运营期间膨胀围岩隧道病害分析

隧道开挖改变了地下水的渗流路径,引起隧道围岩的含水量增加,若遇到膨胀性岩土体,膨胀压力显著增加,导致衬砌开裂,随着时间越来越严重。如马岭头隧道与膨胀性破碎错动带呈30°斜交,断层带的厚度为4~15m,为典型强膨胀潜势膨胀岩,在隧道运营过程中出现两次病害。本文以马岭头隧道为依托分析膨胀性围岩隧道病害随时间变化规律,从现场调查和地质勘察发现地质参数发生了较大变化,含水率升高(13.3%~18.6)和膨胀力增加(32.7k Pa~72.3k Pa),衬砌内力也相应地增大(103.5~293k N,29.5~133.5k N.m),导致病害反复出现,给隧道安全运营带来隐患;然后,预测膨胀性围岩参数随时间的变化规律,计算衬砌的内力,提出相应的治理措施,达到根治隧道病害的目的,研究结果为膨胀性围岩隧道设计施工提供参考依据。     

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。     

马岭头隧道膨胀性围岩的工程地质分析与治理

马岭头隧道通车3年后,发现K40+700～K40+950段左侧墙出现裂缝,经调查和勘察,揭露该段存在一层全风化泥岩,为软弱夹层,具有膨胀性,全风化泥岩的空间分布和裂缝位置等相当吻合,随后的分析和计算证实了全风化泥岩是导致隧道破坏的地质因素.有限元计算证实,全风化泥岩产生的变形压力和膨胀力直接作用在衬砌上,使衬砌受力严重不均匀,导致了隧道破坏.膨胀性岩作为一类特殊性围岩,其软弱性和膨胀性往往给工程造成较大的危害,工程建设应做到预防在前,治理在后,避免遭受更大的经济损失.     

含水率差异对膨胀性红黏土隧道施工力学行为的影响

膨胀性红黏土因其特殊的水敏性,使得自身遇水膨胀,是造成隧道围岩失稳的重要原因。 为建立含水率与膨胀率的关系,从 而明确含水率变化对大断面膨胀性红黏土隧道及支护结构受力变形的影响,以银西高铁庆阳膨胀性红黏土隧道为研究背景,通过 现场监测确定围岩含水率波动范围;结合室内试验建立含水率与膨胀性和抗剪强度的对应关系;将土体含水率变化条件下的膨胀 关系同材料受热膨胀特性进行联系,利用ABAQUS内置的温度应力场模拟湿度应力场,分析不同含水率作用下隧道围岩压力、衬砌 结构内力与变形量值的重分布规律。 结果表明: 开挖后不同含水率最终趋于饱和时,随着初始含水率的降低,围岩及支护结构受 力增大,仰拱与拱脚处相对位移提高,拱顶、拱腰与边墙处相对位移降低,整体安全系数逐渐降低;对开挖后洞周平均含水率20.7% 而言,最终趋于饱和时围岩压力安全系数为2.2,衬砌安全系数为1.1,围岩相对位移为0.97%;相比于围岩压力和衬砌结构受力, 含水率变化对洞周围岩变形影响最大;基于特殊地质情况,建议将隧道预留变形量提至150~180 mm。     

膨胀性围岩公路隧道设计施工研究

膨胀岩隧道由于其特殊的工程地质特性,成为当今地下工程界最复杂的研究课题之一.结合依托工程大华岭特长隧道中出现的膨胀岩,提出了膨胀性围岩隧道的支护结构和施工原则.应用弹塑性模型对膨胀岩隧道支护结构和施工过程进行了数值模拟计算,结果显示支护结构的初期支护及二次衬砌主要应力均在安全范围之内.     

大干溪I号隧道衬砌水压力分析

在岩溶富水地段,隧道衬砌实际上处在围岩应力场和渗透渗流场双场之中,渗流场的存在会导致围岩自稳能力降低,从而增加了围岩对衬砌的压力,同时渗流场的存在也会对隧道衬砌产生了渗透压力,研究了大干溪Ⅰ号隧道衬砌水压力,探讨了在渗流场和围岩应力场相互耦合作用下衬砌内力的变化情况,对富水段隧道衬砌的设计和施工有一定的借鉴意义。     

膨胀力对运营期间隧道二次衬砌结构影响研究

针对膨胀岩吸水膨胀的特殊工程性质,以运营期间隧道工程为背景,利用ANSYS有限元软件对未膨胀、弱、中、强膨胀工况下隧道二次衬砌的受力进行分析。结果表明:原设计断面不同膨胀力工况作用下,膨胀范围1m时,不同级别的膨胀力均导致二次衬砌安全系数降低,同时使二次衬砌典型截面出现不同程度开裂,必须通过加大注浆范围,且同时提高二衬的配筋率才能保证二次衬砌的安全;对原设计断面进行优化后,在相同膨胀级别及相同注浆加固条件下,支护结构可承受更大的膨胀范围,同时二次衬砌的裂缝宽度变小,二次衬砌在膨胀作用下的安全性大大提高,配筋率也得到有效控制。     

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。     

深埋高水位山岭隧道支护与衬砌外水压力分析

为保护环境并尽可能降低隧道衬砌结构所承受的水压力,深埋高水位山岭隧道一般采取堵水限排的设计原则。在隧道力学和渗流力学的基础上进行数值分析和模型试验,研究渗流应力耦合作用下支护和衬砌的力学特性。研究结果表明:对于受排水影响明显的山岭隧道,作用于初期支护上的水压力不会随排水条件的改变而发生显著变化。当排水通道从围岩与初期支护的界面转变为初期支护与二次衬砌的界面后,会导致孔隙水压力从初期支护向二次衬砌转移,初期支护产生卸载并朝向围岩变形。隧道有效排水时,二次衬砌承受的水压力可忽略。随着排水系统退化导致排水受阻时,地下水流梯度逐渐下降,有效径向应力逐渐下降,朝向隧道的径向流量减少,且围岩变形减小,二次衬砌上的水压力增大。本研究为深埋高水位山岭隧道的初期支护和二次衬砌的初步设计提供了一个合理的方法,并有助于确定地面、水和支护间的荷载传输机制。     

黄土公路隧道衬砌受力特性测试研究

通过对浅埋黄土公路隧道衬砌受力现场测试,研究了隧道衬砌围岩压力、钢花拱轴力和二次衬砌混凝土应变随时间变化以及不同位置分布情况。结果表明:拱部和边墙围岩压力先是增大后减小然后趋于稳定,隧道周围土体有局部坍塌的可能,按实测值推算的竖向围岩压力小于按已有公式计算的值,钢花拱轴力稳定较快且以受压为主,二次衬砌和仰拱的承载作用并不明显。     

温度-围压作用下盾构隧道衬砌应力变化规律研究

为分析围岩压力和温度变化对盾构隧道衬砌应力变化的影响。文中推导了衬砌应力计算公式,并利用所得公式采用MATLAB绘制了衬砌应力变化图,对衬砌应力变化规律进行了理论分析。结果表明,①衬砌各方向应力随围岩压力的增大而线性增加;②径向与环向应力随内外壁温差增加,压应力逐渐减小到0 kPa后转变为拉应力并逐渐增大,纵向应力基本不随温差而发生改变;③当温差为正时,径向拉应力和纵向压应力逐渐减小,环向压应力减小到0 kPa后转变为拉应力逐渐增大,当温差为负时,径向压应力减小,环向和纵向压应力随半径增加而变大。分析得到的衬砌应力变化规律可为隧道支护结构设计提供参考。     

膨胀性围岩隧道施工技术研究

膨胀性围岩具有吸水膨胀、失水干缩、变形量大、易受扰动的特性,隧道施工时如果措施不当,将对支护结构造成破坏.以湖北宜巴高速公路凉水井隧道施工为例,分析膨胀性围岩隧道施工的技术难点和关键点,总结膨胀性围岩隧道的施工方法、工艺和施工技术措施,从而确保施工安全和隧道在运营阶段的结构安全.     

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。     

富水大断面公路隧道水压模型试验及衬砌结构力学行为研究

为研究隧道衬砌在围岩压力及外水压力综合作用下的受力特征、结构安全性及破坏过程,采用自制的均匀水压模拟加载装置及隧道地层复合试验台架,实现对围岩压力及外水压力的分别控制加载,完成在深埋条件下不同外水压力作用下衬砌结构受力模型试验。运用ANSYS有限元软件分阶段计算衬砌在水土压力作用下的受力特征,计算各部分安全系数,并与试验结果对比分析。研究表明：采用抽真空的方法模拟外水压力时,外水压力值越大,试验结果越接近真实情况,当外水压力达到150 kPa时,其差值可控制在5%以内;在外水压力及围岩压力的作用下,墙脚及拱底分别受最大正弯矩及最大负弯矩作用,且安全系数较其他位置小;随着外水压力的增大,衬砌所受的轴力及弯矩持续增大,且增大速率基本呈线性,其中墙脚位置增长速率最快;随着荷载的增大衬砌结构墙脚最先发生破坏,墙脚裂缝发展导致衬砌结构应力重分布,最终引起拱底开裂;墙脚的裂缝导致墙脚处承受的正弯矩不断减小,拱底承受的负弯矩不断增大,安全系数不断减小;当墙脚的裂缝宽度发展至1.5~2.0 mm时,试验数据及数值模拟结果计算所得拱底安全系数降低至1.5左右,拱底不再满足承载要求,与试验中衬砌的开裂行为相吻合。所提出的模型试验方案可为类似模型试验提供参考,研究成果可为富水大断面公路隧道的设计及安全评估提供依据。     

围岩冻胀对隧道结构影响及锚杆整治对策

根据最近文献资料统计,季节冻土区隧道衬砌边墙出现纵向裂缝的案例越来越多,给隧道运营安全带来极大危害。采用理论分析和数值模拟方法研究了季节冻土区隧道冬季边墙衬砌开裂的原因及相应整治对策。结果表明:(1)仅考虑围岩冻胀力荷载时,当冻胀力达到一定量值时,边墙中间位置会产生较大弯矩,会导致边墙混凝土衬砌产生裂缝,当考虑冻胀力荷载和围岩荷载共同作用时,围岩荷载会进一步加剧衬砌裂缝的发展程度;(2)计算得到的边墙拉应力最大值对应位置通常在轨面以上2～3m处,与现场某隧道由围岩冻胀荷载导致衬砌开裂现象位置吻合;(3)当既有隧道内轮廓没有富余,不允许侵限的情况下,利用设置"被动型"抗拉全长锚固锚杆整治冻胀隧道病害的措施,可以有效抵抗围岩季节冻胀力荷载,防止边墙衬砌开裂现象的发生,确保隧道的运营安全。     

雨水入渗对膨胀岩隧道及其围岩渗流场与应力场的影响分析

膨胀岩土在降雨的情况下会出现明显的体积变化.采用数值模拟方法研究了雨水入渗对膨胀岩隧道及其围岩稳定性能的影响.主要的结论如下:膨胀岩土体的含水率大小直接影响着其膨胀量.土体的含水率越高,随着时间的增加,其最终形成的膨胀量越小.不同的含水率下,土体的膨胀量随着时间的变化趋势基本一致;雨水入渗的情况下,膨胀岩隧道顶部的围岩...     

考虑时间效应的深埋小净距隧道围岩压力分析

囿于地形地貌、地质条件、选线要求等条件的限制,公路工程中常采用小净距形式的隧道,小净距隧道围岩压力是其复合式衬砌结构设计中的关键问题,但目前关于小净距隧道初支与二衬围岩压力分布及其随时间变化规律的相关研究仍较为稀缺。以龙兴岭隧道为背景,在FLAC3D平台上对4洞小净距隧道的开挖支护过程展开了细致的数值模拟,重点关注了作用在初支与二衬上的围岩压力分布。进一步考虑围岩蠕变效应,探讨了小净距隧道复合式衬砌支护结构的围岩压力及其初支/二衬荷载分担比随时间的变化规律,并与现场监测结果相互验证。结果表明:复合式衬砌支护结构围岩压力总体上关于设计中线近似呈对称分布,小净距隧道主洞(后行洞)开挖扰动引起辅洞(先行洞)二衬上围岩压力略微增大;围岩蠕变作用下,初支围岩压力随时间呈下降趋势,二衬围岩压力随时间呈上升趋势,但二者之和基本保持不变;蠕变稳定后,主洞上台阶部分(拱顶至拱腰)的二衬荷载分担比约为25%～45%,主洞下台阶部分(仰拱至边墙)的二衬荷载分担比约为20%～35%。研究成果可为小净距隧道复合式衬砌结构的设计施工及后期运维提供参考依据。     

重庆礼让石膏岩隧道衬砌结构设计与施工稳定性分析

膨胀性石膏岩遇水极易发生复杂化学反应且体积发生持续性膨胀,从而引发岩石力学性能的不可逆性变化。为系统研究高速公路隧道在石膏围岩环境中的衬砌结构特性,将数值计算与《公路隧道设计规范》结合,分析衬砌结构强度安全系数,并对现场的初支、二衬间接触压力等方面进行了综合分析。结果表明,实测荷载作用下结构的最不利位置为拱腰和拱脚处,二衬的安全性要远高于规范荷载下的情况,因此隧道石膏岩支护设计以及必要的辅助工法施作可以实现隧道长期稳定。现该隧道已顺利竣工进入运营期,更说明衬砌设计的合理及施工安全性。     

软岩偏压隧道塌方整治施工技术

通过对吉林省图们侧长安隧道病害原因分析，确定了整治软岩偏压隧道塌方的原则，采用注浆加固围岩，网构钢拱架喷锚混凝土初期支护作为主要受力结构，待围岩相对稳定后，进行二次衬砌治理塌方取得成功。     

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。