黄土地区隧道病害类型与机理探讨

文章通过调查8座典型黄土隧道,提出了黄土地区隧道病害的基本类型为渗水漏水、隧道塌方、衬砌变形破坏及地表变形(裂缝、陷穴、溶洞),并针对不同的病害类型,对其产生机理进行了探讨。文章分析得出黄土的类型、物理力学性质及其结构构造、地层结构特性及人们对黄土中渗流场认识不足是产生隧道病害的主要原因。     

黄土公路隧道病害分析与处治措施建议

针对新庄岭黄土公路隧道地表裂缝和衬砌开裂的病害特征,探讨了病害产生机理,并运用仿真、实测等手段详细分析了病害原因。分析表明:地表裂缝导致黄土浸水,从而使土体强度降低,变形增大,扩大了围岩塑性区范围和变形压力,恶化了衬砌结构受力状况,导致了衬砌结构局部出现裂缝。此外,根据隧道病害状况,提出了采用挖槽夯土法处治地表裂缝,采用环氧树脂嵌补及凿槽嵌入钢拱架法处治衬砌开裂的建议。研究结果为分析和处治黄土公路隧道病害提供了依据。     

大断面黄土隧道基底加固与长期稳定性分析

结合兰州周边典型大断面湿陷性黄土隧道的建设,通过室内物理力学试验、微观结构测试和数值模拟等方法,系统研究了兰州地区黄土隧道的病害机理、基底加固措施及长期蠕变规律。结果表明,黄土湿陷变形的力学特性是导致隧道结构典型病害的主因,在黄土增湿及结构劣化作用下,不均匀沉降导致大断面黄土隧道墙脚下沉、仰拱及填充层中部隆起变形并断裂。据此,提出采用旋喷桩基底加固工程措施,以控制地基土变形,确保结构安全,通过室内蠕变试验和数值分析,发现二衬施作后230 d左右,蠕变变形趋于稳定,蠕变5年后,应力场分布基本稳定,在30年蠕变期内,衬砌各项应力指标满足隧道长期运营安全要求。     

黄土塬区浅埋大断面隧道施工变形分析与控制技术

针对黄土塬区浅埋大断面隧道开挖过程中，地表水沿着裂隙、黄土节理下渗导致地表沉陷、纵横向地表裂缝及初期支护结构破坏等问题，基于三维地质仿真模型方法，进行初期支护受力特征和变形规律分析，并模拟分析地层改良效果。结果表明： 1）隧道拱部为支护结构受力最薄弱区，表现为拱顶衬砌下表面拉应力和剪应力值大，当埋深为10～15 m时下台阶至仰拱开挖阶段随含水率增加拱顶沉降变形量剧增，且累计沉降量＞250 mm时隧道结构最不安全，易产生环向张拉裂缝； 2）地表注浆能有效改善黄土的结构性能，有效控制地表沉降和围岩变形。     

考虑流固耦合效应的双模盾构施工对地表变形的影响

为研究考虑流固耦合效应的盾构施工对地表的影响,文中以穗莞深城际西宝区间大直径双模盾构在复杂地层中施工为背景,采用midas GTS NX软件建立三维有限元模型,探究渗流作用下TBM模式在硬岩中掘进时的地表变形规律。结果表明,对于位于裂隙发育、富水性及透水性中等的硬岩隧道,隧道开挖引发的地下水渗流会加剧隧道周围及地表的位移变化,因此,在计算盾构施工对围岩及地表带来的影响时,应当考虑流固耦合效应。     

黄土隧道二次衬砌开裂原因分析

在实地调查山西省某在建高速公路黄土隧道二次衬砌裂缝病害特征的基础上,通过数值模拟方式并从黄土结构性角度出发对该黄土隧道二次衬砌裂缝成因进行了分析,相关分析结果对提高黄土隧道二次衬砌开裂机理的认识及处治措施的选择具有参考价值和实际意义。     

京珠高速公路洋碰隧道水害原因分析及安全性评价

针对降雨引发的岩溶地区隧道水害影响隧道运营安全问题,以京珠高速公路洋碰隧道为例,通过地质勘探与水连通试验,探明隧址区不良地质情况与水连通特性,采用数值仿真方法探究雨后高水压下隧道结构应力场、渗流场的特征规律,并结合病害情况提出整治措施。研究结果表明: 1)地表强降雨、地层岩溶发育、灌入式雨水下渗通道是此次水害的主要原因,而这些原因综合导致的隧道外水压力过高是病害发生的直接原因; 2)由于排水能力相对不足,地层高水头下隧道结构(尤其是隧底和拱顶)仍承受较高水压力,大幅削弱了衬砌结构安全性,易引发边墙、隧底的裂损问题; 3)采取“增设泄水廊道+地表封堵及引流+增设边墙泄水孔”的整治措施后,整治效果良好。     

渗流作用下被动桩桩后土体的破坏机理

基于离散元的颗粒流方法和计算流体动力学的Navier-Stokes方程,建立了渗流作用下的被动桩桩后土体变形分析模型;分别用墙和圆形颗粒模拟桩和土体固相颗粒,用Navier-Stokes方程描述土体渗流,研究了渗流作用下桩后土体的变形破坏过程、影响因素和防治措施。结果表明:桩后土体在渗流作用下形成土拱效应,但随着土拱附近颗粒楔紧,局部水力梯度增大,土拱从拱脚开始破坏;渗透压力对桩后土体能够提供的最大阻滑力影响较大;增大桩表面粗糙度或者在桩后侧端部增加过滤墙结构能够提高被动桩对桩后土体提供的最大阻滑力。研究结果揭示了渗流作用下桩后土体的变形破坏规律,可为渗流条件下被动桩工程的优化设计提供依据。     

大气作用下非饱和黄土路基湿度变化及影响因素研究

以西北地区的黄土路基为研究对象,以夏秋季节大气作用下的降雨—蒸发作用对路基湿度场、温度场以及变形的循环作用机理为研究目的,采用室内物理力学试验、人工填筑模型试验等多种研究方法,详实展开了降雨—蒸发循环作用下非饱和黄土路基土体含水率、温度、孔隙水压力以及变形的动态响应规律和稳定性研究;并对不同大气作用下,路基土体湿度场、温度场以及横向变形的变化规律和影响因素进行分析。发现非饱和黄土路基边坡在降雨入渗过程中,对应着一个临界入渗强度,路基边坡的表层土体含水率的变化比较明显,中雨对路基土体湿度变化的影响深度最大,路基不同位置土体含水率受到影响的程度不尽相同,非饱和黄土路基中水分的入渗速度要大于蒸发速度。     

大断面黄土隧道工程特性研究

较之常规隧道,大断面黄土隧道因其断面和跨度大而具有很强的非线性力学行为。基于现场调查与室内三轴试验曲线分析,指出具有结构性强度及垂直节理是黄土围岩的2大特点。根据黄土的折线型结构强度曲线推导弹塑性应力分区理论公式,分析支护阻力、强度比、跨度等对大断面黄土隧道的影响规律。依据可考虑结构性强度与垂直节理的双线性遍布节理模型,对深、浅埋大断面黄土隧道进行数值仿真,探讨其位移形态与破坏模式。研究成果对于实际工程具有指导意义。     

浸水条件下非饱和原状黄土渗透特性研究

黄土地区铁路地基主要病害之一是湿陷性黄土产生的附加变形,然而产生附加变形的最主要诱因是湿陷性黄土浸水,所以研究黄土的浸水渗透特性是解决黄土地区铁路地基病害的关键所在。基于宝兰客运专线项目,在湿陷性黄土厚度大于30m的典型路段,根据当地的最大年降雨量,通过室内渗透实验和现场浸水试验,得到渗水在黄土地基中的渗透范围近似椭圆,最大入渗角为55°~64.2°,最深渗透深度为9m,水平最远渗透距离为7m。在设计过程中,应首先考虑防排水、严防降雨或地表水长期浸泡路基,同时可在高铁路基两侧采用长度大于9m的桩基进行阻水,进一步保证铁路路基的安全。     

刘家坪黄土隧道监控量测成果回归分析与应用

为了掌握黄土隧道围岩的变形规律，本文对吴子高速刘家坪3号隧道围岩变形的长期监测得到的数据进行了回归统计分析，并同时应用对数函数和指数函数进行了对比，结果表明黄土隧道围岩变形规律更加符合对数函数规律。最后应用分析结果给施工支护提供了科学合理的参数指导，确保了施工的安全和质量。     

高速公路隧道仰拱底鼓破坏机理分析及处治措施

针对某高速公路隧道仰拱底鼓破坏、二次衬砌变形开裂病害情况,通过现场调查、破损检测等手段查明隧道病害发生原因,并对隧道仰拱底鼓破坏机理进行了分析,提出了疏通排水设施、设置水平型钢支撑、钢花管锁脚、环向注浆等措施,有效地控制了病害进一步扩展,对变形破坏段仰拱及二次衬砌进行拆换,成功地治理了隧道仰拱底鼓破坏病害。     

湿陷性黄土路基水理性质试验研究

为了应对黄土路基的湿陷性破坏,减少路基病害的发生,以宁夏公路黄土路基为试验路段,在分析其颗粒组成和化学成分的基础上,对黄土路基的水理特性进行了深入研究,提出了宁夏黄土路基渗透和湿陷的发展规律,为黄土路基病害的防治和湿陷性评价提供理论依据。     

陕北黄土地区铁路隧道基底病害机理分析及治理措施

近年来,随着交通事业的发展,我国在黄土地区修建了大量黄土隧道,但由于人们对黄土的认识还不够深入,目前修建的黄土隧出现了不同程度的破坏,尤其是隧道基底部分病害特别严重,但目前铁道行业缺乏对黄土地区隧道产生病害原因的深入研究,本文在现场调查的基础上,以太中银铁路和包西铁路运营隧道构筑物状态调研为依托,通过对黄土地区铁路隧道的道床基底病害特点进行研究,揭示了黄土地区隧道整体道床基底产生病害的特性,分析病害产生的原因,同时提出治理方法和技术建议。     

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。     

内蒙地区黄土隧道大变形控制研究

以内蒙地区窑沟黄土隧道为工程依托,通过对施工过程中该隧道围岩变形的监控量测,了解隧道开挖过程中黄土隧道围岩变形的规律:拱部沉降的量值远大于净空收敛的量值,进而明确黄土隧道大变形的控制应以拱部沉降为主。运用有限元分析确定黄土隧道施工过程中控制隧道大变形的途径:初期支护的及时跟进能显著降低黄土隧道围岩的变形;桩处理隧道黄土地基可以有效地降低围岩变形;系统锚杆的施作对围岩变形基本没有影响。     

透水铺装雨水入渗模型与影响因素相关性研究

为了更加准确快捷地预测透水铺装内部的雨水渗流过程,探究降雨参数与路面设计参数对其渗流性能的影响,提出透水铺装雨水入渗模型,并针对影响因素的相关性进行研究。首先,基于地区水文气象资料与路面材料渗透特性,利用数学模型对降雨阶段关键参数进行量化研究,并从降雨强度与材料渗透能力的角度对雨水入渗的物理过程进行分阶段刻画,最终建立透水铺装雨水入渗-储水-排空模型。其次,针对该模型的诸多输入参数,进行正交设计试验计算各参数与径流控制率的相关性,寻找关键控制指标;基于该结论拟定典型透水铺装结构组合,选择不同降雨重现期、降雨历时与时程雨型等模拟工况对水位高度、蓄水能力等进行验算与评价。结果表明:所建模型与文献数据具有较好的吻合性,NSE指数可达0.45以上;路基土的渗透系数与路面径流控制率显著相关,暴雨工况下随着路基土渗透系数的降低,地表径流占比达到30%以上,并且几乎丧失连续储水能力,而路基土饱和渗透系数的影响性较小;溢流管可有效减少地表径流量,降低溢流风险,在极端暴雨条件下设置溢流管的道路可削减60%的地表径流,并具有50%以上的连续储水能力;时程雨型对路面渗流特性的影响较为复杂,雨峰出现时间在控制地表径流与延缓径流峰值两方面呈现相反的规律,因而需要根据当地降雨资料与设计要求进行权衡。     

降雨对黄土路堑边坡稳定性的影响分析

我国的西部高速公路建设中存在广泛的黄土区,黄土边坡一旦发生失稳破坏,就会对生活和生产会产生严重的后果,而降雨是引发边坡失稳的重要因素。由于黄土属于非饱和土,本文在剖析非饱和土力学理论的基础上,利用非饱和土边坡的降雨入渗,水分运移理论,得出了渗流方向与坡面斜交时安全系数的计算公式,并且分析了降雨强度、降雨量对边坡稳定性的影响。研究表明:土中入渗过程或含水量的改变造成土的强度或有效应力发生改变。当斜坡的应力状态达到了其极限强度时,斜坡土体发生破坏,就可能导致滑坡。     

透水铺装雨水入渗模型与影响因素相关性研究（双语出版）

为了更加准确快捷地预测透水铺装内部的雨水渗流过程，探究降雨参数与路面设计参数对其渗流性能的影响，提出透水铺装雨水入渗模型，并针对影响因素的相关性进行研究。首先，基于地区水文气象资料与路面材料渗透特性，利用数学模型对降雨阶段关键参数进行量化研究，并从降雨强度与材料渗透能力的角度对雨水入渗的物理过程进行分阶段刻画，最终建立透水铺装雨水入渗-储水-排空模型。其次，针对该模型的诸多输入参数，进行正交设计试验计算各参数与径流控制率的相关性，寻找关键控制指标；基于该结论拟定典型透水铺装结构组合，选择不同降雨重现期、降雨历时与时程雨型等模拟工况对水位高度、蓄水能力等进行验算与评价。结果表明：所建模型与文献数据具有较好的吻合性，NSE指数可达0.45以上；路基土的渗透系数与路面径流控制率显著相关，暴雨工况下随着路基土渗透系数的降低，地表径流占比达到30%以上，并且几乎丧失连续储水能力，而路基土饱和渗透系数的影响性较小；溢流管可有效减少地表径流量，降低溢流风险，在极端暴雨条件下设置溢流管的道路可削减60%的地表径流，并具有50%以上的连续储水能力；时程雨型对路面渗流特性的影响较为复杂，雨峰出现时间在控制地表径流与延缓径流峰值两方面呈现相反的规律，因而需要根据当地降雨资料与设计要求进行权衡。