中老铁路膨胀性盐岩地层隧道结构体系优化及施工技术探究

为解决膨胀性盐岩地层隧道修建时出现的大量衬砌裂缝、仰拱底鼓开裂等问题,同时为保证隧道后续快速安全施工及长期健康服役,采用现场调查、数值模拟和监控量测等方法,对膨胀性盐岩地层隧道结构及施工技术进行深入研究。研究结果表明:1)含盐地下水对混凝土的侵蚀引起的膨胀压力是原马蹄形隧道衬砌开裂的根本原因。2)250 k Pa的地层膨胀压力可大幅度增大围岩变形,但对隧道掌子面纵向挤压变形基本没有影响,可减小拱顶处的最大主应力,但会大幅度增大仰拱处最小主应力。3)多层支护可对洞周围岩变形起到积极的约束作用,也可明显减小掌子面纵向变形,对初期支护最大主应力基本无影响;无膨胀压力时,会引起墙脚最小主应力集中;有膨胀压力时,可减小其他部位的最小主应力。综合考虑围岩稳定性、支护受力以及施工成本控制等,膨胀性盐岩地层多层支护隧道施工宜采用二台阶法。现场实测证明采用3层衬砌、2层防水、全环注浆并施作隧底阻水榫后,围岩变形量小,衬砌未开裂。通过指数函数对围岩变形进行拟合,证明数值计算结果基本可靠。     

石膏质岩膨胀特性的试验研究

石膏质岩分布广泛,其膨胀特性对公路隧道支护结构的设计影响巨大。为了研究石膏质岩的膨胀特性,以宜巴高速公路凉水井隧道区出露的石膏质岩为研究对象,通过硬石膏岩粉末进行模拟研究,分别开展了自由膨胀率、膨胀率及膨胀力试验,在此基础上分析了石膏质岩膨胀特性的影响因素。     

石膏质岩特殊性质对隧道结构稳定性影响及处治技术

石膏质岩在水环境中具有复杂的特殊力学性质。为研究石膏质岩特殊性质对隧道结构稳定性影响,依托山西南吕梁山隧道工程,对现场采集的石膏质岩样进行膨胀力测试。通过对隧址区内地下水的调查,进一步剖析石膏质岩对衬砌混凝土的腐蚀作用形成机理。在此基础上,采用数值模拟进一步探讨石膏质岩的膨胀及腐蚀特性对隧道结构稳定性影响。针对石膏质岩隧道病害的产生特点,提出相应的处治思路及处治技术。结果表明:石膏质岩遇水会产生一定的膨胀特性及腐蚀特性,对隧道结构稳定性具有较大的不利影响。提出的处治技术可为类似工程提供借鉴。     

穿越破碎带隧道掌子面力学模型及最小安全厚度研究

隧道穿越断层破碎带的稳定性及安全防护问题是目前隧道建设的难点。针对隧道掌子面前方存在破碎带松散岩土体的典型工况,基于隧道围岩以及掌子面的力学特性,采用理论计算、数值模拟、工程实践相结合的手段,提出了掌子面稳定岩体的最小安全厚度计算方法,并对隧道掌子面前方破碎带的预加固及处治方案进行了探讨。首先,建立了破碎带-岩板力学模型,将掌子面的岩体等效为受荷载作用的岩板,对受破碎带压力的岩板最小安全厚度展开计算分析,得到了岩板厚度与岩层倾角、破碎带有效高度的关系表达式,并对帷幕注浆处理参数进行了优化;随后基于理论计算结果,与某隧道穿越破碎带施工中因未控制掌子面岩体厚度而导致隧道失稳的典型案例展开对比分析;最后结合Comsol Multiphysics软件开展数值仿真模拟,分析了不同岩层倾角、隧道埋深、注浆预处理参数等因素对掌子面岩板最小安全厚度的影响。结果表明：理论计算、工程实际与数值模拟结果具有较好的一致性;正常施工时掌子面最小安全岩板厚度随破碎带有效高度的增大而增大,随岩层倾角增大而减小,故应在达到安全厚度之前对破碎带进行预支护;在选用帷幕注浆方法对破碎带进行预处理时,最小安全岩板厚度随着岩层倾角的增大而减小,此时在注浆过程中需要保留较大的安全厚度,同时控制注浆压力。     

多因素综合作用下含膏隧道病害特征及诱发机理研究

石膏质岩遇水会出现复杂的力学性质变化,改变了隧道结构原有的受力模式,从而诱发隧道病害的产生。为探究石膏质岩特殊性质与隧道病害的内在联系,依托山西某隧道工程,首先对隧道中产生的病害进行调查与归纳。而后,通过数值模拟进一步探讨石膏质岩的膨胀、溶蚀以及腐蚀特性对隧道结构稳定性影响,并由此揭示各类病害的破坏机理。结果表明:石膏质岩隧道病害可分为膨胀破坏类、溶蚀空洞类、腐蚀-侵蚀类3种类型,实际典型病害特征常为该3种类型的综合体现。     

膨胀力对合肥市轨道交通浅埋暗挖隧道的影响研究

以合肥轨道交通1号线为工程依托,采用数值模拟与工程实测相结合的方式,以开挖过程中地表沉降和隧道变形为评价指标,分析了膨胀土地层对浅埋暗挖台阶法施工过程的影响。     

地下空间开挖过采空区时覆岩移动变形的数值模拟研究

为掌握在采空区上方开发地下空间时,地下空间开挖对采空区覆岩移动变形的影响情况,以山西拟开发的跨越南坑矿8#煤层部分采空区的某大型地下空间工程为研究对象,采用数值模拟方法研究分析开挖对采空区覆岩的移动变形影响,发现控制层及其稳定性在开挖过程中对地下空间工程的稳定性起着至关重要的作用。开始开挖时控制层在应力作用下纵向下移,在开挖面经过采空区一段时间后停止移动,而非控制层在应力作用下继续移动,导致离层;开挖过程中采空区覆岩横向不同程度的错动,总体趋势是两侧岩层向中间移动;控制层的稳定性对岩层的移动变形有重要作用,控制层稳定存在时,其上部岩层不会产生向下的大变形,否则相反。为进一步开发研究地下空间开挖过采空区时的岩层控制技术提供了理论基础。     

基于有限元分析的隧道预留变形量设置研究

目前隧道预留变形量通常根据工程类比法进行设置,缺乏联系实际的理论指导极易造成资源浪费。针对深埋硬岩隧道的变形特点,以虹梯关隧道为工程依托,利用有限元软件模拟分析隧道变形同时结合隧道现场实际变形情况进行对比设置了新的预留变形量,通过研究其对超欠挖、出渣量等参数的影响,确定最优方案运用并指导现场施工。结果表明,新的方案能够很好的运用到该工程中,在一定程度上节省了开支,加快了工程进度。     

上软下硬复合地层双线平行隧道施工影响分析

在隧道建设过程中会遇到上软下硬的复合地层,如何控制复合地层隧道开挖对围岩和地层变形的影响成为亟待解决的工程问题。青岛地铁十三号线(R3)二期工程在施工中,隧道穿越上覆地层以土层为主、下部以岩层为主的"上软下硬"复合地层。通过采用数值模拟和现场监测并反馈的方法对青岛地区"上软下硬"复合地层双线平行隧道围岩变形特征和地层移动规律进行研究。研究结果表明:隧道在穿越均一或复合地层时,围岩和地表会产生不同程度的变形;隧道围岩软硬岩比例越高,隧道拱顶下沉、隧道底板隆起和地表沉降量也越大,且以先行隧道拱顶沉降最为显著,在施工中应加以重视。这为双线平行隧道在上软下硬复合地层施工提供了一定的指导意义。     

基于仿真分析的软岩隧道喷层厚度优化探讨

以西部某千枚岩软岩隧道为工程背景,采用三维有限元数值模拟手段对不同喷层厚度条件下围岩的洞周位移、喷层混凝土内力进行对比分析,对其随喷层厚度增加的变化规律进行研究。结果表明：喷射混凝土厚度的大小对软岩隧道围岩变形的控制作用不明显;喷层厚度的大小对下台阶开挖后的内力影响显著;喷射混凝土厚度对围岩变形控制具有一定作用,但仅限于一定厚度范围内,当喷层厚度超过一定量值后,喷层对于围岩变形控制效果将不再明显,但其对喷层内力的影响却更加显著。     

砂板互层岩体中隧道围岩力学特性研究

通过建立可反映互层岩体中砂岩与板岩组成、岩层倾角、岩层走向等因素变化对岩体变形影响的互层岩体本构模型,研究了砂板互层岩体中隧道围岩的力学特性。研究结果表明:岩体中板岩体积含量越高,围岩最大变形及破坏范围越大,隧道周边围岩变形不对称性也越明显,板岩结构面的内摩擦角大小对岩体变形及破坏范围影响很大,板岩沿结构面破坏为砂板互层岩体的主要破坏形式之一;砂板互层岩体的倾角变化将影响隧道周边围岩变形的对称性及破坏区域的分布,倾角在40°～60°时,围岩变形的不对称性最明显,板岩含量较高时,砂板互层岩体的最大变形随倾角的增大而降低;岩层的走向与洞轴线交角越大,围岩变形越小,隧道周边围岩变形也越趋于对称,在陡倾砂板互层岩体中,洞轴线应尽可能沿与岩层走向大角度相交的方向布置以利于围岩的稳定;随着埋深的增加,围岩变形及破坏范围均增长,因岩层倾角、走向变化引起的隧道周边围岩变形不对称性也越明显。     

水平层状岩体连拱隧道施工数值模拟与现场实测

针对水平层状岩体火麻冲连拱隧道,考虑不同强度岩层组成的软硬互层岩体,利用数值模拟手段进行隧道施工全过程分析。结合现场实测,探讨了水平层状岩体条件下连拱隧道围岩与支护结构变形受力特点。指出连拱隧道结构设计与施工过程的薄弱环节,可为相关工程提供参考。     

水平层状岩体连拱隧道施工数值模拟与现场实测

针对水平层状岩体火麻冲连拱隧道,考虑不同强度岩层组成的软硬互层岩体,利用数值模拟手段进行隧道施工全过程分析。结合现场实测,探讨了水平层状岩体条件下连拱隧道围岩与支护结构变形受力特点。指出连拱隧道结构设计与施工过程的薄弱环节,可为相关工程提供参考。     

下伏煤层采空区对公路隧道影响的数值分析

下伏煤层采空区具有隐伏性强、空间分布及变形复杂等特点,对公路隧道影响大,如何评价采空区对公路隧道的影响是目前的技术难题。文中结合工程实例,采FLAC~(3D)三维数值软件,系统分析了煤层开采引起的覆岩塑性变形、覆岩应力分布、隧道底板水平变形、倾斜及曲率等特征。结果表明,随着煤层的逐步开挖,空区上覆岩层至地表均产生了一定程度塑性变形;隧道底板水平变形量、倾斜值、曲率值超过容许变形值,需采取工程措施处治或避让处理。     

水平岩层公路隧道围岩稳定性的物理模拟研究

本文采用底摩擦试验方法,再现了不同条件下水平岩层隧道围岩变形破坏的发展演变过程,对层厚与水平岩层隧道围岩变形破坏的关系进行了研究。研究结果表明:水平岩层隧道围岩变形破坏模式是拱顶和拱肩在重力作用下的离层变形破坏,隧道围岩的整体破坏不是瞬时发生的,层厚对于水平岩层隧道围岩的稳定性有很大影响,岩层越厚,围岩越稳定,岩层越薄,越容易变形、破坏,根据研究成果提出了水平层状隧道围岩的加固措施建议,可为相似工程的设计与施工提供参考。     

隧道石膏质岩危害及对策研究

以宜巴高速路凉水井隧道出露的石膏质围岩为研究对象,在开展的研究石膏质岩膨胀特性、溶蚀及溶出特性、强度特性、对混凝土劣化特性的试验基础上,结合工程实际总结石膏质岩对隧道建设可能产生的危害,并提出了相应对策。研究结果表明:石膏质岩强度较低,属软岩。遇水水化膨胀,挤压衬砌结构,影响混凝土结构的耐久性。遇水易软化,软化后强度降低,变形增大,使隧道围岩稳定性降低。易溶蚀,溶蚀后结构遭到破坏,围岩稳定性降低,溶蚀后溶出大量硫酸根离子于环境水中,长期从外部侵蚀混凝土支护结构,使之产生破坏。石膏质岩误作为混凝土骨料,从内部侵蚀混凝土支护结构,使之产生破坏。石膏质岩的不良工程特性将对隧道建设产生诸多不利影响,隧道建设中应采取相应的防治措施。     

顺倾向层状岩土质混合高边坡稳定性分析

运用FLAC3D数值软件对某典型顺倾向岩土互层的岩土质混合高边坡进行开挖数值模拟,比较分析岩土互层边坡与一般层状岩质高边坡的开挖影响,得出了岩土质混合边坡受开挖影响局部产生位移突变现象及位移变化量、影响深度等较一般岩质边坡大的变形特征,并结合现场位移监测结果推断出第Ⅰ、Ⅱ级坡可能发生浅层剪切破坏;通过比较分析岩土互层边坡中土层与岩层的粘聚力对边坡安全系数及最大变形位移的影响,得出岩土互层边坡中的土层对边坡稳定性影响比岩层明显得多.     

桦木沟隧道围岩偏压稳定性研究

赛果高速公路隧道工程是新疆地区首次出现的长大高速公路隧道,具有地质环境条件复杂、岩层节理裂隙发育、风化严重、围岩变形大和自稳时间短等特点。通过严格采用新奥法施工,根据监控量测及时进行设计变更并调整初期支护参数和施工工艺,确保了各条隧道的安全和经济施工。针对其中的偏压隧道———桦木沟隧道,通过地表下沉和数值模拟分析了偏压隧道围岩的变形特征以及稳定性状态,并对隧道偏压的影响因素进行了分析,给出了预防和治理措施,对相类似隧道的设计与施工具有参考价值。     

鹧鸪山高地应力软岩隧道大变形预测与施工技术研究

鹧鸪山隧道所穿岩层主要为千枚岩、板岩及变质砂岩，为高地应力软岩隧道。采用现场判断和工程类比对该隧道大变形进行预测，对存在的初级和中级隧道大变形采取相应施工技术措施，并对隧道大变形的预测和处治进行效果检验。     

仰拱步距和台阶长度对软岩大断面隧道稳定性影响分析

在软岩大断面隧道施工过程中,围岩稳定性控制难度很大。依托宝兰客专古城岭隧道的勘察设计资料、施工工艺和监测数据,建立符合工程实际的基本数值模型,分析软岩大断面隧道的变形特点,揭示仰拱步距和台阶长度对初期支护变形的影响规律。根据模拟试验结果指导古城岭隧道大变形区段施工,将初期支护累计变形减小了70%。