隧道穿越红黏土接触带初期支护优化研究

研究目的:不同岩性接触带地质条件复杂,围岩软硬不均,隧道变形与常规地层隧道有所不同。本文以贾塬隧道穿越红黏土与砂岩夹泥岩接触带地段为依托,建立相应数值模拟分析模型,对初支厚度、拱架间距、锚杆长度和间距在控制围岩变形和初支应力方面的效果进行分析。研究结论:(1)隧道穿越红黏土与砂岩夹泥岩接触带时,开挖扰动引起的洞周变形占总变形量较大;(2)初期支护厚度和钢拱架间距两个参数对隧道变形和初支应力控制效果明显;(3)边墙锚杆的长度和间距对隧道变形影响不明显;(4)该成果可为隧道穿越不同岩性接触带时的支护参数优化提供参考。     

地震作用下隧道衬砌背后空洞影响机制研究

研究目的:由于隧道衬砌背后空洞的存在对隧道抗震影响很大,本文以高烈度地震区的敦煌-格尔木铁路阔克萨隧道为研究背景,研究隧道衬砌背后空洞位置、空洞大小、围岩级别和隧道埋深等因素对隧道结构的地震动力响应规律及影响机制,并提出合理的加固方案,确保地震作用下隧道运营安全。研究结论:(1)空洞的存在降低了衬砌结构的变形性能和抗震特性;(2)对空洞隧道拱顶最大主应力影响最敏感的因素是围岩级别,其后依次为空洞环向大小、空洞位置、空洞径向大小和空洞轴向大小,而隧道埋深则是最不敏感的因素;(3)回填注浆加固方案可降低隧道衬砌的拉应力,改善衬砌的内力和应力分布,回填注浆+套拱加固方案要比回填注浆+锚杆方案作用效果好,回填注浆+锚杆+套拱组合加固方案抗震效果最佳;(4)本研究成果对隧道衬砌背后存在空洞时在地震作用下的空洞影响机制和加固方案选取具有一定的指导意义。     

震后千枚岩与板岩互层隧道开挖变形控制技术

研究目的:汶川至马尔康高速公路鹧鸪山特长隧道洞身通过千枚岩与板岩交互围岩,软硬不均地质频繁突变形成交互地层,受"5·12"强震及不定余震影响,岩体褶皱曲折,层间地下水渗透软化千枚岩,而板岩节理面光滑,千枚岩软化层极易出现似"流体状态"的滑流,造成变形坍塌。为解决鹧鸪山隧道施工的变形坍塌难题,本文通过优化开挖方法和支护参数展开研究。研究结论:(1)类似地层施工应遵循"先柔后刚、先放后抗、及时封闭、径向注浆加固、控制变形"的原则;(2)千枚岩遇水极易软化流失溜坍导致较大变形,提出类似水文地质隧道开挖预留变形值宜控制在20～35 cm;(3)宜采用三台阶预留核心土法开挖,台阶长度控制在3～5 m,台阶总长控制在25 m内,仰拱初支应及时封闭成环,其与掌子面距离宜控制在25 m内;(4)超前支护宜采用自进式中空注浆锚杆加固围岩;(5)富水地段应在初支背后加密埋设环向排水管,将初支背后散水归位,同时应充分考虑隧道突涌水量和营运排水需求,确定适宜的排水沟断面尺寸;(6)本研究成果可为川藏地区类似隧道工程的设计与施工提供参考和借鉴。     

冰水堆积体隧道施工过程变形与受力分析

为探明冰水堆积体公路隧道施工期间围岩变形和支护体系特性,以在建国道317线雀儿山隧道为工程依托,通过现场实验对冰水堆积体围岩物理力学参数及施工特性进行分析,采用现场测试方法对施工过程中隧道地表下沉和洞周变形,锚杆轴力、钢拱架内力、围岩-初期支护接触压力等支护体系特性进行研究。结果表明:(1)冰水堆积体围岩隧道粒度粗细悬殊且粗细混杂岩性变化大,垂直方向上主要分为冰水积含碎石砂卵砾石层和冰漂砾块碎石层;(2)水平方向上围岩构成和分布是影响锚杆轴力、拱架内力、围岩与初支的接触压力变化及分布的主要影响因素;(3)采用三台阶预留核心土法施工安全可控。     

新近系富水砂岩隧道注浆加固圈厚度研究

新近系富水弱胶结砂岩地层隧道在施工过程会破坏围岩稳定，进而出现突水和涌沙病害，在砂岩地层进行注浆加固是保障隧道安全的关键。以宁夏中卫某富水砂岩隧道为依托，采用FLAC 3D建立计算模型，探明不同注浆圈厚度对围岩的影响。结果表明：隧道注浆圈厚度为3 m时，围岩累计周边收敛值和拱顶沉降值分别为35.3 cm和30.9 cm，满足设计允许变形值。随着注浆圈厚度的增加，注浆加固效率先增大后减小，但施工难度及工程投资显著增大。综合考虑隧道施工的安全性、简便性及经济性，当围岩含水率为塑限范围及以下时，建议注浆圈厚度为3 m；当围岩含水率为塑限及液限范围之间时，建议注浆圈厚度为4 m。研究结果可为富水砂岩隧道的结构设计和施工提供借鉴。     

隧道初期支护钢拱架的应力分布规律研究

隧道开挖时,由于地质条件的不确定性和复杂性,导致支护结构受力状态发生变化,因此掌握支护结构应力分布规律对于隧道工程安全施工具有十分重大的意义。以下穿渝湘高速公路的凤咀江铁路隧道为背景,利用数值模拟和实际监测研究不同围岩和不同拱架间距下隧道初期支护钢拱架的应力分布规律,研究表明:(1)Ⅴ级偏差围岩最大拱架间距取0.8m,Ⅴ级偏好围岩最大拱架间距可增大至1.0m;(2)从应力分布角度看,钢拱架内外侧应力大部分为拉应力,且钢拱架最大拉应力出现在拱脚处,最大压应力在拱顶处;(3)当围岩质量状况变差时,钢拱架应力和应力梯度会迅速增大,钢拱架受力不均匀性也会显著增加;(4)在Ⅴ级偏差围岩条件下,当增大拱架间距时,钢拱架应力会迅速增加,因此要严格控制好拱架间距。     

客运专线大断面隧道复合地层施工技术

渭河隧道全长10 016 m,为多种土体并存的复合地层,首先采用超前支护预注浆预加固围岩,多台阶划小施工单元进行开挖,减少软弱地层的临空面,增大受力面积,改良拱脚地层,提高其承载力,初支注浆作为一道单独工序纳入质量管理;其次动态调整围岩变形量,确定仰拱衬砌最佳施作时间,实现复合地层的安全顺利施工。     

开挖扰动及非达西渗流对隧道涌水的影响分析

研究目的:隧道开挖扰动对渗透系数的改变及扰动区的非达西渗流是影响隧道涌水预测精度的重要因素,为提高涌水预测精度,构建含扰动区的隧道涌水简化计算模型,基于地下水力学理论、非达西定律及线性叠加原理推导涌水量及结构外水压力计算表达式,并进行退化分析,后对特征参数进行敏感性研究,最后通过与现场实测数据对比检验构建模型的合理性及公式推导的正确性。研究结论:(1)扰动区厚度及渗透系数的增加,减弱了围岩的阻水能力,导致隧道涌水量增加,提高施工技术水平,降低扰动程度与扰动范围可减弱扰动区围岩渗透系数的变异性,对隧道运营期阻水有积极作用;(2)适当提高注浆圈的抗渗性能可有效降低隧道涌水量,但随注浆圈抗渗性能的增加,对隧道涌水量降低的作用逐渐趋于平缓;(3)考虑扰动区对围岩渗透系数的改变及非达西渗流影响时,涌水量预测误差可由8.9%降低为4.2%;(4)本研究成果可为考虑开挖扰动对隧道涌水影响的研究提供理论指导。     

深埋黄土隧道初期支护破坏模式研究

研究目的:分析初支结构在施工过程中的破坏模式,对于研究深埋黄土隧道初支的受力机理以及优化隧道设计具有重要意义。本文以蒙华铁路阳山隧道工程为依托,通过水文地质情况、围岩压力、格栅应力等方面的分析,结合施工过程中初支结构的破坏情况,从而获得深埋黄土隧道初支结构的破坏模式。研究结论:(1)受老黄土节理发育影响,深埋隧道开挖过程中围岩容易产生较大的拱顶沉降,对初支结构造成的压力较大;(2)地表水的渗透会弱化老黄土节理面之间的强度,对围岩稳定性影响较大;(3)初支结构在拱肩部位的轴力值和弯矩值较其他位置偏大,容易发生小偏心受压的脆性破坏;(4)本研究成果可为深埋黄土隧道初支的受力机理研究和工程设计提供参考。     

强震区穿越软硬交界面铁路隧道结构抗震技术研究

高烈度地震区隧道洞口段穿越软硬交界面易遭受严重破坏,基于成兰铁路隧道工程,对洞口段软硬交界面隧道动力响应规律及其抗震设防措施展开一系列研究,得出双线铁路隧道洞口段穿越软硬交界面铁路隧道结构的动力响应规律;在基覆交界面处对比分析隧道减震层与渐进式注浆加固两种方案,得出在强震作用下隧道围岩渐进式注浆方案对衬砌结构具有良好的抗减震效果,大大减小隧道衬砌变形和应力峰值的结论。而隧道减震层方案对衬砌结构抗震性能提升较小,右线隧道拱腰和左线隧道拱腰受力最大,需加强隧道结构抗震加固措施。     

地震对交叉隧道影响机制及抗震方案研究

研究目的:因立体交叉隧道会同时受到来自入射、反射、绕射等地震波导致的震动,其所受影响相比一般隧道而言更大。因此,对立体交叉隧道受地震荷载作用下隧道结构动力响应规律进行定量分析,分析确定影响隧道结构主应力各因素敏感性,从而优化抗震方案。研究结论:(1)对立体交叉隧道净距、围岩级别、隧道埋深等因素对隧道结构加速度、应力以及位移的响应规律进行定量分析,得到隧道净距、埋深的增大和围岩变好对交叉隧道的抗震有利;(2)地震作用对交叉隧道的上跨隧道和下穿隧道影响敏感性大小都依次是围岩级别、隧道净距和隧道埋深;(3)改变隧道衬砌混凝土的强度抗震方案效果不明显,设置隔震层效果显著,但增加隔震层厚度对抗震影响较小;(4)本研究成果可为立体交叉隧道在地震荷载作用下的抗震设计提供指导。     

矿山法施工的近海地铁隧道围岩注浆圈参数选择

青岛地铁13号线井冈山路站至嘉年华站区间隧道敷设在近海区域。该区域围岩较为破碎,裂隙水与海水连通,隧道开挖后预测最大单位涌水量达31.2 m3/(m·d),故防水问题十分突出。借鉴类似工程,确定区间隧道初期支护单位渗水量允许值为0.3 m3/(m·d);采用隧道渗水量简化模型计算不同水头高度、围岩渗透系数、注浆圈厚度与渗透性对初期支护渗水量的影响;基于施工空间和效益对注浆圈厚度的限制,确定不同水头高度和围岩渗透性条件下的注浆圈厚度和渗透系数的合理组合;通过现场初期支护渗水量测试,验证了注浆圈参数的合理性。结果表明:Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级强风化—微风化等级岩层中,注浆圈合理厚度分别为3.75~6.00 m、3.5~6.0 m和0.75~2.75 m,合理渗透系数分别为岩层的0.5%~1.2%、1%~2%和2%。     

极小净距交叠隧道二衬支护控制研究北大核心

青岛地铁2号线枣李区间隧道下穿3号线泉李区间隧道,交叠段隧道围岩以强风化花岗岩为主,岩体破碎。为保证地铁正常铺轨及长期安全运营,开展了二衬支护控制研究。通过理论分析确定出二衬最佳支护时段,并提出三种二衬支护方案,利用数值模型分析各方案对交叠段围岩拱顶沉降、二衬结构变形及应力、塑性区形态特征的影响。最终提出交叠隧道二衬支护的最优方案为:在交叠区影响范围外,3号线在隧道初支变形趋于稳定后施作二衬;在交叠区段,2号线开挖完成且3号线二次变形稳定后对其施作二衬。模拟结果验证了理论分析的正确性,为交叠隧道二衬支护控制提供了技术指导。     

极小净距交叠隧道二衬支护控制研究

青岛地铁2号线枣李区间隧道下穿3号线泉李区间隧道,交叠段隧道围岩以强风化花岗岩为主,岩体破碎。为保证地铁正常铺轨及长期安全运营,开展了二衬支护控制研究。通过理论分析确定出二衬最佳支护时段,并提出三种二衬支护方案,利用数值模型分析各方案对交叠段围岩拱顶沉降、二衬结构变形及应力、塑性区形态特征的影响。最终提出交叠隧道二衬支护的最优方案为:在交叠区影响范围外,3号线在隧道初支变形趋于稳定后施作二衬;在交叠区段,2号线开挖完成且3号线二次变形稳定后对其施作二衬。模拟结果验证了理论分析的正确性,为交叠隧道二衬支护控制提供了技术指导。     

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。     

高烈度区高地应力软岩隧道抗震措施研究

高烈度区隧道不仅面临强地震作用，而且往往面临高构造应力及软弱岩体等复杂地质条件。本文依托丽香铁路隧道，基于高地应力软岩地质条件，采用数值模拟方法，以变形缝间距及加固范围为研究对象，分析不同措施下隧道变形、地震响应特征，并对高地应力软岩条件下隧道减震措施进行研究。结果表明：随变形缝间距增大，衬砌位移逐渐减小、加速度峰值增大，由于变形缝数量上的减少导致结构吸收地震能量能力减弱，变形缝间距为12 m时达到最佳抗震效果；注浆加固条件下，衬砌位移随加固圈范围增大逐渐减小，而加速度峰值呈现先减小后增大趋势，加固圈范围为3 m时抗震效果最佳。     

基于总安全系数法的隧道围岩压力代表值研究

研究目的:由于地质条件的千变万化、施工水平的差别、支护参数的不同,即使围岩条件相同,围岩压力在时空上也具有变异性,导致实际围岩压力难以确定,而采用总安全系数法设计时,仅需要寻找围岩压力的最不利情况。为此,提出深埋隧道采用围岩压力代表值作为设计支护力的理念,并对其计算方法与合理性展开研究。研究结论:(1)采用"围岩压力代表值"作为设计支护力,为解决安全系数设计法中实际围岩压力难以确定的问题提供了思路;(2)当埋深不小于10～15倍洞径时,建议采用无支护状态下隧道(等效为当量圆)顶部45°位置处塑性区边界至开挖轮廓线范围内的围岩自重作为围岩压力代表值;当埋深小于10～15倍洞径时,可取弹塑性有限元计算的拱部90°范围内的平均塑性区自重作为围岩压力代表值,该计算结果具有合理的安全性与经济性;(3)当软弱围岩的两端为较好围岩时,荷载具有空间效应,导致围岩压力代表值低于理论计算值,具体折减值与隧道洞径、软弱围岩的长度等因素有关,超前注浆加固圈具有明显的承载作用,可以显著降低围岩压力代表值;(4)本研究结果可为完善隧道支护结构的量化设计方法提供思路。     

高地应力板状软岩隧道大变形控制试验研究

研究目的:针对板状高地应力软岩隧道开挖的大变形问题,采用单层初期支护+双层二衬的结构形式进行支护,并进行现场试验,对初期支护、钢拱架以及两层二衬的变形与受力进行了测量,分析该支护结构在控制高地应力软岩隧道大变形方面的效果及该方案的可行性是本文的主要研究目的。研究结论:(1)传统的初期支护方式在控制高地应力软岩隧道的大变形方面效果不佳;(2)板状岩层的走向和岩层的倾角对高地应力软岩隧道开挖后的变形及受力会产生影响,一般来说,在垂直于板状软岩岩层(倾斜线)方向上的挤压力最大;(3)采用双层二衬结构,使初支与围岩一起产生变形而消除围岩的部分压力,第一层二衬起到强而稳定的支护作用并承担绝大部分的围岩压力,使第二层二衬受力很小而起到装饰作用,因此从高地应力软岩长期流变性的角度考虑,双层二衬结构对高地应力软岩隧道建成后的长期稳定性和安全运营具有很好的保障作用;(4)本研究成果可为类似工程的施工提供参考依据。     

铁路隧道底部混凝土质量评定的研究与应用

研究目的:铁路隧道底部是列车运营的承载结构,其质量缺陷极易诱发运营隧道发生底鼓、翻浆冒泥、无砟轨道道床板开裂等病害,从而严重干扰运输,影响行车安全,经济损失很大。因此研究评定铁路隧道底部混凝土质量缺陷等级和处理方案十分必要。研究结论:(1)隧道底部质量缺陷根本原因是现场管理薄弱,因此必须加强管理,加强检查与监督,避免隧道底部质量缺陷的发生;(2)采用缺陷面积比和缺陷厚度比评定铁路隧道底部结构质量缺陷等级,评定结果可分为轻微、较严重、严重、很严重、极严重5个级别;(3)针对不同的缺陷可对应采取注浆、注浆+锚杆、拆除重做的处理方案,采取拆换重做时,按小于衬砌台车长度3 m作为一次拆除长度单元,经有限元模拟计算和现场应用,对围岩、初期支护和二次衬砌影响不大,是安全的;(4)该研究成果可供铁路隧道底部混凝土质量缺陷等级评定和处理参考。     

风积沙地层明挖隧道支护优化及围岩压力研究

以拉林铁路嘎拉山隧道为研究对象,通过数值模拟对嘎拉山隧道进口段明挖基坑的支护参数进行比选,并对隧道洞口回填段的围岩压力进行现场测试.结果表明:设计时应充分考虑风积沙压缩模量较大的特性,避免施工中出现漏沙、涌沙等现象;最佳明挖基坑的支护参数是基坑围护结构厚度为1.00～1.25 m,横向支撑间距为7 m;围岩压力可以用土...