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。     

红黏土隧道围岩含水率变化及变形特征分析

银西高速铁路庆阳隧道洞身主要围岩为红黏土。本文通过现场监测,对庆阳隧道从初期支护开始近2个月内围岩含水率、钢拱架应力及围岩变形的变化规律进行分析。结果表明:红黏土隧道围岩含水率、钢拱架应力和围岩变形先增大而后趋于稳定;含水率和钢拱架应力的增长波动期一般为2～4周,围岩变形增长期一般为2周;含水率趋于稳定后拱顶和拱腰处围岩含水率明显小于拱脚和仰拱处;增长期围岩变形线性增大,变形基本稳定后拱顶沉降大于水平收敛;钢拱架承受围岩压力,对确保红黏土隧道围岩的稳定起着重要作用。     

深埋碳质板岩隧道采用不同开挖方法时围岩及初期支护变形特征

大理至瑞丽铁路高黎贡山隧道为深埋碳质板岩隧道,利用MIDAS/GTS建立数值模型研究该隧道开挖过程中围岩及初期支护变形特征。结果表明:含仰拱全断面开挖在控制围岩变形和剪切破坏方面比不含仰拱全断面开挖更有优势,掌子面渗水导致实测的围岩变形量稍大于数值模拟结果;围岩压力和钢拱架应力出现急剧增长、增速变缓、趋于稳定3个阶段。急剧增长阶段围岩压力和钢拱架应力的最大值分别占整体最大值的70%～85%和60%～85%,围岩变形、围岩压力和钢拱架应力的最大值均出现在拱顶,较大值均出现在右拱腰和左拱脚,存在右上左下的偏压现象。     

黄土地区浅埋暗挖地铁隧道围岩压力特征研究

为了解黄土地区浅埋暗挖地铁隧道围岩压力特征,得出荷载在衬砌结构各部分中的分担比例,本文以西安地铁二号线为研究对象,选取2组不同围岩条件的测试断面,开展现场测试工作。对围岩与初期支护接触压力、初期支护与二次衬砌接触压力及二次衬砌结构应力进行研究。结果表明:隧道墙脚位置初期支护与围岩之间接触压力较大,表明这二者承受大部分垂直压力;初期支护所受围岩压力随着土体强度降低而增大,且分布形式更趋于静水压力作用特点;二次衬砌作为主要支护结构承担大部分荷载,初期支护与二次衬砌接触压力随围岩土体强度降低而显著增大,二次衬砌在支护体系中作用也随土体强度降低而凸显;二次衬砌混凝土基本受压,拱腰及以上位置应力较大,仰拱处应力较小。     

地铁大跨度隧道垂直挑顶施工中的围岩力学分析

基于深圳地铁2号线新秀站—莲塘口岸站区间隧道工程,提出了一种适用于软弱围岩大跨度隧道垂直挑顶开挖的施工方法,并采用FLAC3D软件对该挑顶施工全过程进行模拟计算,对施工过程中的围岩进行了力学分析,以解决交叉段隧道挑顶开挖过程中围岩变形控制的难题。模拟计算结果表明：挑顶开挖主要影响了拱顶处的围岩应力重分布,斜井开挖使得正洞相邻拱腰处产生压应力集中,正洞开挖顺序造成斜井拱腰处应力分布不对称;落斜井坡道和正洞下台阶时斜井拱腰水平收敛发生突变,这对隧道拱腰应力分布产生了较大影响,应作为施工的重点关注区域;挑顶开挖使正洞和斜井拱顶的围岩塑性区贯通,在落斜井坡道和正洞下台阶时该塑性区进一步扩展,此区段施工时应加强支护,并减缓施工速度。     

基于水压致裂试验的隧道围岩挤压变形与防治措施

为研究缓倾层状围岩地质条件下的隧道围岩挤压变形问题,依托贵州金仁桐高速桑树湾隧道项目,对现场不同位置处的围岩变形进行了监测;进行了水压致裂原位试验,根据围岩变形特征和实测数据,提出了一系列隧道围岩挤压大变形的控制措施。结果表明：初期支护完成后,拱顶、拱肩和拱腰变形随时间变化均出现先增大后稳定的趋势;变形量由大到小依次为拱顶、拱肩和拱腰;计算出了隧洞埋深200 m工况下最大切向应力、最大初始应力以及垂向应力;设计了双层初期支护加钢花管注浆的处治措施,体现出了良好的加固效果。     

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。     

深埋大断面土质隧道初期支护结构受力特征研究

研究目的:新奥法中初期支护结构作为承受围岩压力的主要结构有着重要的作用。为研究深埋大断面隧道复合衬砌中初期支护结构的受力特性,本文以银西高铁庆阳某隧道为工程依托,通过现场监测,得到深埋大断面红黏土隧道的围岩压力、钢拱架内力与混凝土内力变化规律,分析初期支护结构内力变化规律及分布特征。研究结论:(1)红黏土大断面隧道两侧的围岩压力大于拱顶和仰拱内的围岩压力;(2)初期支护结构内力呈现出上大下小的分布规律,且钢拱架承担了大部分围岩压力;(3)可考虑在边墙及拱顶增高钢拱架标号,仰拱内减少拱架截面积,以达到充分利用材料降低造价,提高衬砌结构可靠性;(4)本研究结果可以为类似地质条件下衬砌设计优化及隧道初期支护的施工组织提供参考。     

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。     

武广客运专线泉井1号隧道衬砌施工技术

二次衬砌是隧道永久支护结构,在围岩及初期支护变形基本稳定后施做。在仰拱超前情况下,采用模板台车进行拱墙一次衬砌。结合武广客运专线泉井1号隧道衬砌施工,介绍了大断面隧道仰拱、二衬钢筋构架、模板台车,以及衬砌混凝土施工中的问题及改进措施,对大断面软弱围岩隧道二衬施工工艺及技术进行总结。     

黄土隧道围岩含水率变化及拱架受力特征研究

为了研究黄土隧道围岩含水率和钢拱架应力在施工期间的变化规律,以在建银西高铁董志塬区上阁村隧道为例,采用现场监测方法,对黄土隧道围岩体积含水率变化规律和钢拱架受力特征进行分析研究。结果表明:黄土隧道围岩含水率在时间上呈先增长后平稳的两阶段变化,在空间上表现为拱顶和拱腰位置的含水率总体小于拱脚和仰拱底部的含水率;钢拱架应力在施工期内呈先非线性增大后出现波动最后趋于平稳的三阶段变化规律,在施工期内钢拱架对承受围岩压力、确保大断面黄土隧道围岩稳定性方面发挥着重要作用。建议对大断面黄土隧道在施工期内形成"勤测含水率、重视防排水、加强初支"的管理理念。     

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。     

非圆形隧道毛洞围岩的应力和塑性区

为研究隧道工程中常见的非圆形毛洞围岩的应力和塑性区分布,采用复变函数方法,得到平面应变状态下受双向挤压应力作用的毛洞围岩应力解析解,并将其代入Drucker-Prager屈服准则,估算围岩的塑性区范围。以工程中常见的大断面双线铁路隧道为例,先通过搜索边界映射点的方法得到隧道毛洞的映射函数;再求得隧道毛洞附近围岩的应力分布,对推导出的非圆形隧道毛洞围岩应力解析解的正确性进行验证;最后分竖向挤压应力较小与较大2种情况,讨论侧压力系数对隧道毛洞围岩塑性区的影响。结果表明：离毛洞边4倍毛洞宽度处,应力值稳定,趋于所加荷载;当竖向挤压应力较小或较大时,侧压系数的改变分别会影响塑性区的位置或形状;拱腰处塑性区主要由竖向挤压应力产生,而拱顶与仰拱处塑性区则主要由水平挤压应力产生;在隧道设计和施工过程中,当围岩侧压系数较小或较大时,须分别在拱腰、拱顶与仰拱处加强支护。     

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。     

高地温环境下隧道初期支护力学性能研究

以川藏铁路桑珠岭超高地温隧道为研究对象,采用现场实测和热-力耦合数值模拟手段,对超高地温环境下初期支护的力学特性展开研究。结果表明:隧道开挖后,初期支护混凝土应力在10 d内变化较快,18 d后基本稳定;初期支护轴力和弯矩随温度的升高而成增大趋势;随着围岩初始温度的升高,初期支护最大压应力、拉应力与无温度场时的比值逐渐增大,扩大倍数可表示为围岩初始温度的二次函数;当围岩初始温度大于50℃时,初期支护存在破坏趋势;随着围岩温度的升高,初期支护最大压应力的分布范围由边墙扩大到边墙和拱腰,最大拉应力由墙脚扩大到墙脚、拱肩和仰拱。研究结论对高地温隧道初期支护的施工有一定的指导价值。     

滇中红层软弱围岩局部失稳及变形控制实践

研究目的:隧道穿越滇中红层这一特殊地质条件下的变形主要为局部塌方、支护结构开裂破坏,为确保类似工程的顺利实施和人员设备的安全,本文针对南华一号隧道穿越全风化、强风化泥岩地层出现的局部失稳、大变形问题,在现场调研和监控量测的基础上,分析其失稳断面的变形及应力特征,并结合数值模拟结果,提出控制围岩变形的有效措施。研究结论:(1)三台阶工法施工过程中,中、下台阶施工对围岩的扰动程度相对较大;(2)隧道开挖后,拱顶和拱肩处围岩压力随时间的变化趋势是先减小再趋于稳定,而拱腰处围岩压力随时间的变化趋势是先增大然后趋于稳定;(3)采取局部布置锚杆、局部围岩注浆加固、施作锁脚锚杆等控制措施,可有效控制局部围岩失稳及围岩变形,相关措施可为今后类似工程提供借鉴和指导作用。     

辉绿岩脉引起的隧道大变形及其形成机制EI北大核心

研究目的:以龙厦铁路吴坑隧道为例,在辉绿岩工程性质分析的基础上,结合现场监测资料对辉绿岩脉分布段围岩压力、隧道变形的特点及隧道大变形的形成机制进行研究,为辉绿岩分布地区隧道设计、施工提供指导。研究结论:(1)辉绿岩富含高岭石,具有强度低、易崩解和弱膨胀的工程特性,在卸荷应力路径下,沿卸荷方向有强烈的扩容现象;(2)辉绿岩脉的分布对围岩压力的大小及分布有十分明显的影响,岩脉出露多的断面围岩压力明显比出露少的断面大,局部出露部位比邻近未出露部位的大;(3)辉绿岩脉的分布对隧道变形也有明显影响,拱顶出露岩脉的断面拱顶下沉量较大,边墙、拱腰出露岩脉多的断面,边墙收敛变形较大,岩脉出露多的区段,隧道变形时间较长;(4)辉绿岩脉分布段隧道大变形既有膨胀变形又有挤压变形;(5)本文研究成果可用于辉绿岩分布地区隧道的设计和施工。     

软弱围岩隧道钻爆法机械化施工关键技术及装备

为实现软弱围岩大断面隧道钻爆法机械化施工，依托渝昆高速铁路（重庆—昆明）来福隧道，对凿岩钻孔与拱架安装施工工艺进行了研究。通过加长臂改造改进了凿岩台车，以适应软弱围岩条件下台阶法钻爆开挖隧道。通过增加托举装置的延长杆，改进了三臂拱架安装台车；结合“一长两短”的上台阶初期支护钢拱架设计方案，实现了拱顶初期支护钢铰接+三臂拱架安装的施工工艺。通过现场试验，采用改进后的凿岩台车施工，与传统人工手持风枪凿岩相比，两台阶与三台阶断面钻孔作业，施工效率分别提升89%、90%；采用改进后的拱架安装台车施工，与传统人工配合机械安装拱架相比，Ⅳ、Ⅴ级围岩段施工效率分别提升72%、81%。可见，采用改进后的凿岩台车和拱架安装台车机械化施工不仅可以提高施工效率，还可以降低施工风险。该套施工设备可在类似工程推广应用。     

复杂地质隧道衬砌变形分析与工程治理技术

研究目的:新建兰渝(兰州至重庆)铁路是我国《中长期铁路网规划》的重点项目,兰渝铁路两水隧道在施工过程中遇到高地应力,围岩最大水平主应力值为6.5~11.3 MPa,隧道围岩呈现变形大、速率快的特点。在隧道掘进施工前期,隧道初期支护结构变形大,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。隧道贯通后,发现隧道已完衬砌局部区段出现衬砌混凝土开裂、掉块,断面变形乃至侵限现象,给隧道施工及运营带来极大的安全风险隐患。针对隧道衬砌出现的问题,经过会同有关专家充分分析其发生变形、开裂的原因,并就衬砌拆除换拱试验段工艺参数进行研究,通过严密的监控量测,分析隧道支护和衬砌结构受力和变形规律,提出合理的控制变形的工程处理措施。研究结论:(1)两水隧道通过区域地质构造十分复杂,软弱的薄层板岩、千枚岩或炭质千枚岩在高地应力作用下发生围岩大变形,造成较长段落初支变形和衬砌破坏;(2)在总结施工经验的基础上,结合大量的现场试验段围岩量测数据分析,采取双层初期支护和双层衬砌工程技术措施,进一步优化和增强初支拱架强度,可以有效的控制隧道大变形;(3)针对具有极高安全风险的衬砌拆除换拱施工,采用短拆除、快支护、设置临时套拱、打设锁脚锚管以及快速紧跟隧道二次衬砌等措施,可以进一步降低和控制安全风险;(4)本研究成果不仅是根据铁路大断面双线隧道通过软岩大变形地质条件下,出现罕见初支变形和衬砌破坏的工况,所采取的处理整治措施,而且对今后类似隧道工程施工中具有一定的指导价值。     

钢管混凝土拱架在地铁隧道中的应用研究

浅埋暗挖法施工的地铁区间隧道初期支护体系常使用格栅拱架承担围岩荷载,然而这类钢拱架钢材用量大,制作工艺复杂.钢管混凝土拱架是一种承载力高、安装简易、经济性能良好的新型支护形式.用钢管混凝土拱架替代格栅拱架不仅可以降低工程成本还能加快施工速度.以荷载-结构模型分析计算钢管混凝土拱架,采用弹性中心法计算其截面内力.对钢管混凝土拱架的设计计算以大偏心受压为主,计算结果表明:钢管混凝土拱架在技术上是可行的,在工程实例中钢管混凝土拱架的支护成本仅为格栅拱架的61%.