隧道钢管混凝土复合支护结构承载特性研究

为研究钢管混凝土复合支护结构变形破坏特征及承载机制，考虑拱架-混凝土粘结滑移特性，在支护结构典型破坏模式的基础上，开展支护结构纯弯室内试验及精细化数值模拟研究，对试件在弯矩作用下的力学响应进行深入分析，明确拱架布设位置、喷射混凝土强度、钢筋网直径及保护层厚度等参数对结构承载性能的影响规律。结果表明，钢管混凝土无钢筋网试件（SRCS-FW）强度较低，混凝土迅速开裂后与拱架发生滑移破坏，钢管混凝土双层钢筋网试件（SRCS-FS）变形效果较好，呈现较好的后期承载特性；SRCS-FS试件临界滑移破坏强度较高，其极限弯矩比SRCS-FW试件极限弯矩高40.9%；构件弹性变形阶段拱架、钢筋网、混凝土三者协同作用效果明显，开裂阶段试件拉力主要由受拉侧钢筋网和拱架分担，压力由拱架和受压区混凝土分担；支护结构参数设计要综合分析其承载性能、经济性及工程经验和施工便利性。     

侧面溶洞对双连拱隧道初期支护的影响研究

在石人山岩溶双连拱隧道施工期间,曾预报并揭露侧面溶洞,隧道修建存在一定的困难。本文利用FLAC3D设计并实施二维数值试验,模拟双连拱隧道在侧面溶洞的影响下的开挖过程,对初期支护的结构内力(弯矩、轴力)进行了分析,结果表明:侧面溶洞的存在使得初期支护的弯矩和轴力普遍减小,对于双连拱隧道的右洞拱顶、拱脚、左洞内拱腰、拱脚处初支的弯矩产生较大的增幅,这4个位置应当注意监测、谨慎设计。     

白山隧道塌方处治技术及其监测结果分析

白山左线隧道施工中,针对塌方发展过程和塌方机理,实施了一套基于"地表排水、围岩注浆、衬砌增强、基底防降"的塌方综合治理方案。文章分析了方案实施后的地表沉降、拱顶下沉、拱腰和边墙水平收敛的位移变化规律,以及初期支护背后水压力、初期支护与围岩的接触应力、锚杆轴力、型钢拱架应力及二次衬砌混凝土应力的发展趋势。结果表明:在软弱围岩地段,拱墙二次衬砌的施作显著改善了初期支护与围岩的接触应力,有效地减小了地表沉降及隧洞周边位移;同时,拱墙二次衬砌能有效地分担锚杆和型钢拱架的的部分荷载,改善仰拱二次衬砌的受力状况;塌方综合治理方案效果较好,保障了该隧道剩余塌方段的安全施工。     

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。     

极高地应力层状围岩隧道偏压演化规律及围岩控制

以大峡谷隧道缓倾层状围岩为工程背景,采用3DEC离散元分析方法并结合现场监测的手段,深入研究高地应力不同岩层倾角下围岩偏压演化规律,揭示偏压与现场支护结构破坏关系,根据锚杆支护参数对偏压控制的影响,提出支护最优参数。研究表明,在高地应力缓倾岩层条件下支护结构的变形及破坏呈现明显的非对称性,随着岩层倾角的增大,初期支护最大主应力峰值位置由拱顶向右拱肩转移,反倾侧弯曲变形大于顺倾侧滑动变形;随着锚杆长度的增加,围岩剪切滑移区、初期支护位移、初期支护最大主应力均逐渐减小,锚杆最优长度约为3.5～4.5 m,锚杆沿层理面垂直方向打设,初期支护结构的偏压现象得到明显改善;现场优化支护后,左右拱肩呈对称变形,位移量基本相同,偏压得到明显改善。     

浅埋膨胀土隧道围岩抗剪强度与支护结构受力特征关系研究

膨胀土吸水后产生的膨胀问题,导致隧道支护结构承受复杂的膨压应力。为研究浅埋膨胀土强度衰减和膨胀效应对隧道支护结构的影响,文章以呈贡隧道工程为背景,首先利用室内直剪试验方法,探明膨胀土的抗剪强度与初始含水量的变化关系;然后基于室内试验结果,采用ABAQUS三维有限元分析模拟软件,研究膨胀土吸水膨胀对隧道支护结构的影响,揭示不同埋深下膨胀土膨胀效应对围岩变形和支护结构内力影响规律。研究结果表明:(1)摩擦角和粘聚力均随含水量的增大而下降,粘聚力受到的影响较大,膨胀土抗剪强度与含水量的关系可采用二次抛物线表征;(2)膨胀土围岩吸水后受到支护结构约束,产生较大的膨胀压力,导致围岩出现破坏,造成隧道仰拱隆起量和边墙水平收敛增大;(3)围岩膨胀后,初期支护结构轴力均匀增加,拱腰处弯矩增加较小,墙脚处弯矩增加较大,使支护结构处于不安全状态;(4)埋深对膨胀变形产生很大的影响,但达到某一极限埋深后将不发生膨胀变形。     

中洞法施工支护结构对地面沉降和内力影响参数分析

中洞法在修建大跨度隧道工程中已得到了广泛运用。文章基于大连某中洞法施工的地铁车站,针对中洞法中柱纵向间距、竖向临时支撑曲率和临时支撑刚度对隧道变形、地面变形和支护内力的转换进行了研究分析。分析结果表明:拆除中板以下临时支撑后,中柱纵向间距增大,地面累计沉降量逐渐增大;中柱间距对中柱轴力和初期支护的轴力影响较大,对初期支护弯矩影响较小;采用竖向临时支撑最优曲率半径可使地面变形最小,侧洞开挖是竖向临时支撑内力转换的重要阶段;临时支撑刚度对各点变形和支护结构最终内力影响较小,对其自身内力影响影响较明显。     

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。     

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。     

大变形隧道初期支护受力特征及对策研究

由于隧址区岩体具有大变形效应,渝利铁路大梁隧道在初期支护施作后拱腰、拱脚等部位相继出现喷混凝土开裂、剥落、掉块等现象。为了保证隧道结构安全,采用现场测试(解除应力测试和松动圈测试)、数值模拟(试算/正演计算)等方法对该段支护结构的受力特征进行了研究,并提出了相应的对策措施。结果表明:在此地质条件下,初期支护配筋为6.36 cm~2时,结构将产生破坏(最大弯矩处安全系数为1.0),而实际配筋只有5.07 cm~2,所以初期支护内的配筋(格栅钢架)不能满足工程实际需要,必须调整类似地质条件的支护参数才能保证隧道整体稳定性;同时研究获得的松动圈范围为2.29 m,与地质雷达的松动圈测试结果相吻合,验证了该方法的可行性及结果的准确性。     

隧道型钢拱架打孔对其刚度影响分析

在软弱围岩隧道施工中常采用型钢拱架进行支护,但当拱架间距小于1 m时,施作超前小导管的外张角难以控制。为减小超前小导管外张角,现场施工中采用了型钢拱架腹板打孔的方法。文章通过建立拱架三维模型,计算了不同打孔范围、不同打孔密度情况下拱架的变形情况,研究了型钢拱架腹板打孔对拱架和支护体系的刚度影响。结合现场对比试验,根据初期支护变形、围岩压力和拱架内力的实测情况,提出打孔间距是影响拱架刚度的主要因素。在本工程条件下拱架腹板打孔的安全间距为40 cm及以上,其对拱架刚度的削弱程度小于4%,对整个初期支护体系的刚度几乎没有影响。     

岩溶区连拱隧道二次衬砌的受力特征分析

在宜叙高速石人山岩溶双连拱隧道施工期间,曾预报并揭露侧面溶洞,类似工程报道较为罕见,给隧道施工带来一定的安全隐患。本文利用FLAC3D设计并实施二维数值试验,模拟双连拱隧道在侧面溶洞的影响下的开挖过程,对二次衬砌的结构内力(弯矩、轴力)进行了分析,结果表明:侧面溶洞对二次衬砌的弯矩有显著的影响,右洞内拱腰、右洞外拱脚、左洞仰拱和右洞仰拱处的弯矩值有明显的增大,对二次衬砌的轴力的影响主要集中在左右洞的拱脚和拱腰处。该研究可以指导二次衬砌的合理设置,降低衬砌破坏的概率,避免经济、材料的浪费。     

黄土连拱隧道中导洞临时支护的比选分析

黄土连拱隧道采用台阶法开挖时,中导洞的临时支护一般为钢支撑支护和回填土支护。为了选择合理的临时支护,文章结合太佳高速公路清凉寺连拱隧道的工程实例,对两种支护进行全过程弹塑性数值仿真对比分析。结果表明,钢支撑支护与回填土支护对隧道的地表位移、拱顶沉降、锚杆轴力的支护效果相同,均能满足隧道变形要求;对围岩应力、初期支护应力和锚杆轴力等方面的支护效果,钢支撑支护优于回填土支护。     

大断面黄土隧道初期支护与围岩相互作用机理研究

依托已修建并投入运营的郑西高速铁路,针对开挖面积达170m2的大断面黄土隧道,进行了不同钢架形式作用机理的研究,明确了型钢拱架和格栅拱架的适用条件;采用现场对比试验等研究手段,在浅埋老黄土隧道中分别设置了型钢钢架、格栅钢架对比试验段.试验结果表明,两种钢架初期支护变形相当;两种钢架的应力均在允许值范围之内,但格栅钢架应力较小;格栅钢架的围岩-初期支护接触压力分布较均匀;两种钢架组合支护在控制大断面黄土隧道拱顶下沉方面无明显差异,水平收敛基本相等.另外,基于混凝土早期强度试验,采用围岩-结构法,根据组合支护与围岩的特征曲线,研究分析了围岩与组合支护的相互作用机制,最终得出了格栅钢架在大断面黄土隧道中的适用条件,以及在不同围岩条件下初期支护的设计参数.     

基于结构特征曲线的软岩隧道钢拱架力学效应研究

针对传统锚喷支护难以适应软岩隧道大变形的问题,文章通过把钢拱架和喷射混凝土同时工作分为钢拱架单独工作和联合工作两个阶段,利用SAP2000有限元程序研究了实腹式型钢拱架和空间钢桁架拱的力学特征及其单独工作的力学效应;考虑材料非线性与几何非线性,研究了钢拱架在不同支撑条件下的极限承载力和极限变形能力。结果表明:(1)将钢拱架单独工作作为支护的一个阶段是可行的;(2)侧向支撑及拱脚的约束情况对实腹式型钢拱架的作用效应有决定性影响;(3)空间钢桁架拱的整体刚度大于实腹式钢架拱,受侧向支撑影响小;(4)提出了提高钢拱架承载能力和变形能力的方法,为喷射混凝土及其它支护措施的实施提供了更多的时间和空间选择。     

破碎围岩大跨公路隧道结构健康度评价方法研究

目前关于大跨隧道结构在松动荷载作用下的受力变形与损伤演化机理研究相对较少,缺乏运营期隧道结构的健康度评价体系与预警标准,不利于掌握隧道结构的安全状态。针对上述问题,文章通过建立二维及三维数值分析模型,研究了Ⅳ级、Ⅴ级围岩下大跨隧道结构在松动荷载下的受力变形特性,并依据变形及破损特征,建立了5级评价体系与3级预警标准。研究结论为:(1)拱部松动荷载作用下大跨隧道的破坏过程分为四个阶段,分别为设计荷载下的弹性受力阶段、拱部松动荷载下的弹性受力阶段、结构开裂后的塑性工作阶段及加速变形破坏阶段;(2)设计荷载下,采用荷载规范计算方法与三维数值模拟方法得出的隧道变形基本一致,验证了数值计算的可行性。通过数值计算,得出Ⅳ级围岩下结构极限承载力为734 kPa,拱顶沉降6.75 cm,边墙收敛1.56 cm。Ⅴ级围岩下结构极限承载力为812 kPa,拱顶沉降10.47 cm,边墙收敛4.06 cm;(3)以拱顶开裂、局部压屈、拱顶拱腰压屈、拱腰压屈达到衬砌厚度的1/3、钢筋拉断为关键节点,以结构受力、拱顶沉降、边墙收敛为评价指标,建立了Ⅳ级、Ⅴ级围岩下大跨隧道的健康度评价体系及预警标准。     

高速铁路黄土隧道初期支护受力特性研究

支护结构的合理设计是大断面黄土隧道设计的关键环节。文章结合在建铁路黄土隧道,采用数值模拟,分析了大断面黄土隧道在不同初期支护时机情况下,支护结构、围岩受力状态和力学行为变化情况;基于控制围岩变形为核心,对大断面黄土隧道施工中初期支护施作时机的选择给出了合理的建议;根据现场监测结果,总结出了黄土隧道初期支护受力规律。黄土具有明显的流变特性,支护结构受力很大一部分承受围岩流变产生的附加荷载;另外,支护结构受力在空间上分布并不均匀对称,这些在设计中都应加以考虑。     

分离式套拱加固带裂缝衬砌的变形规律试验研究

文章基于1∶10的相似比制作拱顶带单条纵向裂缝且裂缝深度为原衬砌厚度1/3的隧道二次衬砌模型,采用弹簧模拟地层抗力,进行了分离式套拱加固衬砌(原衬砌与新增套拱之间增设防水板)的径向加载试验,得出了带裂缝衬砌经分离式套拱加固后的变形规律与破坏模式。结果表明,在松动荷载作用下,分离式套拱加固结构的受力过程分为"初期加载—预制裂缝径向贯通、预制裂缝径向贯通—套拱拱顶裂缝径向贯通、套拱拱顶裂缝径向贯通—试件破坏"三阶段,破坏荷载由原衬砌拱腰截面控制,关键部位破坏顺序为拱顶开裂—拱腰断裂—拱顶破坏,整体破坏性质为脆性破坏。     

系统锚杆的非均衡支护研究

文章以乌蒙山二号四线铁路车站隧道为工程依托,采用数值模拟手段,对多部开挖隧道系统锚杆的非均衡支护进行了研究。结果表明:在均衡支护条件下,系统锚杆轴力呈现"拱肩(1、2部)拱脚(4、5部)边墙(6、7部)拱顶(3部)"的分布,部位不均衡性显著;拱脚、边墙部位的锚杆轴力左右不对称现象也很显著,具体表现在先挖侧大于后挖侧;拱顶的锚杆轴力很小,几乎未起作用。通过分别改变锚杆长度、间距和直径,进行系统锚杆非均衡支护分析,并与均衡支护工况相比,单环节省锚杆用量分别为37%、36%和36.93%,经济效益显著。     

卸载工况下盾构隧道结构承载性能数值模拟分析

周边卸载导致的隧道横向大变形对地铁的正常运营与安全使用产生严重影响,对于隧道结构从周边卸载开始直至破坏的全过程,需要发展一种高效并能保证精度的数值模拟方法。文章首先进行不同接头刚度下衬砌环的内力及变形数值分析,表明管片接头刚度值对衬砌环轴力分布及大小影响很小,可以先使用相对简单的等刚度圆环法计算得到管片接缝处的轴力值,再将此预分析轴力值作为确定接头抗弯弹簧弯曲刚度曲线的轴力值,用三维直梁实体单元进行精细分析得到不同轴力下的管片接头抗弯刚度模型。最后将接头抗弯刚度模型参数赋给二维梁-弹簧模型中的弹簧参数,运用二维梁-弹簧法计算得到衬砌结构各级荷载下的内力和变形。该方法得到的数值模拟结果与试验结果一致,全过程数值分析表明:在侧向压力卸载过程中,接头截面处弯矩不断增大、轴力不断减小,各接头处抗弯刚度快速下降,最终结构达到破坏状态。