张开;(2)局部堆载工况下隧道受力同样分为弹性、塑性及加速变形失稳三个阶段,分别以设计荷载、拱腰外侧钢筋受拉屈服为分界点,破坏表现为顶底受拉破坏,竖向收敛152.6 mm,接缝张开4.36 mm;(3)大面积堆载模式下地表附加荷载的预警值为110 kPa,局部堆载模式下地表附加荷载的预警值为70 kPa。