山西中南部铁路通道重载铁路隧道隧底加固方案研究

山西中南部铁路通道将开行30 t轴重列车,荷载计算与有限元数值分析表明,列车轴重增加后位于富水软弱围岩及土质地层段隧道基底应力增大,在列车活载反复作用下隧道底部易形成病害。本文论述了对已先期建成的隧道进行基底加固的必要性,论证了采用隧底注浆方案进行基底加固合理可行。     

30t轴重重载列车作用下隧底脱空对基底结构受力的影响

采用无损检测及现场钻孔法对一既有重载隧道基底进行了探测,依据探测结果分析了隧底吊空对基底结构受力的影响。同时,利用ANSYS建立围岩—隧道结构—轨道结构三维动力分析模型,依据现场取样试验并结合实车动态试验结果,分析了30 t轴重重载列车通过隧道时基底吊空对基底结构受力的影响。分析结果表明,在Ⅴ级围岩条件下,当隧底混凝土厚度1.0~1.2 m时,轻重车线同时吊空且纵向吊空超过3.2 m、重车线吊空且纵向吊空超过5.5 m、重车线半幅吊空且纵向吊空超过8.0 m后,隧底最大主应力均超过其容许应力。疲劳分析结果表明,当基底仰拱沿纵向吊空从2.5 m增加到4.8 m时,其疲劳寿命降低最为明显;从4.8 m增加至8.0 m后,其疲劳寿命降低速率逐渐减弱;超过8.0 m后,其疲劳寿命基本趋于稳定且不足1年。因此,对于隧底出现的吊空病害应该及时加固处理,以保证列车安全。     

30 t轴重下重载铁路隧道隧底结构疲劳损伤研究

鉴于重载铁路隧底结构疲劳损伤现象较普通客货共线铁路更加明显,根据现场调查对重载铁路隧底结构病害进行分类,并确定了影响其疲劳损伤的主要因素为重载列车长时间大轴重碾压。依托张唐铁路双线重载铁路隧道大型现场原位激振试验,得到了Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩条件下道床结构表面的轴重列车附加动荷载分布规律,利用Ansys Workbench仿真软件对重载铁路隧底结构损伤分布及疲劳损伤进行模拟,并结合试验所得道床和仰拱结构的动应力验证其计算结果的准确性,结果表明:将实测所得动压力时程曲线作为Workbench动力初始条件进行疲劳损伤计算具有客观性,计算得出:随着围岩条件降低,隧底结构损伤范围及损伤程度逐渐增加;在相同围岩级别30 t轴重条件下隧底结构损伤出现的时间由上至下依次递增,且损伤程度逐渐降低。研究成果可为重载铁路隧道运营期长期服役性能研究及疲劳寿命预测提供借鉴和参考。     

重载铁路隧道隧底围岩劣化的CFD-DEM模拟研究

研究目的:重载铁路隧道隧底结构较普通铁路受到更大的动力作用,列车动载-地下水耦合作用下隧底软弱围岩将发生劣化,甚至形成脱空,引发基地下沉、翻浆冒泥等一系列隧底病害。本文采用CFD-DEM耦合分析方法研究列车动载-地下水耦合作用下重载铁路隧道隧底软弱砂性土围岩劣化及脱空规律,为重载铁路隧道设计、施工及病害治理提供参考。研究结论:(1)列车动载-地下水耦合作用下隧底附近围岩细颗粒向两侧迁移流失,仰拱-围岩接触面形成局部脱空;(2)列车动载-地下水耦合作用下仰拱-围岩接触压力逐渐减小,隧底结构受力劣化,轨线位置最为明显;(3)列车轴重和行驶速度的增加将加速隧底围岩脱空及劣化的发展;(4)本研究成果可用于优化重载铁路隧道隧底结构设计,减少隧底病害,提高隧道的耐久性。     

重载铁路隧底结构病害特点及疲劳损伤机理分析

现场调查结果表明,隧底结构病害主要为隧底下沉、翻浆冒泥、侧沟外挤、混凝土破损和混凝土不密实,隧底病害连续长度多集中在3～9 m区间,围岩越差隧底结构病害越严重,隧底病害的影响因素主要为大轴重、围岩缺陷和地下水作用。基于通过疲劳寿命曲线预测铁路隧道结构疲劳损伤的方法,建立计算模型对重载线路疲劳损伤过程进行模拟分析。结果表明:在重载列车长期荷载作用下隧底结构道床、仰拱填充层和仰拱均依次出现了损伤;运行12年后重载线路道床最早出现损伤,轨枕下方损伤影响范围由上至下逐渐增大。     

25t轴重荷载作用下隧底脱空区域受力特性分析

为了研究在役铁路隧道在通车之后隧底脱空病害的问题,采用有限元理论,建立隧道脱空区域在围岩压力与25 t轴重列车动载作用下的数值计算模型,主要研究80 cm与40 cm脱空宽度分别距隧道中心线0,80 cm与160 cm时脱空区域的受力特性。结果表明:在围岩压力下,脱空区域中线上壁和外侧顶角混凝土中产生拉应力及内侧顶角中产生压应力,其中压应力对脱空的宽度更为敏感;同时施加列车动载作用时,脱空区域上壁出现了竖向动应力与横向拉应力,得到了脱空区域力学指标的最大响应值及其出现的具体位置,宽度的增加对脱空区上壁横向拉应力更为显著,上壁横向拉应力增幅超过200%,竖向动应力增幅达50%。因此,隧底脱空区周围应力分布复杂,拉应力与压应力在脱空区域同时存在,应力突变严重,对脱空现象应及时组织处理。     

轴重30t重载列车作用下新黄土区隧道适应性及强化措施研究

以在建的蒙华铁路典型隧道结构型式为基础,针对新黄土区重载铁路隧道结构动力响应、疲劳寿命以及合理强化措施等问题,采用数值模拟的方法进行研究。结果表明:随着轴重和运量的增加,既有铁路隧道无法满足30 t轴重列车长期安全运营的要求,应采取强化措施。而单一的系统锚杆注浆加固强化能力有限,须采用系统锚杆与隧底地基加固(加固深度4 m及其以上)的联合强化措施方能满足其疲劳寿命要求。通过研究,指出30 t轴重列车荷载作用下隧底结构疲劳易损位置,即二次衬砌仰拱中心、初期支护仰拱与边墙连接处,并得到满足100 a设计使用年限,新黄土区隧道二次衬砌、初期支护混凝土结构在轴重30 t列车荷载作用下的疲劳上限强度,分别为1.30和1.62 MPa,可为设计参考。     

重载列车作用下隧底结构动力响应分析

重载列车作用会导致铁路隧道基底结构动力响应不断增大，从而使基底结构产生破坏。采用数值模拟方法，建立单、双线隧道-围岩耦合计算模型，对重载列车作用下单、双线隧道动力响应随深度变化规律进行研究，对列车轴重、行车速度和填充层厚度对隧底结构动力响应特性的影响规律进行计算分析。结果表明：隧道横断面上的拉应力沿深度方向先增大后减小，在初支部位达到峰值，单线隧道轨下断面为最不利断面，双线隧道中线断面为最不利断面；随轴重增加，隧底仰拱各特征点竖向位移及填充层最大主应力响应均呈现线性变化趋势；随列车速度增加，各特征点竖向位移略有增大，但幅值变化不大；随填充层厚度增加，隧道仰拱最大加速度及最大主应力均呈减小趋势。     

既有重载铁路隧道基底混凝土厚度对隧底结构受力的影响

采用地质雷达对一既有重载隧道基底混凝土厚度进行了探测,测试断面基底混凝土厚度小于设计值。利用ANSYS建立荷载—结构平面动力分析模型,依据现场取样试验结果并结合实车动态试验结果,分析了30 t轴重重载列车通过时隧道基底混凝土厚度对基底结构受力的影响。分析结果表明,基底混凝土安全系数从规范中的3.0降至2.0,有一定的安全储备。考虑到隧道结构尺寸要求,示范段内的隧道基底混凝土厚度Ⅴ级围岩区应不小于0.5 m,Ⅳ级围岩区应不小于0.4 m。因此,对于隧底出现的混凝土厚度不足情况,应酌情进行加固处理,从而保证列车安全运营。     

隧底围岩软化对鹰鹞山隧道衬砌结构开裂影响的数值分析

裂缝是隧道衬砌结构的主要病害之一,其中隧底围岩软化也会导致衬砌开裂。本文应用数值模拟方法,模拟分析隧底围岩不同软化程度和软化厚度的条件下,隧底围岩软化对隧道衬砌结构开裂的影响规律。结果表明:隧底围岩软化越严重,隧道衬砌结构拉应力越大,最先破坏位置为边墙最大跨处,与现场观测基本吻合。     

川藏铁路富水软岩隧道排水及隧底加固施工方法

采用逐级泵站结合袖阀管后期隧底加固施工方法,解决拉林铁路杰德秀1号隧道内富水软岩地带的排水和隧道底部围岩稳定性问题。逐级泵站可将水及时排除,有效防止施工面围岩受大量地下水长时间浸泡,保留围岩自身的有效强度和自稳能力。袖阀管注浆通过劈裂、渗透、挤压密实等作用,使浆液与土体充分结合,形成较高强度的水泥土固结体和树枝状水泥网脉体,有效提高隧底处围岩的稳定性。逐级泵站结合袖阀管注浆方法相辅相成,解决了川藏铁路隧道富水软岩地带防排水和隧底加固施工的技术难题,为其他类似工程提供参考。     

高速铁路隧道仰拱结构受力现场实测分析

针对高速铁路隧道仰拱受力状态复杂且对高速列车行车安全至关重要的特点,现场测试兰新第二双线福川隧道返工后仰拱混凝土和钢筋的应力,分析仰拱结构中混凝土和钢筋的受力特征及应力变化规律。结果表明:受隧道二衬自重及上部围岩荷载、隧道基底围岩膨胀、轨道道床及列车荷载的作用,返工后仰拱混凝土经历了受压、出现局部拉应力、拉压应力稳定的变化过程;仰拱中混凝土和钢筋的最大拉应力均出现在仰拱中心上部,从仰拱返工到隧道运营的整个过程中,混凝土的最大拉应力为1.9MPa,最大压应力约为8MPa;地下水大量补充后,隧底围岩膨胀释放大量荷载,使得混凝土应力、钢筋应力以及土压应力迅速增大。基于监测结果及地质条件,提出将福川隧道仰拱底鼓分为轻微、中度和严重3种程度,针对每种程度的底鼓给出相应的控制措施。     

铁路隧道隧底质量缺陷整治技术研究

研究目的:近年来随着隧道建设迅猛发展,在山区城市,铁路隧道已经成为日常生活中不可或缺的建筑,与此同时,其规模也越来越大,具体表现在长度大、车道多等多个方面,这对其施工和运营带来很大的挑战。为有效、彻底整治铁路隧道隧底质量缺陷,确保铁路隧道的结构安全和正常运营,本文通过对龙岩至厦门铁路象山隧道的隧底缺陷整治设计进行研究,旨在提出针对性的整治措施。研究结论:(1)结合线路现场检查、隧道现场检查、地质雷达检测和钻探调查等手段对隧底进行全方位的检测,得到了隧底病害的具体数据;(2)依据检测得到的隧底缺陷数据,针对性地设计出两种整治措施——"拆换隧底结构"和"补强加固";(3)本文所提出的两种整治技术可对今后隧道工程隧底病害及缺陷整治起到一定的借鉴作用。     

高铁隧道隧底及围岩变形耦合监测分析

随着我国高速铁路建设迅猛发展,铁路隧道在软弱围岩中开挖的情况屡见不鲜。过大的隧底变形发生后,会导致隧道衬砌开裂破坏,形成铁路工程安全隐患。在广泛调研国内外文献基础上,梳理分析已有研究成果,提出在关注隧底结构的同时,不可忽视围岩状态的监测与分析。基于某高铁隧道工程案例,提出隧底结构与围岩状态耦合监测方案与实施过程。监测数据表明,隧底围岩压力基本达到稳定,围岩压力最大值为500 kPa;隧道拱底处于上拱变形发展中且无收敛趋势,隧底变形过大带来持续性变形。该研究对高铁隧道施工具有现实指导意义。     

富水隧道整体道床及隧底病害治理技术研究

研究目的:针对某长大富水隧道在运营过程中整体道床与隧底出现张合的现象,对产生病害的原因进行分析,采取合理的整治措施,封堵地下出水及注浆加固病害区域,确保铁路线路运营安全。研究结论:(1)现场实践表明病害区域采用组合锚杆锚固方法与定量定压注浆方法治理病害区域的方法是可行的;(2)轨道高程监测结果表明注浆施工前后道床板未发生明显变形,注浆压力满足线路安全控制要求;(3)列车通过时道床板的动态监测结果表明整治后道床板已处于稳定状态,病害区域加固效果良好;(4)该研究成果可为类似长大富水隧道病害治理提供参考。     

大断面黄土隧道围岩流变对旋喷桩地基受力与变形的影响

黄土隧道基底病害是较为常见的一种病害形式.为了分析大断面黄土隧道加固地基的基本性状,以傅家窑1#隧道旋喷桩加固段为依托,在考虑围岩流变条件下,采用数值模拟的方法,对隧道加固地基受力与变形进行了分析.研究结果表明:隧道地基压力随围岩流变时间的增长逐渐增加,加固地基压力最终呈现为"马鞍形".隧底围岩应力在流变初始阶段呈现"...     

重载铁路软弱基底黄土隧道仰拱开裂整治及隧底加固

为解决某重载铁路长大、有水黄土软弱基底隧道仰拱开裂病害,首先开展了裂缝分布、混凝土结构质量及围岩地质情况详勘。在此基础上分析隧道仰拱开裂的原因,有针对性地提出引排水、裂缝注浆堵裂、钢花管注浆加固隧底、仰拱表面敷设钢筋网加强的整治措施,有效解决了出现的问题,为同类问题的预防及处理提供了一定经验。     

30t轴重条件下隧道技术标准研究

研究目的:货运重载是铁路发展的趋势之一,目前我国重载列车的轴重是25 t,近期的发展目标是轴重达到30 t.轴重增加将使轨道和轨下基础承受较大的荷载,也将增加隧道基底病害的发生几率.因此需要深入研究轴重增加对隧道基底结构的影响,研究30 t轴重下隧道的技术标准.研究结论:以客货混跑的太行山隧道为基础进行重载铁路隧道的断面设计基本上是可行的;重载铁路隧道应取消单纯的铺底结构,在Ⅲ级以上围岩设置仰拱,且仰拱的矢跨比和厚度应不低于客运专线隧道标准;由于重载列车荷载的复杂性和围岩的千差万别,在制定30 t轴重条件下隧道技术标准时需要结合目前重载线路进行大量现场测试.     

半隧半路特殊隧道施工力学行为分析研究

研究目的:连拱隧道跨度大,在洞口边坡偏斜地段,为了避免高挖深填,保护自然环境,在埋深较大的一侧采用暗挖结构,埋深较浅的一侧修筑路基,中间是可以抵挡边坡推力同时兼作隧道边墙的耳墙,仍与中墙连成整体,即半隧半路的结构形式。半隧半路特殊隧道形式新颖,施工难度大,受力复杂,采用数值分析和现场测试开展了半隧半路特殊隧道施工力学行为研究。研究结论:暗洞开挖后,耳墙基础底部右侧围岩出现较大拉应力,形成弧形滑移带,实际施工中对耳墙基础底部采用锚杆+注浆进行加固。耳墙外侧在高8.5 m处出现较大拉应力,但小于混凝土抗拉设计值,经实测,耳墙水平位移值很小,表明耳墙的强度和稳定性都处于安全范围。暗洞的支护结构受力较小,施工完成后二衬应力变化较小,表明施工前对左侧边坡的加固处理作用明显,从而验证了半隧半路特殊隧道设计、施工的合理性,为以后类似工程提供借鉴。     

重载铁路隧底隆起病害换底整治技术

针对一运营重载铁路单线隧道隧底隆起病害,在现场调研及无损检测的基础上,分析了病害成因,提出了下沉式纵横梁长距离架空线路换底方案,明确了纵横梁尺寸、连接、支护、锚固等关键参数,形成了有限天窗时间内的施工组织设计。隧道采用的纵梁悬挂横梁方案施工便利且纵横梁体系稳定可靠,实现了有限天窗时间内开挖段长距离线路全部架空,多个开挖段同步快速换底施工,满足万吨列车在10‰的线路坡度下以45 km/h速度安全通过的要求。