隧道爬坡开挖与水平开挖掌子面稳定性对比分析

地铁附属结构施工时受场地及工期影响往往采取爬坡开挖方式。为了确定其掌子面的安全状态,文章通过理论分析并结合数值模拟,对比分析了爬坡开挖与水平开挖下掌子面的稳定性。其中,采用极限分析上限法掌子面破坏区假定,对比分析了爬坡开挖与水平开挖的破坏区影响范围及位置;采用数值分析方法,研究了爬坡与水平开挖不同工况下等值应变区的位置和掌子面水平位移变化规律。分析结果表明:隧道爬坡开挖造成的影响区范围略大于水平开挖,影响区位置比水平开挖略低;掌子面0～1/3高度范围内爬坡开挖引起的水平位移比水平开挖略大,掌子面1/3高度以上范围内略小;爬坡与水平开挖下掌子面最大水平位移均位于掌子面1/3高度处,且爬坡开挖下掌子面变形并不大于水平开挖;在不考虑超前支护的情况下,爬坡与水平开挖的掌子面稳定性基本一致,而在选取适宜的超前支护措施前提下,能够保证掌子面的稳定性。     

采用三台阶工法开挖的原位扩建隧道现场监测及分析

为研究三台阶法施工对原位扩建隧道结构及邻近既有隧道扰动的影响规律,文章依托福建厦蓉高速公路后祠隧道原位扩建工程,分别对隧道围岩及支护结构应力、松动圈及应力场和邻近既有隧道爆破振动进行了现场监测。结果表明,断面各部位围岩及支护结构应力随时间推移而缓慢增加,最终趋于平稳,且每级台阶开挖均会对其产生扰动,表现为应力的突增;扩建后隧道围岩松动圈拱顶位于6~9 m深处,左右边墙均位于0~6 m深处,拱顶沉降位移大于两帮收敛位移。左边墙围岩应力大于右边墙围岩应力,洞周3 m深处围岩应力小于6 m深处围岩应力,开挖造成的围岩塑性区为3 m左右;施工中实际爆破振速大多小于设防标准,爆破对既有隧道的支护结构体系未造成重大破坏,最大爆破振速出现在监测断面前10 m左右的位置,与掌子面相比振速增长2.9%~4.5%,且围岩质量越好,峰值振速越大,最大峰值振速断面前方振速衰减速度远远小于后方振速衰减速度。     

浅埋软弱围岩隧道变形特征研究

软弱围岩隧道受开挖扰动影响变形明显,施工中若稍有不慎,就会导致隧道塌方。文章以厦门莲岳隧道A匝道隧道为工程背景,结合隧道所处地质条件,采用数值模拟和现场监测相结合的方法,对浅埋软弱围岩隧道变形特征进行了研究。结果表明,对于软弱围岩隧道,不论是全断面开挖还是台阶法开挖,掌子面挤出位移最大,拱顶下沉和地表沉降次之,洞周收敛最小;隧道围岩变形可以分为掌子面前方的先行变形和掌子面后方变形,围岩条件越差,先行变形越大,约占总变形的10%~30%;采用台阶法等分部开挖工法,可减小对掌子面前方围岩的影响范围及变形。在对浅埋软弱围岩隧道的周边环境有严格变形控制要求时,要采取更为严格的预加固措施来控制隧道施工引起的围岩变形,以确保隧道施工及周边环境的安全。     

浅埋大断面黄土隧道下穿高速公路设计方案研究

结合郑州至西安客运专线阌乡隧道科研试验段测试结果,对大断面黄土隧道(175 m2)、浅埋(10 m)、斜交(15°)、长距离(270 m)下穿连-霍高速公路设计方案进行了研究,制定了双层大管棚超前支护、双层初期支护及双侧壁导洞法施工的下穿方案.施工实践表明,本工程的设计是成功的,特别是设置双层大管棚效果明显,有效地保证了施工安全,使连-霍高速公路路面沉降控制在5cm以内.     

隧道掌子面与溶洞安全距离分析

岩溶地区隧道开挖掌子面前方存在的大型溶洞对施工的威胁非常大,如何确定开挖掌子面前方合理的岩盘安全厚度,并及时进行超前支护或对溶洞进行处理,是岩溶隧道施工中必须解决的一个关键技术问题。文章通过数值模拟和理论计算,对隧道掌子面与溶洞安全距离的影响因素进行了分析研究,建立了预测隧道掌子面前方岩盘安全厚度的计算方法(经验类比法、理论计算法、数值分析法)及计算图式,给出了安全距离计算公式并进行了工程实例分析。     

穿风化槽水底隧道施工中围岩变形行为分析

对穿越风化槽和一般岩层的水底隧道分别进行实体建模,应用有限元程序对其施工全过程进行弹塑性数值模拟,得出施工过程中两种工况下目标断面地表、拱顶、仰拱、边墙和目标掌子面处围岩的变形行为及位移分布规律。结果表明,地表沉降主要发生在上台阶的开挖过程中;地质条件越差,目标断面之前的岩体开挖产生的地表沉降占总沉降量的比重越大,更应注意加强超前预支护;地层隆起显著区域集中在距洞壁4 m范围内;水平位移则集中在距洞壁6～8 m的范围内;目标断面最大Z向位移点位于掌子面中心下方。     

铁路隧道下穿既有公路地层变形特性研究

文章结合张唐铁路工程燕山隧道下穿公路出口段,采用三维有限差分程序,研究分析了其施工过程中的地层变形特性、力学响应、能量积聚及塑性区分布特征.研究结果表明:公路最大沉降量小于规范要求,围岩竖向最大变形为20 mm,水平变形为16 mm;掌子面前方挤出变形明显,最大值为38 mm;边墙能量密度集中现象较显著,位于距洞壁5 m深部围岩处;掌子面前方6 m左右围岩处出现能量积聚,为掌子面稳定关键部位:塑性区主要集中在掌子面前方、拱肩、边墙及墙脚.为此,建议对掌子面进行预加固,保证墙脚和拱肩部位配筋,提高结构整体稳定性.     

散体围岩隧道开挖中超前小导管注浆的作用

散体围岩隧道开挖后,围岩稳定性差,易出现大变形沉降、掌子面挤出、拱顶坍塌等危害,必须进行超前支护。以吉怀高速公路杜夜隧道进口浅埋强风化岩层段为例,对超前小导管注浆在散体破碎围岩开挖中的加固机理进行探讨,采用FLAC~(3D)三维数值模拟方法,结合遍布节理模型描述岩层结构的特点对小导管注浆施做过程中的受力、位移变形及支护效果进行研究,定量分析超前小导管注浆的加固机理。研究表明:对于散体破碎围岩,采用遍布节理模型可同时考虑岩块和节理属性,更符合岩体状态和工程实际;超前小导管注浆技术能改善围岩的力学性质,提高岩体的刚度及强度,增强散体围岩自稳能力,显著抑制散体破碎围岩的变形,减少隧道支护结构的变形和受力,避免散体围岩隧道开挖中坍塌现象的发生。     

抓马山隧道浅埋暗挖下穿青兰高速数值模拟分析

以抓马山隧道下穿青兰高速连接线为分析对象,运用MIDAS/GTS建立数值模型,采用地层-结构法计算,计算施工过程中围岩及支护结构的应力、位移值,论证了隧道暗挖法下穿高速公路的可行性。     

人工素填土下浅埋暗挖横通道CRD法施工的地表沉降监测分析

浅埋暗挖隧道距离地表近,施工工序繁多,开挖和支护相互交错,施工过程中地表变形复杂。文章介绍了大连地铁2号线春光街站的工程概况和施工监测方案,并对其横通道地表沉降数据进行了分析研究。分析结果表明,在人工素填土下隧道开挖引起了地表整体下沉呈扁漏斗状,沉降槽特征较为明显;隧道掌子面施工对地表有明显影响,横向影响范围为30 m,纵向影响范围为15 m。由此提出建议,监测布点在掌子面前方15 m、监测有效期限为70 d,即可满足隧道围岩稳定性要求。     

上软下硬地层地铁隧道下穿既有城市道路的变形规律及控制措施研究

在上软下硬地层中进行隧道开挖时,常引起较大的地表沉降,危及既有建(构)筑物。文章依托深圳地铁7号线安托山停车场出入线下穿深圳北环大道工程,采用数值模拟和现场监控量测相结合的方法,利用三维有限差分软件FLAC~(3D)建立了下穿施工过程数值计算模型,分析"八"字形隧道下穿既有道路施工过程中,路面沉降特性及地层沉降规律,并通过现场多种监控量测手段加以对比验证。研究结果表明:地表沉降槽总体呈"人"字型,在隧道间距小于2.0D时,左右隧道拱顶沉降槽叠加效应明显。在隧道间距小于4.0D时,地表沉降有较大叠加;左右隧道开挖引起的上覆地层变形影响范围随深度增加而减小,减小速度随地层深度增加而增加;通过分析模拟过程中每一开挖步引起的地表沉降量,论述了超前支护措施对控制地表沉降的作用,并就超前注浆参数进行对比研究,进而优化了施工工法与支护对策。     

隧道掌子面地震动力响应特性及加固方法

文章以雅沪高速公路石棉隧道为工程背景,研究分析了地震动力作用对隧道掌子面稳定性能的影响及加固措施。首先,阐述了隧道震害的主要形式及隧道掌子面的力学平衡机理,并采用FLAC3D有限差分软件,针对不同地层中的隧道掌子面进行了地震动力响应分析;其次,通过对比静力和动力下掌子面的稳定状况,分析地震对不同地层中隧道掌子面稳定性的影响,总结出了掌子面挤出变形和约束压力随地震时程的变换规律,并通过掌子面平均塑性剪切应变、掌子面挤出变形、掌子面约束压力等参数评估了加固效果。分析结果表明,与隧道衬砌相比,隧道掌子面更容易受到地震的破坏;地震动力作用对不同地层条件中隧道掌子面的影响程度是截然不同的,岩质地层中隧道掌子面受到的影响较小,而土质地层中隧道掌子面所受影响则很大;锚杆的加固作用能显著提高隧道掌子面的抗震性能。     

特大断面隧道施工工序优化研究

本文依托重庆火凤山隧道工程的修建开展研究,通过数值模拟,分析了不同施工工序对各断面形状的影响效果,并结合各断面形状所采用的施工工法,提出合理的施工工序.结果表明:(1)对于采用CD法施工的17 m特大断面段与21 m特大断面段而言,优化后的施工工序对围岩位移与塑性区的控制效果较为有限,但能有效改善开挖过程中初期支护应力的应力集中现象、降低应力值,且应力集中分布的位置有所差异.同时,通过优化施工工序能够减小支护结构左右侧应力分布不均匀程度,改善隧道开挖后支护结构的受力状态;(2)通过采用左右交互开挖的施工工序,24 m特大断面段与30 m特大断面段的围岩位移与支护结构应力均有所减小,同时对围岩的扰动也有所下降,但改善效果不及CD法明显.整体而言,优化后的施工工序对24 m特大断面段与30 m特大断面段隧道开挖较为有利,建议采用优化后的施工工序进行施工.     

中铁科研院西南院一科研成果获评国际先进水平

正2020年5月8日,中铁科研院西南院参与的"穿越高速公路、居民聚居区及大型溶洞的隧道综合施工技术研究"科研成果获评国际先进水平。该项目以成贵铁路大方隧道为工程依托,针对隧道下穿高速公路、居民聚居区及大型溶洞等复杂地质条件,提出了在隧道开挖轮廓线外采用袖阀管+隧周注浆的环状加固拱结构和双层超长管棚支护下穿高速公路的方案,解决了大断面隧道下穿高     

软岩大跨径浅埋隧道工法对比研究

文章以广西某高速公路软弱围岩下浅埋大断面隧道为研究背景,采用MIDAS GTS-NX建立三维模型,动态模拟分析在新意法和新奥法(以双侧壁导坑法为例)两种施工方法指导下,隧道围岩的应力、变形及结构受力情况,研究这两类施工理念在软弱围岩环境下对隧道施工全过程稳定性的影响,并得出以下结论:(1)软岩环境下,隧道掌子面中部容易失稳,对超前核心土加固后能显著提高超前核心土的承载能力,有效控制掌子面挤出变形,保障施工安全;(2)新意法开挖机械化程度提高,能加快施工进度,节约施工成本;(3)新意法减少了对隧道围岩的扰动次数,能更加有效地利用围岩的自稳能力。     

浅埋大断面黄土隧道下穿既有铁路施工技术

在高桥隧道出口下穿南同蒲既有铁路施工中,根据黄土的特性对施工方案进行了优化,将设计的在总长100 m、φ159大管棚超前支护条件下采用双层支护形式的(外层为喷混凝土,内层为模筑混凝土)双侧壁导洞开挖法优化为双层支护形式的(两层均为喷混凝土)弧形导洞三台阶七步开挖法,并通过仰拱和二次衬砌紧跟的方法,开创性地解决了在大断面黄土隧道下穿构筑物施工中安全和进度的矛盾,有效地控制了洞内、外沉降变形,保证了下穿段隧道的安全快速施工和既有铁路的安全运营,并降低了工程造价,丰富了黄土隧道设计施工的理念。     

卵石地层地铁隧道近接施工位移特征研究

以北京地铁9号线某区间隧道近接既有铁路桥梁施工为背景,文章基于Hardening-soiJ本构模型采用三维数值计算与现场实测结果相对比的方式,研究卵石地层地铁隧道近接既有铁路桥施工的位移特征。研究得出的结论为:(1)卵石地层岩体较为松散,胶结性较差,围岩稳定性较低,可引入Hardening-soil模型模拟其应力-应变关系;(2)区间隧道开挖引发的竖向位移主要集中在隧道拱顶部位,并随着向地层深部的发展逐渐衰减;(3)地铁区间隧道施工引发的地表沉降可认为是两条单洞隧道地表沉降曲线的叠加,现场实测与数值计算得出的规律一致;(4)既有铁路桥结构最大位移值小于《铁路线路修理规则》的容许位移,现有开挖方式和支护参数满足既有结构安全运营条件;(5)地铁区间隧道开挖引发的地层、既有桥梁结构水平位移整体较小;(6)区间隧道开挖引起的土体扰动主要集中在隧道洞周5.4 m范围内。     

隧道玻璃纤维锚杆全断面预加固机理与应用

在隧道开挖过程中,围岩应力重分布是一个三维过程,掌子面前方的"待挖核心体"的形变响应与洞室的收敛存在密切联系",待挖核心体"的岩性决定了开挖后的围岩能否自然成拱。因此,对于不能自然成拱的破碎、软弱围岩常采用玻璃纤维锚杆对隧道掌子面进行全断面预加固。文章通过对不同工况下的玻璃纤维锚杆全断面预加固进行模拟分析,得到了隧道开挖过程中掌子面位移变形随开挖进程的变化规律,以及衡量玻璃纤维锚杆全断面预加固效果的位移指标。基于典型软弱围岩条件下的铁路隧道工程实例,结合多种工况条件,给出了玻璃纤维锚杆的优化设计参数和施工方案,可为同类工程提供借鉴。     

下穿既有公路的土江冲隧道双层管棚设计及监测分析

位于常—吉高速公路上的土江冲隧道是一座下穿既有公路的四车道连拱隧道,施工中为了控制地面沉降,在洞口段采用双层管棚作为辅助施工方法,保证了隧道施工安全和319国道的畅通;在隧道开挖过程中,掌子面附近的管棚变形最大,隧道开挖纵向影响范围为1.5~2.0倍开挖高度。文章介绍了管棚设计、施工情况和监测结果。     

超浅埋暗挖隧道施工技术

文章介绍了在确保上方高速公路地面交通正常通行的情况下,超宽断面、埋深仅为0.5～2.5m的超浅埋平顶直墙下穿隧道工程采用管棚超前支护,结合小导管注浆加固地层、多导洞施工方案和微台阶开挖法来达到控制地表沉降和保证施工安全的"浅埋暗挖法"施工技术。