高地应力软岩隧道大变形控制关键技术

高地应力环境与低强度围岩的耦合作用,增大了隧道失稳风险。为有效控制高地应力软岩隧道大变形问题,总结丽香、玉磨、成兰铁路近10座高地应力软岩隧道施工实践经验,阐述大变形隧道变形特征和关键控制技术,结合监测数据验证了相关技术的有效性,得出以下结论:1)预留变形量是避免发生大变形后初期支护侵限的重要基础; 2)对于水平构造应力占优势的单线隧道,增大边墙曲率可有效控制隧道边墙收敛; 3)双层初期支护与锚杆共同支护可有效提高初期支护刚度,减小围岩变形; 4)初期支护仰拱快速封闭,控制初期支护仰拱与掌子面距离20 m能够起到有效抑制收敛的作用; 5)合适的二次衬砌施作时机既能有效地控制大变形又能减少二次衬砌的开裂。     

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。     

一种无中导洞连拱隧道衬砌开裂原因分析及结构优化

为解决传统连拱隧道中导洞法施工工序繁琐、结构受力转换复杂等问题,云南某隧道采用了一种无中导洞连拱隧道,其后行洞钢拱架焊接于先行洞钢拱架,使初期支护相互搭接形成了连拱隧道中墙,从而避免了中导洞开挖,但在隧道施工中,先行洞二次衬砌左侧起拱线至左拱腰出现了大量纵向与斜向裂缝。结合隧道实际地质和施工状况,运用Flac3d建立了地层-隧道结构数值模型,研究分析了初期支护各自独立封闭成环和初期支护搭接处界面特性对无中导洞连拱隧道衬砌开裂的影响。结果表明:后行洞初期支护独立闭合成环时,即使初支结构之间产生了一定的滑移,隧道衬砌结构仍处于安全状态;后行洞初期支护未独立闭合成环时,搭接处会产生较大的相对滑移,初期支护承载力不能充分发挥,难以有效控制围岩变形和塑性区发展,先行洞二次衬砌承受了较大的围岩荷载,其左拱腰内侧边缘拉应力远超过了衬砌混凝土的抗拉强度,由此造成了左拱腰处衬砌开裂。因此,为避免无中导洞连拱隧道衬砌出现裂缝,建议在设计中应使连拱隧道初期支护各自独立闭合成环,合理加强中墙位置初期支护结构,施工中对关键施工环节、关键受力部位采取有效控制措施,保证支护结构的整体承载力。     

隧道施工对围岩应力变形的分析

以某高速公路隧道开挖和支护为工程背景,通过数值模拟方法分析上下台阶法、交叉中隔壁法和三台阶法3种施工方法情况下,隧道围岩的变形情况以及对支护时机的影响。设置不同的应力释放率方案,得到上台阶开挖、初衬施工步、核心土开挖和仰拱施工的应力释放率分别为50%,30%,5%和5%。采用上下台阶留核心土法施工最多允许释放90%的原岩应力,而采用三台阶法和交叉中隔壁法施工时分别为90.5%和91%。隧道的施工方法对掌子面和二次衬砌之间的允许距离具有较为显著的影响,交叉中隔壁施工方法允许掌子面和二次衬砌之间的距离最大,从而延缓二衬衬砌的支护时间。选取V级围岩中的上下台阶留核心土法的掌子面和二次衬砌之间的距离作为参考值,则需对其他开挖方法的掌子面和二次衬砌之间的距离进行修正,分别为:交叉中隔壁法1.53,三台阶法1.14。     

上官隧道塌方处理

隧道在洞口段围岩破碎时,二次衬砌要求及时施工,但在洞身段时,为了开挖进度,二次衬砌施工比较滞后,这样很容易造成掌子面与二次衬砌之间的初期支护出现塌方。对上官隧道掌子面与二次衬砌之间的塌方原因进行了分析,提出了可行的处理方案,保证了塌方处理过程中的安全。     

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。     

基于围岩压力及结构力学特征测试的隧道初期支护时机探讨

台阶法施工的隧道工程,上台阶的开挖支护是关键工序,其施工效率影响整个隧道施工的进度。因此,以黔张常铁路吴家边隧道为依托,基于现场测试结果,对Ⅳ级围岩隧道上台阶的开挖进尺和初期支护时机进行了探讨,重点研究了不同开挖进尺和初期支护时机工况下围岩压力的变化特征、初期支护的内力演变特征及其安全性。通过研究得到:Ⅳ级围岩地段上台阶开挖进尺最长可到6 m,再进行相应的支护体系施作,可提高机械设备的工作效率,加快施工进度;支护结构在刚度相同的情况下,结构内力按时间分配;二次衬砌基本不承担围岩压力,只是作为安全储备。     

高地应力软岩隧道圆形断面扩挖施工围岩及支护受力特征研究

针对高地应力软岩隧道开挖时围岩大变形问题,以某隧道圆形扩挖段为背景,采用三台阶法施工和3层初期支护+小导管注浆+二次衬砌的复合结构支护,并通过现场监测、数值模拟和理论计算研究开挖过程中的围岩变形及支护结构受力。结果表明:上、中台阶开挖时的隧道围岩变形速率较大,在仰拱封闭和第3层初期支护施作完成后,隧道变形趋于稳定;采用3层初期支护结构可有效改善隧道周边围岩应力,3层初期支护基本都是受压结构,拱腰和边墙处竖向应力最大,拱顶处水平应力最大;二次衬砌拱腰、拱顶、拱脚和边墙处安全系数均大于规范要求,保证隧道结构安全。     

某软岩隧道变形规律和二衬最佳支护时机选择研究

中和村隧道工程地质情况复杂,施工难度大,围岩级别为Ⅴ级,以全～强风化泥岩为主,隧道周边岩体自稳能力弱,需提前施作超前支护,初期支护须及时支护,以免产生过大的塑性变形,从而影响二次衬砌的正常施工,甚至出现工程事故。大变形软岩隧道的围岩变形规律与普通硬岩隧道的变形规律大不相同,而在变形-空间-时间效应复杂多变的情况下,隧道二次衬砌最佳支护时机的选择非常重要。该文通过对围岩蠕变特性的理论-位移公式计算和现场监控量测数据的回归分析,得出了该隧道围岩变形规律和二次衬砌最佳支护时机的参考范围。     

石膏质岩隧道新置换衬砌结构受力特征研究

为分析石膏质岩隧道衬砌结构置换施工后的受力特征,依托杜公岭隧道病害处治工程实例,在隧道病害处治施工阶段和运营阶段对6个不同病害现象的典型断面新置换衬砌结构的初期支护变形、初期支护钢架应力、初期支护-围岩接触压力、初期支护-二次衬砌接触压力等进行为期2.5年的现场测试。测试结果表明:在新置换初期支护单独承载的3~5个月时间内,初期支护的变形速率和变形量均较小,其中5个测试断面的拱顶沉降和周边收敛量最大,其分别为6.8,6.4mm;新置换初期支护钢架应力较小并且在二衬浇筑后较短时间就达到稳定状态,其中64处测点(总计72处)应力小于100 MPa;边墙芯样发现石膏、硬石膏成分的断面在二次衬砌浇筑后的26个月内,其边墙或拱顶测点的初期支护-围岩接触压力和初期支护-二次衬砌接触压力仍有明显变化,其中个别测点经过10~20个月才能达到峰值,另有个别测点在3~8个月到达峰值后受干湿交替环境影响会出现变化;综合分析认为,杜公岭隧道衬砌结构主要受到围岩中硬石膏的膨胀作用,石膏的吸水软化作用不明显,其围岩压力具有缓慢发展的特点,新置换二次衬砌承担了主要的围岩压力,新置换初期支护安全性较高;建议石膏质岩地层隧道二次衬砌不宜过早施作或者初期支护与二次衬砌间设置缓冲变形层,以充分发挥初期支护的承载力、减小二次衬砌承担的围岩压力。     

复合式衬砌隧道总安全系数设计法修正与应用研究

为评价复合式衬砌这一整体结构的安全性,对以往所建立的复合式衬砌隧道总安全系数设计法的不合理之处进行修正,并再次分析不同铁路隧道的安全性,同时与挪威Q法支护参数进行对比,最后结合案例说明该方法在断面形式比选方面的应用。结果表明： 1）所建立的总安全系数设计法可以为初期支护和复合式衬砌的支护构件选择、量化设计和整体优化设计提供一定的理论基础。2）采用总安全系数设计法对不同铁路隧道安全系数计算的结果与现场实际施工情况、既有隧道病害情况基本相符。3）挪威Q法提出的支护参数如果用于我国时速350 km的高速铁路双线隧道,Ⅲ、Ⅳ级围岩总安全系数满足要求且较为经济,但Ⅴ级围岩安全系数偏低;采用耐久性锚杆有利于充分发挥锚杆-围岩承载拱的支护作用,从而可以减少喷层和二次衬砌的强度,提高经济性。4）总安全系数设计法可以用于隧道断面形式与支护参数的精细比选。     

风积沙地层大跨公路隧道施工过程力学行为分析

采用三维数值模拟和现场监测的手段,对风积沙地层大跨公路隧道超前支护效果、工法参数优化、围岩压力释放和沉降发展规律进行分析。通过计算结果与监测数据的对比分析,得出了风积沙地层隧道开挖过程中围岩压力的变化形态、二次衬砌施作时机和最终形变荷载大小以及沉降发展等规律。分析结果表明：旋喷桩超前支护将掌子面潜在失稳区域控制在旋喷壳下部掌子面前方D/2范围（D为单洞开挖跨度14m）;三台阶法施工台阶长度宜取（1/3～1/2）D;二次衬砌落后下台阶掌子面的距离宜取D/2;二次衬砌分担荷载较大,分担比例约为50%。     

高速铁路隧道支护参数的计算研究

为探索隧道初期支护安全系数的计算问题,并为高速铁路隧道支护参数优化提供理论依据,根据喷锚支护的性能与特点以及现代隧道力学的基本理论,建立初期支护荷载结构模型和对应的安全系数计算方法; 针对时速350 km高速铁路双线隧道提出的3种不同的初期支护方案（无系统锚杆支护、喷锚结合支护和以锚为主的支护方案）展开适应性研究,计算分析不同埋深（400 m和800 m）条件下初期支护的优化参数以及优化后的二次衬砌承载能力,在此基础上提出优化后的高铁隧道支护参数建议值,并对优化前后的安全系数进行计算与对比。主要结论如下： 1）提出了采用围岩压力代表值作为荷载结构模型设计荷载的方法,为解决设计中围岩压力不确定的问题提供了思路,且所推荐的围岩压力代表值计算方法具有安全性与经济性; 2）提出了3种初期支护计算模型,可以为初期支护构件的选择与量化设计提供一定的理论基础; 3）提出了时速350 km高速铁路双线隧道初期支护方案及优化后的复合式衬砌设计参数,并明确了不同围岩级别、不同埋深时的承载主体; 4）提出了按照不同埋深进行支护结构参数设计的建议。     

隧道稳定性分析与设计方法讲座之三：隧道设计理念与方法

本文作为一个讲座对以往研究成果作一综述。回顾了当前采用的3种隧道设计方法,提出了基于数值极限分析的地层－结构法,克服了地层－结构法缺点,可以求得设计所需的围岩稳定安全系数,解决了当前设计中的人为性问题。对隧道深浅埋分界线进行了探索,叙述了基于散体理论的隧洞深浅埋分界标准。提出了基于弹塑性理论的隧洞深浅埋分界标准,并对2种分解标准的优缺点进行了评述。阐述了隧道设计计算的5个基本理念： 1）隧道设计必须满足运行和施工中安全要求,提出初期支护后围岩安全系数必须保证施工安全; 2）隧道设计计算模型必须适应不同工程地质条件、围岩压力特征,符合隧道实际受力情况; 3）必须符合现代围岩压力理论与现代支护原理,充分发挥围岩自承作用; 4）隧道结构计算模型也应符合结构实际受力状态,树立初期支护作为围岩加固材料,按塑性理论计算的新理念; 5）采用合理的计算方法与计算参数,确保隧道设计计算的科学性。最后以一个地铁车站为例,采用本讲座提出的方法介绍了Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ级围岩中隧道的设计方法与成果。     

基于中条山隧道的台阶法几何参数优化分析

为提高台阶法在软岩条件下施工时的安全性,充分发挥其施工高效的固有优势,以中条山隧道为工程依托对该法施工时几何参数的选取进行优化分析。分析采取数值模拟结合现场监测数据的方法,以初期支护结构安全性、掌子面稳定性以及施工便利性作为优化选择的依据。根据研究成果可知:在软岩条件下隧道采用台阶法施工时,上台阶长度控制在4~5 m时隧道初期支护结构受力合理,施工机械操作便利;上台阶高度取值为0.6H(H为隧道高度)时能较好地兼顾隧道的施工效率以及掌子面的稳定性,但是在围岩条件较差如Ⅴ级围岩掌子面出水或浅埋情况下,其取值应适当提高但也不宜超过0.7H。     

兰渝铁路两水隧道高地应力软岩大变形控制技术

兰渝铁路两水隧道地质条件极为复杂,洞身围岩为千枚岩及炭质千枚岩,属极软岩,受高地应力影响,施工时发生了挤压性大变形,变形和破坏极为严重。以现场测试和理论分析为手段,结合隧道变形特征,探索和研究了适合两水隧道的软岩变形控制技术,并得出以下结论:1)软岩隧道的变形特性及稳定性(塑性区)取决于地应力、围岩的力学特性、开挖断面等,且与围岩的支护条件密切相关;2)通过采用加大预留变形量、加大支护刚度、多重支护,优化施工方法、适时施作二次衬砌等手段有效地控制了大变形,较好地解决了两水隧道高地应力软岩施工问题。在此基础上,提出了软岩隧道大变形分级标准及其对应的支护参数。     

隧道稳定性分析与设计方法讲座之二：隧道围岩稳定性分析及其判据

作为一个讲座对以往研究成果作一综述。分析隧道围岩稳定性的3种判据,提出有严格力学依据的稳定安全系数作为围岩稳定分析的定量判据。指出围岩有剪切安全系数与拉裂安全系数,并建议采用强度储备安全系数作为围岩稳定安全系数。建立土体隧道稳定分析的新理念和新方法,计算中考虑了围岩的荷载释放,初期支护作为弹塑性材料加固围岩,并应具有一定安全系数,以确保施工安全。二次衬砌作为弹性结构,围岩、初期支护与二次衬砌共同作用确保运行安全。对岩石围岩分级提出初步建议,并以无衬砌围岩安全系数作为各级围岩自稳能力的定量判据,由此反推出各级围岩的力学强度参数,改善了参数的合理性。     

山岭隧道软弱围岩工程地质特性及施工对策

如何在软弱围岩地质条件下安全快速地修建长大隧道是当前隧道工程界面临的重要课题之一,尤其是当隧道穿越高地应力软弱围岩时,常常形成大变形等地质灾害,严重影响施工安全和进度。通过对软弱围岩工程地质特性、软岩隧道变形机制及变形控制基本理念进行分析,并结合相关工程实例提出软岩隧道支护结构安全稳定性评判标准及施工应采取的相应对策。认为:1)软弱围岩隧道由于支护参数、施工方法选择不当,支护结构强度和刚度不足以抵抗较高的围岩压力时,往往会出现结构大变形和破坏;2)软岩地段初期支护承受施工期间全部荷载,二次衬砌需承受后期围岩流变产生的荷载,软岩隧道衬砌应通过增设钢筋、加大厚度等方式增加结构强度;3)超前支护与加固技术可提高围岩的自承能力并减小作用在支护结构上的荷载,且应当成为当前软弱围岩隧道施工技术研究的发展方向;4)在高地应力山岭隧道方面,应进一步开展施工阶段地应力测试,以利于针对性地选择施工方法和支护参数。     

极高地应力软岩隧道双层支护技术

兰渝铁路两水隧道洞身主要通过炭质千枚岩软岩地层,隧道为极高地应力状态,最大水平主应力值为6.5~11.3 MPa。施工前期,隧道初期支护结构变形较大,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,局部地段二次衬砌开裂。针对前期施工中出现的问题,分别开展双层初期支护和双层衬砌试验,对试验段初期支护变形、围岩压力、接触压力、钢架应力、钢筋应力、混凝土应力等进行现场试验研究,掌握试验段设计及施工参数条件下,隧道支护和衬砌结构受力和变形规律。主要研究结果如下:1)双层初期支护变形相对较小,喷混凝土应力、钢架应力、二次衬砌混凝土应力及二次衬砌钢筋应力均未超过材料的容许应力,工作状态良好;2)双层初期支护可减少绑扎钢筋的工序,不需要再另增衬砌台车,在工序组织上更加便利,工效性相对较高。