蒙华铁路风积沙地层隧道围岩稳定性及预加固效果试验研究

为了解风积沙地层隧道失稳变形特征和预加固控制效果,以蒙华铁路风积沙地层段为依托,通过室内物理力学试验得到风积沙的基本性质和参数,并利用数值模拟对隧道最大主应力和塑性区变化规律展开分析,然后建立模型试验对不同预加固方式在风积沙地层隧道中的效果进行研究。研究结果表明： 1）风积沙抗剪切能力在含水率为7%~14%时可达到极值,此时更利于隧道围岩的稳定性; 2）隧道失稳具有突发性,主要会经历“掌子面局部破坏—拱顶持续塌方—大体积失稳”3个基本过程; 3）未采用预加固措施的情况下,开挖面前方监测断面拱顶围岩内部位移值及变形速度最大,采用水平旋喷桩与钢管组合加固后可分别降低81.1%和98.3%; 4）水平旋喷桩与钢管的组合对于开挖面前方拱顶的围岩应力控制效果最好,水平旋喷桩的加固控制范围小于水平旋喷桩与钢管的组合。     

第三系半成岩地层隧道结构设计及施工研究

第三系半成岩时间短、暴露易风化、遇水易软化,此类地层隧道施工易遇到掌子面突水涌泥、拱脚下沉、初期支护结构变形侵限等问题。文中依托云南省某隧道为研究对象,通过采取补充勘探、现场调研、理论分析,以及衬砌支护结构优化等手段,对隧道结构设计及施工措施进行深入分析研究,总结适合第三系半成岩地层隧道设计及施工的理论及方法。主要结论如下：隧道可通过设置洞内泄水孔、地表深井降水有效降低地下水的水头压力,减小掌子面突水涌泥风险;隧道超前支护采用水平旋喷桩能有效控制掌子面前方加固范围,形成固结强度高、抗渗能力强的预加固体,保证施工安全;设置锁脚钢管桩、扩大拱脚的联合沉降控制方案,可有效控制隧道拱脚下沉;取消系统锚杆加强初期支护可保证结构安全。     

蒙华铁路中条山隧道高地应力F7断层软岩破碎段施工技术

为解决中条山隧道在施工至高地应力F7主干断层段时,左右线已施工完成的247 m初期支护发生严重变形开裂的问题,选取不同段落对“刚性支护一次到位”和“柔性支护释放应力后进行二次支护”2种方案进行试验,通过对监控量测数据分析和初期支护表面观察,得出以下结果： 1）软岩大变形段落采取“刚性支护一次到位”相比“柔性支护释放应力后进行二次支护”变形速率明显下降,最大收敛速率由28 mm/d下降至18 mm/d,最大沉降速率由24 mm/d下降至12.8 mm/d,释放应力时发生变形的“度”更易掌控; 2）在采取“刚性支护一次到位”的基础上,辅以优化“隧道边墙曲率”和“施工工法”等措施,能够有效控制隧道初期支护变形开裂,确保隧道结构的质量,顺利通过F7主干断层。     

蒙华铁路阳城隧道土砂分界地层分界面位置对围岩稳定性影响探究

为了解决隧道穿越土砂分界地层的围岩稳定性问题,以蒙华铁路阳城隧道为研究对象,采用现场试验、室内试验及数值试验等研究方法对土砂分界地层围岩稳定性进行探究,重点探讨地层种类及其厚度变化对围岩变形、塑性区扩展及支护结构受力的影响。结果表明： 1）相对单一地层,土砂分界地层会影响洞周应力分布,分界面处围岩容易先出现塑性区,且土砂分界地层围岩变形性质与软弱的全砂岩地层更为接近; 2）在土砂分界地层分界面处会产生较大的水平收敛,易出现拉应力; 3）土砂分界地层中,随着砂层所占比例的增大,拱顶沉降和洞周收敛不断增大,且分界面所在台阶处支护结构的应力发展会提前达到更高的峰值; 4）当分界面出现在上台阶时,围岩会产生极大的塑性变形,支护结构承受相对较大的应力,是土砂分界地层中最不利的分界情形。     

新寨隧道岩溶水的工程地质特征

内昆线新寨隧道通过由可溶岩构成的箐门背斜，岩溶水成条带状发育分布。隧道施工中既要采取措施防涌（突）水，又要采取措施防止地表过量打水，从而保护好天然水资源。     

蒙华铁路万荣隧道粉细砂地层施工关键技术

针对蒙华铁路万荣隧道在穿越粉细砂地层施工过程中遇到的掌子面溜坍、超前水平旋喷桩间不咬合易漏砂、初期支护钢架直接立于松散砂层上导致沉降变形大等影响工程质量、威胁施工安全的主要问题,采用阶梯法开挖支护施工技术,周边旋喷桩帷幕超前支护;在格栅钢架拱脚增设钢垫板以扩大拱脚受力面积,增加钢架的稳定,减小因拱脚砂层松动引起较大的沉降变形;利用长仰拱栈桥施工仰拱,使仰拱结构封闭成环距掌子面距离不大于20 m,二次衬砌距掌子面距离不大于50 m;采用高压水喷雾器提高空气湿度,防止粉细砂层水分散失,降低其自然稳定性;并通过初期支护背后回填注浆补强等技术措施,有效防止溜坍,将沉降变形控制在5 cm以内。现场施工结果表明,上述施工技术措施有效地保证了万荣隧道穿越粉细砂地层的施工质量和施工安全。     

富水地层重叠隧道施工结构及地层变形分析

为解决重叠隧道在富水地层中施工时,开挖应力释放引起地层变形和渗流引起工后变形对隧道结构及周边建筑造成的不利影响,以深圳地铁某区段重叠隧道矿山法施工为背景,采用现场监测的方法对重叠隧道富水地层施工中隧道结构及周边土体的变形规律进行分析。研究表明,下洞施工沉降和工后沉降均较大,下洞变形稳定后施工上洞有利于上洞结构的稳定性,并验证了重叠隧道采用“先下后上”的施工顺序有利于保证结构的整体稳定性。在地下水渗流作用下,重叠隧道中段出现了地表沉降大于拱顶沉降的现象,同时造成下线隧道工后沉降极大,渗流和开挖应力释放是地层变形的主要原因。研究结果对同类地层条件下的重叠隧道施工具有参考价值。     

铁路隧道疑难工程地质问题分析——以30多座典型隧道工程为例

以30多座在施工中发生与地质因素有关的工程事件为例,归纳为15类疑难工程地质问题： 高压富水岩溶、软弱围岩大变形、太古界硬质变质岩大变形、侵入岩脉蚀变风化破碎岩体塌方和突泥、富水逆掩断层破碎带大规模突泥、层状地层大规模顺层塌方、中更新统老黄土崩塌、新第三系地层突泥涌砂、泥岩页岩可燃气体燃烧和爆炸、白云岩剪涨裂缝突砂涌砂、岩溶地面沉降、含石膏地层围岩变形、断层破碎带与软岩层面组合围岩变形、新第三系粉质黏土岩（土）垂直节理坍塌变形及石英砂岩断层破碎带突水涌砂。分析各类疑难工程地质问题发生的原因,总结其工程地质特征。针对高压富水岩溶的分类、断层破碎带突水涌砂和大变形问题、高压地下水的防治、高位选线、大变形及大变形分级标准、挤压大变形和卸荷大变形、隧道顺层偏压构造的危害、5种围岩变形失稳类型的特征对比、隧道围岩压力现场实测、岩溶地面塌陷、Q2老黄土和N2黏土层垂直节理渗水崩塌、N2弱胶结地层“流变”、石膏地层隧道衬砌开裂以及非煤系地层的可燃气等14类问题进行讨论,并从依法合规性、地质不确定性、专项地质工作、工程劣质岩、修订围岩分级和纳入规范等方面提出6条建议。     

蒙华铁路确保隧道施工质量安全关键措施

蒙华铁路隧道沿线穿越多种不良地质,工程施工难度大、风险高,控制性工程多。在总结和借鉴国内外铁路隧道修建技术的基础上,开展系列实践和创新:针对软弱围岩确立快挖快支快封闭成环的施工原则,取消CD法、CRD法等复杂工法,优先选用全断面法,其次选用台阶法;强化初期支护结构实体质量,推行初期支护格栅钢架紧跟掌子面和初期支护仰拱及时封闭成环紧跟下台阶的"两紧跟"措施;优化超前预报,把监控量测纳入工序管理,建立信息化平台,严格监控量测;依托科研试验,优化系统锚杆、钢架和二次衬砌等支护参数,保证结构稳定;推行机械作业,全面使用湿喷机械手、自行式仰拱长栈桥,研发应用马蹄形盾构,开展黄土隧道预切槽技术研究,改造二次衬砌台车等工装设备,确保工程质量;据实及时变更,合理工程造价,提高合同及投资管理效果。蒙华铁路通过多方面的探索和创新,有效解决隧道建设中一些突出的质量安全问题,保证隧道施工质量和施工安全。     

蒙华铁路九岭山隧道施工期岩爆预测研究

为保障九岭山隧道施工安全,准确预测掌子面前方未开挖段的岩爆发生状况,采用理论与实测相结合研究手段,对隧道的岩爆发生状况进行了预测。通过岩爆预测并结合已开挖段的岩爆发生情况,得出卢森、王元汉、王兰生判据的结论更适合九岭山隧道的实际情况。基于应力解除法的二次应力测试和基于应力判据法的岩爆预测准确性也得到了验证,得出九岭山隧道未开挖段DK1689+140~+450为中等岩爆区域。     

蒙华铁路三荆段深埋软弱围岩隧道荷载研究

《铁路隧道设计规范》中的深埋围岩压力公式没有考虑隧道拱部围岩本身的承载作用以及超前预支护作用,荷载计算结果偏大。为验证深埋隧道初期支护结构实际承受的围岩压力荷载,以蒙华铁路三门峡至荆门段现场监测数据为依托,通过分析围岩变形监测资料,探讨蒙华铁路隧道围岩及结构在隧道开挖过程中的变形行为,并采用拱顶沉降与水平收敛相结合的位移反分析法,建立荷载-结构法平面有限元模型,反演推导围岩压力荷载。分析结果表明:双线隧道反分析得出的围岩荷载为同级别按规范计算值的70.7%~76.5%;单线隧道反分析得出的围岩荷载为同级别按规范计算值的88.8%~93.1%。研究成果对蒙华铁路隧道现场施工和优化支护结构设计起到了很好的指导作用,希望能对以后类似隧道工程的设计和施工提供参考。     

下穿黄河砂卵石地层盾构隧道管片结构受力特征现场测试

为研究砂卵石地层中管片的力学行为,以兰州地铁1号线穿黄段为研究对象,采用改良的测试传感器走线方式,对管片内力及外部水压力进行现场测试,并进行相应的数值模拟。将现场测试数据与数值模拟结果对比分析,得出如下结论:1)外部水压力及管片内力受盾构施工影响最为显著的范围为距掌子面3~5环,在此范围内应加强对受拉区的监测,并采取相应措施防止管片在施工初期破损;2)外部水压力及管片内力在距掌子面6~13环时受施工影响逐渐降低,距掌子面13环后趋于稳定;3)运用梁-弹簧模型设计管片是偏于安全的,但应充分考虑施工荷载。     

百店隧道第三系富水砂层快速施工关键技术研究

以山西中南部铁路通道百店隧道第三系富水砂层快速施工技术为例,根据砂层的物性参数及成因,采取理论和现场试验总结,合理优化注浆工艺,针对超前注浆加固方式、钻孔泄水降压,局部补充注浆及快速开挖封闭技术进行重点研究,提出"超前周边注浆+掌子面加筋注浆+加固体外超前泄水降压+开挖过程中补充注浆+快挖快封"的快速施工关键技术,不但能有效控制开挖过程涌水、流沙、工作面坍塌失稳现象,还可在一定程度上提高综合施工效率,节约施工成本。通过实践证明,具有较好的经济和社会效益,值得类似工程借鉴。     

圆形隧道施工对不同深度地层沉降影响的模型试验研究

为了预测圆形隧道施工引起地表以下不同埋深地层沉降特征,首先,通过理论推导不同地层最大沉降位移与沉降槽宽度系数的函数关系;然后,建立包括试验台架、地层模型、圆形隧道开挖模型以及测量地层变形装置的平面应变模型试验系统。通过理论解析和模型试验可知:1)地表以下地层的最大沉降位移与沉降槽宽度系数成反比;2)不同深度地层的沉降位移随着地层埋深的增加而增大,且地表以下地层沉降槽曲线仍然符合正态分布;3)通过对模型试验数据进行回归分析,得到黏土地表以下不同深度地层沉降槽宽度系数的计算公式,从而为预测圆形隧道施工地表以下不同深度地层竖向位移提供了一种可靠的计算方法。     

砂土地层中隧道施工引起土层沉降的颗粒流模拟研究

为研究隧道施工条件下土层的沉降规律,利用离散元软件PFC2D,建立隧道-土体颗粒流数值模型,模拟砂土地层隧道施工过程中的土层沉降。研究结果表明： 通过设计,颗粒流方法可有效模拟隧道施工的开挖问题;土拱效应的发挥程度与地层损失率成正比,同时土层剪应变率呈现由隧道中轴线向两侧逐渐减小、由深层向浅层逐渐展开的分布规律。分析结果可为工程实践中分析砂土地层隧道施工引起的土体沉降规律提供理论依据。     

兰渝铁路胡麻岭隧道第三系弱成砂岩蠕变特性试验研究

为掌握砂岩地层蠕变特性,保证施工和运营期间的结构安全,以兰渝铁路胡麻岭隧道第三系富水弱成段施工为依托,从采用改制的流变仪进行蠕变特性试验,得出了蠕变方程描述弱成砂岩蠕变特性随含水量的变化情况,分析了各种含水量状态下的蠕变特性,讨论了不同含水量情况下变形与持续时间的影响关系,并以试验数据为基础提出了相配套的设计原则和施工方法。     

砂土地层盾构隧道开挖面土体应力状态分析

结合南京某越江隧道工程,建立了模拟盾构隧道开挖面失稳过程的数值模型,研究了越江盾构隧道开挖面失稳过程中土体应力变化以及由土体应力重分布引发的土拱效应。研究表明： 沿埋深由下至上,土体竖向应力随开挖面位移的增大先减小后保持不变,水平应力先减小后略微增大; 土体侧压力系数沿埋深由下至上先增大后减小; 随开挖面位移增大,开挖面前方局部土体竖向应力和水平应力同时减小,形成失稳破坏区; 失稳破坏区上部土体竖向应力减小,水平应力增大,形成拱顶区; 失稳破坏区四周土体竖向应力增大,水平应力减小,形成拱脚区,土拱效应逐渐发挥。     

兰渝铁路胡麻岭隧道第三系含水粉细砂岩地表降水试验研究

兰渝铁路胡麻岭隧道7号竖井工区通过的第三系含水弱胶结粉细砂岩具有异常复杂的水稳性特征,掌子面自稳性差,施工进度极其缓慢,采用洞内降水措施,效果很难保证,施工风险大。根据地形地质条件,对胡麻岭隧道7号竖井工区开展地表降水试验研究,对试验成果进行计算分析,了解和掌握该第三系含水砂岩的水文地质特性,确定地表降水井的设计参数。通过对降水前后围岩、施工进度的比较,验证了降水井的设计合理。     

家竹箐隧道煤系地层段病害特征及成因分析

家竹箐隧道自1997年建成运营以来,分别于2003年和2013年在煤系地层段发现有衬砌开裂、剥落、掉块、渗水等病害。对病害原因进行调查、分析,主要结论及建议如下:1)隧道的2次病害均发生在大变形处理与非处理的过渡段,病害以衬砌裂损为主;2)隧道区地应力是持续发展、聚集、提高的,既有大变形段的小里程端是地应力的主要聚集、作用区;3)区域构造产生的地应力作用是造成隧道病害的主要原因,围岩软弱、结构偏弱是次要原因;4)预计构造运动造成该隧道煤系地层段地应力的聚集、作用并导致病害的产生存在着6~10年的周期性;5)建议类似地质条件下软质岩高地应力大变形隧道设计及施工加强措施的地段应扩展到大变形两侧一定范围。     

复合地层TBM隧道施工引起建筑物沉降规律研究

浅埋复合地层TBM下穿建筑物施工过程中,豆砾石吹填注浆及软硬岩交界面所处位置均对建筑物沉降具有重要影响。为探明两者对建筑沉降的影响规律,采用数值模拟及现场监测的方法进行分析,得出以下结论： 1）由于围岩基本处于无支护状态,隧道开挖后到豆砾石吹填完成前建筑物沉降最大,约占总沉降的70%; 2）豆砾石可压缩性较强,吹填完成后建筑物依然会出现一定的下沉,约占总沉降的30%; 3）浅埋单护盾TBM隧道施工中,软硬岩交界面位置对建筑物沉降具有重要影响,依据影响程度将交界面所处区间隧道的位置关系分为3种,并给出相应的建筑物沉降控制措施。现场监测与数值分析均显示地表注浆和豆砾石及时回填注浆对控制建筑物沉降具有重要意义。