煤系地层公路隧道衬砌结构分析和设计

以高平至陵川高速公路郭家川2号煤系地层隧道为依托工程,利用ANSYS对衬砌结构进行了数值模拟,研究了煤系地层公路隧道衬砌结构的应力应变特征和变形规律。研究表明:煤系地层的地质构造和节理特征对隧道衬砌结构受力和变形有重要影响;隧道侧压力系数对衬砌结构的内力影响很大;衬砌结构拱脚和拱顶处弯矩很大,应力集中系数大,拱脚和拱顶处应作为结构安全性监控、隧道设计与施工控制性部位。     

煤系地层隧道围岩稳定性数值分析

煤层的存在削弱了岩石的力学强度和完整性,导致煤系地层隧道与岩层隧道的变形、破坏机制和力学法则不尽相同。采用RFPA软件对上覆、穿过和下伏有不同倾角、不同厚度煤层的煤系地层隧道,在不同地应力作用下围岩变形、破坏机理进行了研究。结果表明:不同赋存条件和地应力作用下,隧道的时效损伤破坏模式也出现明显的差异,上覆、下伏、穿过煤层发别在隧道拱顶、底部、边墙与拱肩处首先发生局部破坏区;不同地应力下隧道裂缝产生位置不同,这与垂直地应力和水平地应力比值或差值密切相关;随煤层倾角的增大,隧道周边应力分布的非对称性逐渐增强;随着煤层角度和厚度的增加,开挖后关键点的位移均有增加,但变化幅度有所差别。研究成果可为穿煤隧道的支护设计与施工提供参考。     

大断面上新统红色泥岩（NCr2）隧道支护受力特征研究

甘肃庆阳新近纪上新统红层由于特殊的成因,其工程力学特性与南方红黏土有较大差别。为系统研究穿越该地层大断面隧道支护结构的受力特征,以银西高铁庆阳隧道为研究对象,通过现场实测和有限元模拟获得衬砌结构内力、围岩压力、5~10 m围岩深部位移、支护收敛变形的时空分布特性,对现场监测结果体现的衬砌-围岩复合结构受力状态产生的原因进行分析,并利用ABAQUS软件模拟隧道开挖过程以对比验证衬砌结构受力规律,得出该地层隧道地应力、围岩压力、衬砌结构内力特征。研究结果表明： 1）围岩各项指标属于极硬土-极软岩临界范畴。2）该地层衬砌结构围岩质量较好,水平地应力为垂直地应力的2倍,可优化为Ⅲ-Ⅳ级围岩进行设计的同时增大侧压力系数。3）未闭合的初期支护不能有效限制围岩变形,可通过设置临时仰拱等措施改善受力状态;数值模拟结果与现场实测规律相符。4）该地层变形剧烈区为洞周开挖界限向围岩内1倍洞径范围,变形区域主要集中在拱顶;延迟开挖仰拱可有效减少仰拱内衬砌结构受力。     

大断面上新统红色泥岩(N_2~(Cr))隧道支护受力特征研究

甘肃庆阳新近纪上新统红层由于特殊的成因,其工程力学特性与南方红黏土有较大差别。为系统研究穿越该地层大断面隧道支护结构的受力特征,以银西高铁庆阳隧道为研究对象,通过现场实测和有限元模拟获得衬砌结构内力、围岩压力、5～10 m围岩深部位移、支护收敛变形的时空分布特性,对现场监测结果体现的衬砌-围岩复合结构受力状态产生的原因进行分析,并利用ABAQUS软件模拟隧道开挖过程以对比验证衬砌结构受力规律,得出该地层隧道地应力、围岩压力、衬砌结构内力特征。研究结果表明:1)围岩各项指标属于极硬土—极软岩临界范畴。2)该地层衬砌结构围岩质量较好,水平地应力为垂直地应力的2倍,可优化为Ⅲ—Ⅳ级围岩进行设计的同时增大侧压力系数。3)未闭合的初期支护不能有效限制围岩变形,可通过设置临时仰拱等措施改善受力状态;数值模拟结果与现场实测规律相符。4)该地层变形剧烈区为洞周开挖界限向围岩内1倍洞径范围,变形区域主要集中在拱顶;延迟开挖仰拱可有效减少仰拱内衬砌结构受力。     

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。     

煤系地层隧道围岩大变形控制研究

煤系地层软弱破碎,围岩大变形已成为穿煤隧道主要灾害之一。广渝高速某隧道地应力量测结果显示,在隧道穿煤段和龙王洞背斜轴部软弱围岩段,最大水平主应力达20MPa,很可能发生大变形破坏,是工程控制重点。分析得出大变形破坏在力学性质和物理破坏模式上均异于小变形破坏,导致其后期变形量、变形速率均无稳定趋势,且最大变形量出现在垂直于最大主应力方向。产生大变形的原因主要有软弱的岩性、高地应力和过大的开挖断面,在此基础上提出了及时封闭开挖面、分台阶开挖并严控开挖面积、自进式注浆锚杆加强支护和应力导流等控制措施,现场量测结果显示,围岩大变形得到了有效控制。研究成果可为类似工程的支护设计与施工提供参考。     

玄真观隧道高地应力整治段坍塌原因分析及处理措施

玄真观隧道贯通后，由于高地应力的原因导致隧道局部衬砌开裂变形，变形段衬砌需拆换整治。拆换过程中，对围岩的二次扰动，使隧道周边围岩产生较大的松动圈，地应力反复重新分布，局部应力高度集中，应力积聚值大于围岩极限强度时发生隧道坍塌。坍塌治理中，对坍塌影响段采取了方木垛、工字钢架临时支撑及预初支背后预注浆加固，防止坍塌的继续扩大；对坍塌段采取了机械手喷射混凝土封闭岩面、工字钢架护拱、预留孔道回填混凝土、加强初支及衬砌等技术措施，取得了坍塌处理的预期效果。     

高地应力千枚岩隧道二次衬砌施作时机研究

二次衬砌施作时机一直是高地应力软岩隧道工程设计与施工过程中面临的关键技术难题之一。为此,依托在建成都-兰州铁路典型千枚岩隧道工程,基于隧道变形长期监测结果,分析高地应力软岩隧道变形时程特点,考虑软岩隧道荷载特点,确定了二次衬砌施作时机原则;考虑隧道测量丢失变形,提出软岩隧道第1稳定阶段变形量确定方法;通过现场实测变形数据统计回归,基于一定保证率确定不同大变形等级和不同断面下的软岩隧道二次衬砌施作时机,并进行现场试验验证。研究结果表明:适当刚度的初期支护可以实现高地应力软岩隧道前期变形稳定,但无法保持围岩长期稳定,二次衬砌应该在初期支护变形达到第1稳定阶段后施作,既可以减少二次衬砌荷载,又可以控制围岩变形;采用指数函数拟合软岩隧道变形具有较好的相关性,但参数差异性较大,同时在确定隧道第1稳定阶段变形量时应考虑测量丢失变形;轻微、中等大变形段拱顶下沉变形速率小于0.1~0.2mm·d^-1,边墙收敛速率小于0.5mm·d^-1,严重、极严重大变形段拱顶下沉变形速率小于0.4mm·d^-1,边墙收敛小于0.6mm·d^-1,即可进行二次衬砌施作;轻微大变形段、中等大变形段和严重大变形段分别在隧道开挖45~55 d,55~60 d和80~90 d后达到二次衬砌施作标准。     

超大跨度公路隧道衬砌的变形规律及裂缝处理

为研究超大跨度公路隧道二次衬砌裂缝的变形规律及产生原因,以滨莱高速姚家峪隧道为依托,对超大跨度公路隧道二次衬砌开裂段进行监控与量测。监测内容包括拱顶沉降、净空收敛及裂缝宽度,并对监测结果进行分析。结果表明:二次衬砌变形规律与洞内气温变化相关,随着气温上升,变形表现出先增大后逐渐平缓的规律;混凝土材料的收缩及温度应力作用是隧道二次衬砌开裂的主要原因,因此冬季施工时应加强混凝土的养护,防止裂缝持续发育;衬砌裂缝主要位于隧道洞口段,并沿起拱线上下纵向曲折延伸,施工时应采用低压速灌法、环氧树脂等协同处理。     

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。     

高地应力深埋层状围岩隧道非对称变形受力机制研究

为深入研究高地应力层状围岩中隧道和支护结构的非对称变形受力特性和机制,以绵茂公路篮家岩隧道为工程背景,采用现场监测和数值模拟相结合的方法,研究不同层理角度和地应力方向下隧道变形、钢拱架应力以及二次衬砌弯矩和轴力的变化规律。结果表明： 1）层状围岩中隧道结构受力的最不利位置常出现在层理面法向方向; 2）隧道的非对称变形机制在于地应力对层理面产生的法向挤压作用和切向滑移作用,当层理面角度缓倾时,隧道拱顶和拱底承受较大挤出变形,当层理面角度陡倾时,地应力方向与层理面夹角越小,隧道衬砌在主应力作用位置产生的滑移变形越大。最后,根据层状围岩隧道变形和衬砌受力特征,提出合理的支护优化措施。     

铁路隧道施工主动控制变形技术研究与实践

针对隧道施工中对加固围岩、充分发挥围岩自身承载能力方面重视不够,致使隧道开挖分部较多、工效低以及软弱围岩发生大变形等问题,通过对煤矿行业主动控制变形、国内外主动控制变形技术进行调研和部分铁路隧道施工实践、研究,得出如下结论： 在隧道施工中主动控制围岩变形,可充分发挥、调动围岩的自承载作用;采用主动控制围岩变形技术,可实现软弱围岩大断面机械化快速施工,解决超大断面设计施工技术难题,有效控制高地应力软岩隧道变形,避免大变形的发生; 锚杆、锚索以及注浆加固地层等是主动控制围岩变形的关键技术措施,必须配置大型机械设备,掌握成套施工工艺,确保锚固的及时性和有效性。     

丽香铁路黄山哨隧道下穿岩堆段设计施工关键技术

以下穿岩堆段的丽香铁路黄山哨隧道为工程依托,对岩堆段地表开裂及洞内初期支护边墙严重变形的问题进行研究。地表埋设6根测斜管监测地表位移情况,洞内布置3个断面进行围岩压力、钢架内力、二次衬砌内力、初期支护与二次衬砌间的接触压力、锚杆轴力量测。在分析现场岩堆段洞内外受力机制及原因的基础上,根据数值计算结果优化二次衬砌断面型式及进一步加大二次衬砌厚度及配筋。采取以下措施控制隧道岩堆段变形： 1）地表岩堆土石接触面开裂处增设截排水措施; 2）加大隧道初期支护钢架型号及加长岩堆侧边墙径向系统锚杆; 3）加大隧道边墙轮廓曲率并优化隧道二次衬砌型式为圆顺型; 4）隧道预留变形量加大至30 cm; 5）隧道二次衬砌内净空预留50 cm补强空间; 6）隧道拱部设置42小导管超前支护。现场岩堆段采取以上措施后已顺利施工通过,根据洞内外监测结果显示,结构在安全可控范围内。     

膨胀性软岩隧道致灾机制研究与应用

隧道建设的规模和数量迅速发展,相关理论研究却相对不足,随着隧道越来越多地穿越诸如软弱围岩、溶洞等复杂、恶劣地质区域,对施工技术和理论研究的要求也更高,如何做到规避灾害,安全施工是大家一直关注的问题。以重庆市某公路隧道为依托,对穿越膨胀性软岩段隧道,提出不良地质构造与围岩条件、水的因素、不规则地应力以及工程因素等导致隧道灾害的因素,不同因素相互关联、相互影响,根据分析结果采取相应的防治方案来规避灾害。利用Poyting-Thomoson模型计算隧道围岩变形,与现场监控量测数据相结合,对隧道膨胀性软岩段的围岩变形做出预测,得出最佳二次衬砌支护时间。同时从初支二衬间的应力角度对膨胀性软岩进行了持续监测,表明了膨胀性软岩隧道段防治方案达到了预期目标。从致灾机制来分析隧道建设,可以更好地为工程决策服务。     

基于有限元对某复工隧道初衬的安全性分析

依托某停工达6年的高速公路隧道工程,基于复工初衬病害检测,运用ANSYS有限元软件建立适于该隧道初衬病害及缺陷的模型,分别从初衬背后存在空洞、钢拱架锈蚀、喷射混凝土的厚度不足及开裂等缺陷病害对隧道V级围岩段初衬结构的安全影响进行了模拟分析。结果表明:隧道初衬结构中,病害缺陷处存在应力集中情况,初衬结构最大主应力随着各种病害的发展逐渐增大;初衬结构拱顶沉降变形随着钢拱架锈蚀、喷射混凝土的开裂及厚度不足病害缺陷的发展逐渐增加;隧道初衬结构的不同程度病害缺陷对其安全系数的影响呈非线性。应对病害加以治理,确保隧道     

偏压连拱隧道二衬混凝土裂缝成因及治理

泉州柴桥头隧道二衬施工,由于施工工艺、围岩变形等原因,致使混凝土产生裂缝,不仅影响美观,且给工程质量留下隐患。对偏压连拱隧道二衬混凝土裂缝的成因进行了分析,并提出了治理对策。     

小相岭隧道围岩力学状态测试及大变形成因分析

为解决小相岭隧道平导和正洞的围岩大变形问题，采用现场试验的方法对围岩力学状态进行测试，基于实测数据对隧道大变形成因进行分析并提出针对性控制治理对策。结果表明： 1）隧道围岩强度偏低且存在明显的各向异性，初始地应力以水平应力为主，属极高地应力；现场实测结果显示底板处围岩损伤范围明显大于边墙处，推断隧道大变形为底隆变形，这与现场结构变形特征相符。2）隧道大变形的主要原因是下伏缓倾层状软弱岩层、高水平地应力、支护结构不对称等因素，尤其是平导底板的不对称结构对抵抗底隆变形能力较弱。3）在采取平导设置仰拱、正洞打设长锚杆、增大预留变形量、提升结构的刚度及强度等措施后，隧道变形得到了有效控制。     

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。     

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。     

铁路隧道疑难工程地质问题分析——以30多座典型隧道工程为例

以30多座在施工中发生与地质因素有关的工程事件为例,归纳为15类疑难工程地质问题： 高压富水岩溶、软弱围岩大变形、太古界硬质变质岩大变形、侵入岩脉蚀变风化破碎岩体塌方和突泥、富水逆掩断层破碎带大规模突泥、层状地层大规模顺层塌方、中更新统老黄土崩塌、新第三系地层突泥涌砂、泥岩页岩可燃气体燃烧和爆炸、白云岩剪涨裂缝突砂涌砂、岩溶地面沉降、含石膏地层围岩变形、断层破碎带与软岩层面组合围岩变形、新第三系粉质黏土岩（土）垂直节理坍塌变形及石英砂岩断层破碎带突水涌砂。分析各类疑难工程地质问题发生的原因,总结其工程地质特征。针对高压富水岩溶的分类、断层破碎带突水涌砂和大变形问题、高压地下水的防治、高位选线、大变形及大变形分级标准、挤压大变形和卸荷大变形、隧道顺层偏压构造的危害、5种围岩变形失稳类型的特征对比、隧道围岩压力现场实测、岩溶地面塌陷、Q2老黄土和N2黏土层垂直节理渗水崩塌、N2弱胶结地层“流变”、石膏地层隧道衬砌开裂以及非煤系地层的可燃气等14类问题进行讨论,并从依法合规性、地质不确定性、专项地质工作、工程劣质岩、修订围岩分级和纳入规范等方面提出6条建议。