深路堑内浅埋层状软岩隧道锚特性试验研究

研究目的:浅埋层状软岩隧道锚锚塞体与围岩相互作用的变形特征及承载机制复杂,难以用规范或工程类比进行分析研究,为研究隧道锚的变形规律、破坏特征及承载特性,通过现场开展1∶10缩尺模型试验,确定隧道锚的变形特征及承载力安全系数,探明软岩、浅埋、层理面等因素对隧道锚的影响,最终对隧道锚进行安全稳定性评价。研究结论:(1)在各级荷载下,隧道锚的变形从后锚面开始产生并向四周围岩衰减,锚体与左右侧围岩的变形呈较规则的对称双驼峰形;(2)在设计荷载下,锚塞体的变形最大,最大变形值为0.054mm,根据相似原理获得原型隧道锚在运营期的最大变形为0.5 mm;(3)隧道锚的极限承载力高达18倍设计荷载,锚塞体在极限荷载下致使正上方浅埋岩体发生斜向上拱起破坏,破裂面由层理面原始裂缝扩展延伸,致使破坏范围超过4倍洞径;(4)隧道锚的变形限值和围岩安全系数均满足规范要求,验证了隧道锚的安全稳定性;(5)本研究成果可为油溪长江大桥隧道锚系统安全评估提供可靠的依据,也可为相关工程提供技术参考。     

软岩地区悬索桥隧道锚设计研究

研究目的:重庆几江长江大桥采用地锚式悬索桥,北岸隧道式锚碇位于软岩地区,在软岩地区建造隧道锚可供参考的资料和研究成果较少。本文通过对该隧道锚进行数值分析、现场缩尺模型试验、稳定性加强措施等一系列研究,掌握软岩地区隧道锚与围岩系统的破坏模式和变形机制,以期为软岩地区隧道锚的设计提供技术支持。研究结论:(1)数值分析表明,7倍设计荷载是锚体位移的一个突变点,即隧道锚稳定安全系数不小于7;(2)通过1∶10现场缩尺试验,8倍设计荷载为锚体的屈服荷载,试验成果与数值分析结果基本一致;(3)通过设置剪力块、加劲工字钢架等措施,隧道锚的整体抗剪强度由7.0提高到9.0;(4)本研究成果可为软岩地区悬索桥隧道锚设计提供参考和借鉴。     

悬索桥隧道锚承载力的室内模型试验研究

综合相关研究结论和工程实践经验,考虑影响隧道锚承载力的主要因素即锚碇尺寸、锚碇埋深和围岩条件,依据相似理论进行室内对比模型试验。通过对隧道锚的锚体及其围岩进行应力和变形观测,从试验现象和数据分析2个方面研究锚体结构受力机理以及围岩变形机制等。研究结果表明:隧道锚的抗拔承载力对围岩条件的改变最为敏感,其次是锚碇埋深,对锚碇长度并不敏感。从模型试验的破坏过程来看,隧道锚的破坏可总结为2种典型破坏模式。试验结果可为依托工程的设计与建设提供基本依据,试验结论可为进一步推广隧道锚在工程中的应用积累经验。     

围岩附加拉力对隧道锚蠕变特性的影响研究

研究目的:为研究围岩附加拉力对悬索桥锚碇蠕变特性的影响,结合雅康高速泸定大渡河特大悬索桥雅安侧岸坡隧道锚工程区特定地质条件,依据相似理论,开展隧道锚1∶10原位缩尺模型蠕变试验。根据悬索桥锚碇工作原理,将围岩对锚碇的附加拉力嵌入传统四元件Burgers蠕变模型而得到修正后的锚碇蠕变本构方程,并对修正后的蠕变本构方程进行参数敏感性分析。研究结论:(1)模型锚蠕变试验值和利用修正后的蠕变方程计算出的锚碇最终应变量在量值和变形趋势上都较为相似,表明锚碇蠕变分析中应计入围岩对锚碇附加拉力的影响;(2)修正后的蠕变方程中弹性模量较黏性系数影响显著;(3) Maxwell模型弹性模量较Kelvin模型弹性模量对蠕变结果的影响敏感,Kelvin模型黏性系数较Maxwell模型黏性系数对蠕变结果的影响敏感;(4)本研究成果不仅能为泸定大渡河特大悬索桥隧道锚系统安全性评估提供可靠依据,也可为同类型工程提供技术参考。     

铁路隧道施工围岩变形安全等级的研究与应用

研究目的:我国在建铁路隧道有4 000余座约8 000 km,近年来隧道塌方事故时有发生,造成了一定的人员伤亡、经济损失和社会影响。建立铁路隧道围岩变形安全等级,用于现场管理十分重要。通过调研国内外研究成果,分析安全监测数据,辅以理论计算,以初期支护的安全度为基础,制定了铁路隧道变形控制安全等级管理数值。研究结论:(1)现有铁路隧道围岩变形安全等级管理与国际基本不接轨;(2)利用规范建议的设计参数,采用数值模拟计算,Ⅳ级围岩隧道开挖支护后拱顶沉降为11 mm、V级围岩为19 mm,而现场实测远大于该数值,因此,隧道围岩变形主要受控于开挖工法、初期支护施作质量以及初期支护闭合的及时性;(3)按变形总量和变形速率对隧道围岩变形进行预警二级、预警一级管理,变形总量Ⅲ级分别为40 mm、80 mm,Ⅳ级分别为50 mm、100 mm,V~Ⅵ级分别为75 mm、150 mm,变形速率分别为5 mm/d、10 mm/d;(4)研究成果可用于铁路隧道施工围岩变形监控量测安全管理。     

隧道式锚碇与上覆隧道相互作用的力学性能研究

采用三维显式有限差分程序(FLAC3D),对南溪长江大桥泸州岸隧道式锚碇及上覆公路隧道各施工过程进行数值模拟,研究不同工序下各施工阶段支护结构的内力响应以及围岩体的应力场与位移场分布规律等力学行为.结果表明,锚碇与隧道的相互作用影响区域集中在锚室前端及上覆隧道洞口段范围内,且影响程度随两者之间距离的增大迅速减小;在设计主缆荷载作用下,上覆隧道洞口段发生向上位移,但量值相对较小,对隧道受力影响不大;复合锚碇体系的力学响应主要集中在锚固段始端3.5～4.0 m以及锚塞体与岩体接触面1.5～2.5 m附近区域;施工过程中应对隧道及锚室入口等浅层区域岩体、锚室及锚塞体开挖空间侧墙与拱腰等部位岩体进行加固;从岩体塑性区发展及支护结构受力状况来看,先建锚碇后修隧道的工序更加合理.     

高地应力软岩隧道合理支护方案试验研究

研究目的:基于高地应力软岩隧道在施工过程中产生大变形的问题,采取包含传统喷锚支护在内的三种支护方式现场进行试验研究,根据围岩变形、围岩压力、钢拱架应力和二衬混凝土应力等监测结果,分析兰渝铁路新城子隧道试验段的稳定性并选择适宜的支护方案。研究结论:(1)采用传统的喷锚支护方式难以有效解决高地应力软岩隧道施工中围岩的大变形问题;(2)采用环向注浆加固围岩+型钢拱架初支可以在一定程度上改善围岩的条件,减小围岩变形和钢拱架应力以及二衬混凝土应力;(3)采用双层初支,即采取先让后抗的支护方式,既可以吸收一部分围岩变形,减小初支的变形和钢拱架应力,同时也可以提供稳定的支护力,使二衬受力也相对较小,因此采用双层初支对控制高地应力软岩隧道的大变形具有明显优势;(4)本研究成果可为高地应力软岩中类似工程施工支护方案的选择提供参考。     

正断层错动作用下矿山法隧道受力变形机理的模型试验研究

为研究正断层错动作用下矿山法隧道的受力变形机理,以胶州湾第二海底隧道穿越沧口断裂为工程背景,采用自研的大比尺穿越断层隧道结构破坏加载试验装置,针对设置柔性连接变形缝和变形缝间距对隧道结构抗错断效果的影响,开展几何相似比为1∶40的矿山法隧道穿越倾角70°的正断层错动模型试验,对错动试验过程中的隧道变形、应变分布、围岩接触压力和破坏特性等关键指标进行监测,分析获得了正断层错动作用下隧道变形和力学响应规律。研究结果表明：(1)隧道在正断层错动作用下,呈现纵向拉弯+竖向挤压的受荷模式,在下盘邻近断层面处拱顶部位和上盘邻近断层面处仰拱部位出现脱空区;(2)隧道开裂主要以纵向贯通裂缝为主,近断层面处衬砌还出现了部分斜向裂缝和环向裂缝;(3)节段间的连接形式和节段长度不会根本上改变隧道在断层错动作用下的受荷模式和变形模式,但节段间刚度越小,节段长度越小,结构对于地层强制位错的适应性就更好;(4)相比于刚性连接,节段间的柔性连接吸收了大部分地层强制位错,有效降低衬砌节段的荷载和变形,使结构趋于安全。     

大跨悬索桥隧道锚设计及试验研究

研究目的:本文以油溪长江大桥主跨760 m悬索桥的隧道锚为例，分别采用理论计算、数值模拟及原位试验，对隧道锚的受力机理、破坏形态进行研究，并介绍试验方法及流程，详细分析试验结果，以期为设计优化提供依据。研究结论:(1)理论公式计算的隧道锚安全系数偏保守，主要原因是公式忽略了围岩和锚塞体相互作用的有利因素，且一般地勘报告提供的岩土参数也偏保守，与原位岩土试验参数有一定差距；(2)数值模拟也受围岩参数取值影响较大，与试验结果误差较大，但可作为前期设计参考；(3)根据缩尺模型试验，油溪长江大桥原设计40 m长锚塞体，峰值强度为18P,屈服强度为11P,比例极限强度为4P,富余较大，可适当缩减尺寸进行优化；(4)本研究成果可为大跨悬索桥隧道锚设计及试验提供借鉴和参考。     

重力式锚碇水平极限承载力估值公式探讨

研究目的:当前基于摩擦设计的重力式锚碇的水平极限承载力估值偏保守,没有考虑锚碇结构与地基协同作用,联合承载的估值结果与实际偏差较大。本文利用平硐岩基摩擦试验、重力式锚碇基底深部位移监测和数值仿真试验等手段,探讨重力式锚碇与岩基的协同作用和联合承载机制。研究结论:(1)极限试验破坏形态揭示了重力式锚碇不是单纯的摩擦承载,而是锚-岩联合承载;(2)锚碇-岩基联合极限承载分为两个阶段和三个效应,初期为基底摩擦极限承载,摩擦效应;之后,前部齿坎夹持岩体剪切破坏极限承载,锚岩系统联合承载性能达到极限,夹持效应;基底上覆土重量对上述两部分都有提高,回填效应;(3)提出了考虑上述效应和联合承载机制的重力式锚碇水平极限承载力估算公式,经工程案例检验,公式极限估值9.6P与数值仿真确定的极限值8.0P接近,说明公式精度有保证,符合实际破坏模式;(4)该研究成果可用于新型重力式锚碇的设计和安全监控领域。     

悬索桥隧道锚与下方公路隧道相互作用分析

隧道锚、公路隧道叠置使锚址区受力十分复杂,研究锚、隧的相互作用十分必要足尺模型试验难以实现,而数值分析是一条有效途径以我国首座大跨径悬索桥隧道锚为研究对象,基于实测综合确定的岩体参数,用三维弹塑性有限元法对包括下部公路隧道施工、隧道锚开挖、浇注、预应力施加、挂缆等全部工序进行了模拟,该围岩和锚体混凝土离散为8节点三维实体单元,隧道和锚碇的喷射混凝土及二次衬砌离散为4节点三维壳单元用读入应力法建立复杂构形的初始应力场。结果表明：在锚、隧间距合适时,施工期间两者的相互作用不突出;隧道施作时锚体区竖向位移与设计缆力作用的位移值对比表明,先施工公路隧道后施工隧道锚的工序是合理的;隧道锚的施作对隧道围岩位移影响微弱为大桥和隧道的设计与建造提供了可靠依据。     

金沙江特大桥岩体结构特征及地质力学分析

研究目的:丽(江)香(格里拉)线金沙江特大桥为国内首座重载铁路悬索桥,桥址区岸坡高陡,构造发育,地震活动频繁,河谷地质结构复杂。通过地质调绘,平硐、垂直钻探,工程物探等勘察方法,查明岩体的结构特征,并对岩体进行地质力学分类,确定岩体的宏观力学参数,为锚碇建基面的选择和锚碇围岩稳定性分析提供科学依据。研究结论:(1)桥址区岩体经历强烈的构造作用、表生改造作用,形成了片理化带、卸荷带、风化带相互叠加的三重地质结构;(2)锚碇区域的岩体可分为(1)～(3)区,(1)、(2)区属于Ⅳ类不良岩体,不能承受较大的拉应力及剪切应力,(3)区属于Ⅲ类一般岩体,完整性较好,可以作为锚碇的持力层;(3)基于Hoek-Browm准则获得的岩体力学参数是合理的、可靠的,可用于可研、初步阶段桥梁方案的论证及锚碇围岩稳定性分析;(4)本研究结论对高山峡谷区桥梁工程的勘察设计具有指导意义。     

基于变形潜势的挤压性围岩隧道控制技术研究

研究目的:随着铁路、公路交通网络建设的推进,挤压性隧道大变形现象十分突出,常常伴随着大规模的变形破坏,变形控制难度极大。挤压性围岩隧道变形控制的主要难点是如何划分变形潜势等级、确定支护体系和施作时机。本文结合以往挤压性大变形隧道建设经验,对挤压性围岩隧道上述基本问题进行深入的分析探讨,达到控制变形的目的。研究结论:(1)基于应力场分布特点,将挤压性围岩隧道变形分为"应力型"、"构造型"、"复合型"三种类型;(2)变形潜势是指围岩内部潜在应变能的强弱,可根据变形总量将变形潜势分为"常规、轻微、中等、强烈";(3)变形潜势随变形速率的增大而增强,可根据支护初期变形速率评价变形潜势强弱、围岩与支护体系适应性;(4)揭示了挤压性围岩隧道长、中、短锚杆的作用机理,提出了锚固体系施作时机,确定了合理的钢架的形式、预留变形量;(5)提出挤压性围岩二次衬砌施作时机可按2～4 mm/d控制;(6)本研究能够为挤压性围岩隧道的设计及变形治理提供参考。     

断层错动下隧道的变形特征与重点设防区段

针对活动断层错动下隧道安全性难题，以常见的马蹄形隧道为例，通过开展室内模型试验以及三维数值仿真计算，分析活动断层错动下隧道变形特征，确定重点设防和监测区段以及隧道断面上的重点监测位置。结果表明：活动断层走滑错动下，围岩、衬砌沿隧道走向变形规律基本一致，即上盘区域整体变形保持一致，与施加的断层错动量大小基本一致；围岩、衬砌的整体变形沿隧道纵向呈逐级递减趋势，最后稳定且趋于0。随着错动量的增大，断层错动的影响区域逐渐扩大，变形递减的斜率逐渐增大，围岩变形沿纵向变化模式逐渐由指数衰减向线性衰减过渡，当走滑量小于等于1 m时，围岩的潜在破坏区域约为30 m；随着错动量增大至2、3、4 m时，围岩变形近似呈线性且向远离断层方向逐渐衰减。建议监测穿越活动断裂隧道时对断层上盘30 m内重点变形监测，监测隧道断面时根据实际情况适当加强拱腰的应力监测。     

基于荷载结构法的隧道初期支护设计方法研究

研究目的:现有隧道初期支护的设计方法主要有工程类比法、地层结构法、特征曲线法等,这些方法在实际工程应用中均存在一定的局限性和困难,且没有提出明确的安全系数要求,导致设计的可靠性降低,不便于设计应用,因此有必要研究便于量化设计并具有明确安全系数的荷载结构法。研究结论:(1)本文所建立的初期支护荷载结构模型,可以得出初期支护的具体安全系数;(2)在锚杆长度满足模型三所需安全系数的前提下,喷锚组合支护的安全系数由喷层和锚杆各自的安全系数相加而成;(3)初期支护的最小安全系数取值需要根据计算模型的计算精度、初期支护的设计作用以及隧道工程的特点等因素综合确定,建议初期支护作为承载主体时为1.8～2.1,作为临时支护时为1.3～1.5;(4)现行时速350 km高速铁路双线隧道深埋Ⅲ、Ⅳ级围岩支护参数的安全性计算结果表明,当初期支护作为承载主体时,Ⅲ级围岩支护参数具有一定的优化余地,Ⅳ级围岩支护参数能适应400 m以内埋深;当初期支护仅作为临时承载结构时,Ⅳ级围岩支护参数能适应1 000 m以内埋深;(5)隧道埋深对围岩压力影响较大,建议按照不同埋深进行初期支护设计,以提高经济性;(6)本研究结果可为隧道初期支护设计提供思路和方法。     

高速铁路隧道围岩力学参数反演研究

研究目的:隧道围岩是一种非均质、不连续的地质体,其力学参数的确定直接关系数值模拟结果的准确性。针对隧道围岩力学参数难以有效获取的问题,本文依托阳山高速铁路隧道,采用FLAC~(3D)对隧道施工过程进行数值模拟,并基于遗传算法(GA)优化的支持向量机(SVM),研究高速铁路隧道围岩力学参数反演方法。在此基础上,建立隧道有限差分模型,分析不同台阶长度施工时围岩的变形、应力分布及破坏形态。研究结论:(1)围岩拱顶沉降模拟结果与实测值基本吻合,验证了所建立的隧道围岩力学参数反演模型的可行性;(2)当施工台阶的长度大于6 m时,隧道围岩稳定性急剧降低,不利于人员安全及隧道有序施工;(3)本研究结论可为后续施工提供可靠依据,同时可为隧道施工的稳定性分析提供参考。     

硬岩地层浅埋暗挖隧道成拱效应分析

研究目的:随城市化进程步伐的加速,浅埋暗挖法地铁隧道修建作为发展地下交通的重要手段。为研究浅埋暗挖隧道成拱效应,本文以青岛地铁工程的修建为研究对象,通过复变函数法弹性解析解及围岩应力和位移解析解计算围岩压力反推拱顶可承载厚度;通过拱盖变形量反推隧道拱盖承受的上覆荷载,进而说明在浅埋隧道也存在"成拱效应"。本文采用理论推导和数值模拟方法对浅埋暗挖隧道成拱效应进行模拟分析,并结合某车站现场实测数据进行说明。研究结论:(1)浅埋暗挖隧道围岩自身能承担上覆地层80%多的荷载,证明硬岩地层浅埋暗挖大跨车站也存在显著的自成拱效应,在设计与施工中需重点考虑;(2)硬岩浅埋隧道在一定覆岩厚度条件下存在成拱效应,围岩承受了大部分载荷,初支承受的荷载很少,印证浅埋大跨车站成拱效应存在;(3)本文研究结果可为今后硬岩地区浅埋暗挖隧道施工提供理论参考依据,并为类似隧道工程的施工与设计提供参考。     

基于能量释放的隧道抗错结构计算方法研究

研究目的:针对高烈度区断层错动过程中隧道结构的稳定性问题,从能量释放和耗散角度探讨隧道抗错断设计计算方法。首先,根据最大错动量计算围岩达到稳定时可释放的应变能;其次,根据材料的荷载-挠度曲线及塑性区范围内单位应变能确定衬砌结构及围岩可吸收的应变能;最后,在给定的安全度条件下对“围岩-隧道”系统的稳定性给予判别。研究结论:(1)基于能量释放及耗散原理,推演黏滑断层隧道错动时可释放应变能的计算公式,建立基于可释放应变能的隧道衬砌结构抗错设计计算方法,可用于隧道抗错断设计;(2)基于可释放应变能的隧道衬砌结构抗错设计计算方法结果较规范安全度提升17%以上,偏于安全;(3)“SBFRC+交错设置减错缝+减震层+初支扩大拱脚+二衬拱脚增厚”,可作为实际跨断层段隧道抗错实施方案。     

高性能快速张拉预应力锚索新技术

研究目的:京张高铁八达岭长城站大跨过渡段隧道最大开挖宽度32.7 m,最大开挖面积494.4 m~2,是目前世界上开挖宽度和开挖面积最大的交通隧道,施工难度大,安全风险高。隧道初期支护体系主要通过预应力锚杆、预应力锚索和喷射混凝土实现。采用传统的锚索施工工艺,经试验测试,锚索拉力不能满足设计要求,同时需要30 d左右时间才能实现预应力张拉。因此,需要研究高性能快速张拉预应力锚索新技术,以有效控制隧道围岩变形,保证施工安全,提高施工效率。研究结论:(1)采用传统锚索施工工艺,锚索拉力值主要受锚索与注浆体之间的握裹力、注浆体与围岩之间的粘聚力所控制;(2)采取增加"锚固结",锚索与注浆体之间的握力可提高约2倍;采取6～7 MPa高压注浆工艺,注浆体与围岩之间的粘聚力可提高约1.5倍;(3)采用改性硫铝酸盐水泥浆液,浆液强度1 d内可以达到30 MPa以上,从而实现了注浆完成后1 d时间内锚索快速张拉;(4)本研究成果可在类似预应力锚索施工工程中借鉴应用。     

挤压性围岩隧道变形潜势的判定

研究目的:挤压性围岩隧道的工程难点主要是变形潜势的判定,以往主要利用岩石(岩体)的强度应力比来评价围岩的变形潜势,理论上概念明确,但在挤压影响严重段,围岩地应力和岩体强度很难实测,且受构造作用影响,岩体的强度时高时低、变化频繁,具有很大的不确定性,现场难以据此进行变形潜势判定。因此,有必要进一步研究变形潜势的判定方法,便于施工现场操作。研究结论:(1)勘察阶段可按岩石单轴抗压强度和最大初始地应力值之比对挤压性围岩变形潜势进行宏观预判;(2)设计阶段可按岩石(岩体)的强度应力比来评价围岩的变形潜势,划分变形等级,进行预设计;(3)施工阶段可按围岩完整程度和开挖后变形速率对变形潜势进一步进行判定;(4)变形速率可作为主要评价指标,对支护参数与围岩的适应性进行评价,动态调整支护参数;(5)本研究结论可为铁路挤压性围岩隧道的设计与施工提供思路和方法。