复合式衬砌隧道的总安全系数设计方法探讨

研究目的:铁路、公路等交通隧道常采用复合式衬砌,其中初期支护一般采用地层-结构法或工程类比法进行设计,二次衬砌采用荷载-结构法进行设计,由于二者采用的分析方法不同,难以统一评价整体结构的安全性。现有隧道设计规范仅提出了二次衬砌的安全系数要求,但复合式衬砌并非单一结构,有必要研究初期支护和二次衬砌的总安全系数。同时为建立总安全系数设计法,有必要研究初期支护的荷载-结构模型。研究结论:(1)对于采用喷锚支护的复合式衬砌隧道结构,围岩压力随埋深的增加而增加,隧道支护参数应根据埋深进行相应调整;(2)采用荷载-结构模型可以建立复合式衬砌初期支护和二次衬砌的统一设计方法;(3)复合式衬砌隧道的总安全系数应包含初期支护和二次衬砌各自的贡献,当二次衬砌为钢筋混凝土时,总安全系数建议不低于3.0,否则不低于3.6;(4)不同设计方法所建议的初期支护和二次衬砌的安全系数分配可按表2采用;(5)采用本文设计方法对现有高速铁路隧道结构安全性进行再分析,结果表明,在埋深为300 m左右时,Ⅲ、Ⅳ级围岩支护参数有进一步优化的空间;(6)本研究结果可为复合式衬砌隧道结构设计提供思路和方法。     

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。     

我国铁路隧道通用图结构安全性的计算研究

我国既有铁路隧道大多按标准图或通用图设计,而标准图或通用图又是采用工程类比法设计,因此不能给出明确的结构安全系数。为了给今后的铁路隧道设计优化与既有隧道维护提供技术支撑,采用所建立的复合式衬砌总安全系数设计法,对以往标准图或通用参考图的结构安全系数进行校核,对影响安全性的主要因素进行分析,得出以下主要结论:(1) 2008年以来编制的铁路隧道通用参考图,结构总安全系数均偏高,具有一定的优化空间;而20世纪编制的时速140 km单线电气化铁路隧道标准图在软弱围岩地段的总安全系数偏低;(2)隧道埋深对安全系数的影响较大,地下水发育程度对耐久性影响较大,建议按照不同埋深、不同地下水发育程度进行支护参数优化;(3)隧道断面形状对安全系数影响较大,建议根据围岩压力分布形态采取合理的断面形状。     

基于总安全系数法的铁路隧道支护结构设计

为进一步优化铁路隧道支护参数,推进支护参数的量化设计,基于隧道支护结构设计总安全系数法,对我国时速350 km高速铁路双线隧道现行支护参数的安全性进行计算,研究其合理的支护方案,并提出铁路隧道支护参数优化的思路与方法。主要结论如下:(1)在仅考虑围岩压力的情况下,我国时速350 km高速铁路双线隧道现行支护参数的安全系数偏高,具有一定优化余地;(2)提出我国时速350 km高速铁路双线隧道合理的支护方案;(3)建议按照不同埋深(地应力)和地下水条件进行支护类型优化;(4)隧道跨度和应力强度比不同,其合理的支护形式也不同,且随着隧道跨度的加大、地应力的增加或应力强度比的增加,采用锚杆支护的必要性和需要的支护强度也越来越大。     

京张高铁八达岭长城站耐久性设计方法及措施

为了提高隧道及地下工程的耐久性,降低地下工程运营期维修养护的成本,采用系统分析法研究地下工程的耐久性机理,提出地下工程结构耐久性的计算模型及其定量化设计方法。隧道结构的耐久性取决于初期支护和二衬承载力的衰减,初期支护承载力的衰减将引起二衬荷载的增大,隧道结构耐久性的安全系数可采用二衬承载力与其荷载的比例来表示,当二衬荷载增长曲线与其承载力衰减曲线相交时,隧道结构达到承载力极限状态,此时也即为隧道耐久性的设计使用年限。八达岭长城站支护体系设计中,采用围岩长期自承载的设计理念,利用长寿命初期支护加固围岩,形成持久的围岩自承载拱,长期承担全部围岩荷载,二衬作为安全储备。同时,增加锚杆注浆保护层的厚度和密实度、设置居中定位器来提高锚杆的耐久性,采用分段高压注浆来提高锚索的耐久性,采用中低热水泥、Ⅰ级粉煤灰、多级配整形骨料、控制入模温度、优化配合比、进行保湿保温养护等措施提高二衬混凝土的耐久性,形成长寿命支护结构体系。     

硬岩地区大跨度地铁车站施工变形特性研究

研究目的:青岛地铁2号线华楼山路站处于硬岩微风化岩层,设计两端采用复合式岩石喷锚支护和吊脚桩支护方式进行明挖,中间段采用三台阶七步暗挖法,并采用爆破施工。本文以该车站工程为背景,在施工过程中对车站主体及周边环境进行现场监控量测,分析硬岩地区大跨度地铁车站施工变形特性并总结变形规律,为类似工程施工提供参考。研究结论:(1)复合式岩石喷锚支护段比吊脚桩支护段地表沉降小,基坑开挖初期地表沉降快速增大,开挖至地板位置趋于稳定,明挖段最大沉降量小于暗挖段最大沉降量;(2)相同深度位置处,复合式岩石喷锚支护段比吊脚桩支护段锚杆内力小,吊脚桩深层水平位移呈"倒梯形"分布;(3)暗挖隧道内,拱顶沉降和净空收敛主要发生在三个阶段,即上台阶和中台阶左右两侧开挖阶段,下台阶开挖时开始趋于缓慢稳定;(4)该研究成果可应用于指导硬岩大跨度地铁车站的施工领域。     

考虑环境作用的复合式衬砌结构设计方法探讨

研究目的:环境作用对复合式衬砌山岭隧道的初期支护和二次衬砌材料性能有不同的影响,特别是对于喷射混凝土,由于其厚度较薄,除考虑环境的接触性侵蚀外,渗漏溶蚀对材料性能的影响不可忽视.本文结合隧道工程的特点,提出复合式衬砌结构的设计方法需根据具体的环境作用条件.研究结论:隧道喷射混凝土厚度较薄,当水压力较大时,由于渗漏所产生的溶蚀将非常严重,在设计中必须加以考虑;不同环境条件对初期支护耐久性的影响不同,设计方法应根据环境介质的侵蚀性、水压力大小、水量大小等因素综合确定;对于以初期支护为主要承载结构的设计方法,仅仅依靠隧道施工期间的监测结果不足以评价整个使用年限内的安全性.     

铁路客运专线隧道二次衬砌施作时机及抗裂防渗技术

隧道支护衬砌中复合式衬砌结构由初期支护和二次衬砌组成,结合隧道二次衬砌施工过程中的相关要求及施工技术,对客运专线隧道二次衬砌的施作时机及抗裂防渗技术进行探讨,为客运专线隧道施工提供经验借鉴.     

雁门关隧道变形控制技术

研究目的:雁门关隧道处于恒山山脉,太古界变质岩地层,受多期构造运动影响,围岩稳定性差、大变形造成初期支护环纵向开裂,拱顶、拱脚喷混凝土剥落,钢架扭曲、折断,支护侵限甚至是二衬开裂等现象,给隧道建设带来极大的困难。通过隧道DK 121+203~DK 121+175段典型大变形处理案例,分析其大变形的原因,提出合理的控制变形技术。研究结论:(1)雁门关隧道变质岩地层虽属硬质岩,但复杂多变的地质条件加大了围岩变形破坏可能性;(2)根据现场施工及围岩量测情况采取信息化设计,对隧道各段采取针对性的措施,做到"岩变我变",确保施工安全,有效的控制了工程成本;(3)采用快封闭、快支护、设置临时横撑、长锚杆、大管棚、分层加强初期支护以及早施工并适当加强二次衬砌等措施可以有效的控制并稳定隧道大变形;(4)本研究成果在构造复杂变质岩地层隧道设计、施工中有较广泛的应用价值。     

燕山隧道穿越南石水库段的设计与体会

燕山隧道通过南石水库段，埋深浅。设计按新奥法的原理，衬砌结构采用喷锚初期支护和二次模筑混凝土组成的复合式初砌。设计中采用地表预注浆，ＣＣＲ９１１橡胶防水板、ＸＦ－６橡胶止水带及格栅钢架等辅助施工措施。施工中通过监控量测，调整初期支护做到科学、安全施工。     

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。     

预切槽法开挖黄土隧道预衬砌支护参数研究

研究目的:随着我国交通建设的发展,迫切需要解决软弱围岩隧道机械化施工的问题,本文以洪亮营大断面黄土隧道为依托工程,采用数值模拟方法分析不同条件下预衬砌的整体安全性,通过对预衬砌的支护参数进行分析,以期为后续类似工程的设计与施工提供参考。研究结论:(1)钢拱架间距对预衬砌整体安全系数有显著影响,间距越小,安全系数越高;(2)不同的预衬砌拱脚处理措施,对预衬砌整体安全系数影响较大;(3)由于切槽采用分段施工,各段接头部位的安全系数较低,当预衬砌局部弱化程度超过50%时,预衬砌的整体安全系数不能满足安全要求;(4)本研究以洪亮营大断面黄土隧道实际工程为依托,获取了预衬砌在不同的埋深、不同的钢拱架间距、不同的拱脚处理措施以及不同的预衬砌局部弱化程度条件下的整体安全性,可为预切槽法隧道在今后的工程设计和施工中提供指导作用。     

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。     

锚杆在隧道初期支护体系中的作用机理分析

通过理论分析对锚杆在围岩和隧道初期支护体系中的作用机理进行探讨,运用数值模拟的方法对Ⅲ～Ⅴ级围岩中考虑锚杆作用后初期支护的受力响应规律进行分析总结。结果表明,在Ⅲ级围岩(浅埋段)、Ⅳ级围岩中,锚杆对初期支护受力的改善作用较为突出,对于Ⅴ级围岩,由于其坍落拱范围远远大于拱部锚杆及周边岩体形成的组合拱结构,拱部锚杆的作用微乎其微,而边墙锚杆能有效改善初期支护受力状况,且利于稳固钢架。因此,边墙锚杆的设置显得更有必要。最后,对现行衬砌通用图的设计参数提出了建议。Ⅲ级围岩(浅埋段)和Ⅳ级围岩深埋工况安全系数较大,建议适当优化设计参数;Ⅴ级围岩工况的围岩压力小于Ⅳ级围岩(浅埋段),而初期支护设计参数却强于Ⅳ级围岩(浅埋段),建议优化Ⅴ级围岩初期支护参数,使各级围岩初期支护的安全度较为一致。     

浅埋条件下并行立交隧道施工安全性的三维数值模拟

以长沙市营盘路湘江隧道东岸并行立交段施工为研究对象,对浅埋条件下并行立交隧道施工安全性进行三维数值模拟分析。研究结果表明：隧道施工结束后地表沉降最大值为39．66mm,并位于隧道上下立交区域,地表沉降不能满足安全要求,还需对地表采取加固措施,如采取地表锚杆、地表袖阀管注浆或旋喷桩加固;下部隧道初期支护变形及受力受上部隧道施工影响不大,安全系数均大于1,结构能满足安全要求,但施工中仍不能忽视对初期支护变形及内力的监测,视情况采取加固措施,或改变施工工艺,如可以先行贯通下部隧道二次衬砌。其研究结果可为类似地质条件和施工方法的同类工程提供借鉴。     

铁路隧道十字交叉隔壁后拆式工法施工力学特性及其应用研究

厦(门)深(圳)铁路梁山隧道穿越L7富水软弱带使施工严重受阻。为确保隧道顺利通过L7富水软弱带,通过多种经济、技术比选,最终确定通过超前预加固措施改良地层条件后,采用十字交叉隔壁后拆式工法施工。阐述十字交叉隔壁后拆式工法的特点及施工工序,同传统CRD工法相比,该工法的最大特点是:"后拆式"的十字交叉临时支撑体系,确保在临时支撑体系拆除时,初期支护和二次衬砌已经同时承载,避免传统工法中因拆撑时应力释放导致的初期支护结构失稳风险,确保施工过程中的安全可靠性。然后通过数值计算和力学分析方法,对十字交叉隔壁后拆式工法在施工过程中的支护力学转换体系进行详细分析,得出以下结论:初期支护与临时支撑组成的支护体系,在开挖的每一步中,都是承载的主体,尽可能早地闭合成环;二次衬砌的闭合时机就是二次衬砌的支护时间,以初期支护极限位移的60%作为施工二次衬砌的位移指导值较为合理。     

乌鞘岭隧道F4断层支护结构位移反分析

研究目的:乌鞘岭隧道F4断层区段是该隧道设计施工中的一个重点地段,为了使隧道能顺利地穿越该地段,需要确定其初始地应力和材料性质等参数.研究结果:本研究根据乌鞘岭隧道现场量测的收敛信息,依据位移反分析方法,采用有限元程序,确定了F4断层的原始地应力及材料特性参数.同时采用特征曲线法,计算了初期支护、锚杆和二次衬砌的内力并判断了支护结构的稳定状态.     

地铁隧道二次衬砌施工质量及控制探讨

二次衬砌是地铁隧道初期支护内侧施作的模筑混凝土或钢筋混凝土衬砌,与初期支护共同组成复合式衬砌.地铁二次衬砌是地铁工程中的一项重要环节,衬砌质量的好坏对地铁隧道的使用寿命、使用功能和外观等都有重要影响.以长春地铁2号线南关站隧道二次衬砌施工为背景,通过分析二次衬砌质量缺陷及产生的原因,系统阐述为保证二次衬砌施工质量,在施...     

基于结构安全性的偏压隧道初期支护参数优化

基于剪切滑移理论确定的初期支护安全性评价方法,对典型偏压隧道初期支护参数进行了优化。结果表明:锚杆的设置能有效控制围岩的变形,同时,在一定范围内增加锚杆长度可以提高其支护效果,但当锚杆达到一定长度后,加固改善逐步趋于不明显;各偏压角度下,拱顶和拱脚的安全系数均大于5,拱腰和墙脚在部分支护参数条件下的安全系数小于1,拱腰和墙脚是支护结构的薄弱部位。     

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。