承担全部设计荷载的隧道初期支护的设计计算方法

针对当前隧道初期支护设计存在不能承担全部设计荷载、以初期支护仰拱闭合的有利结构而不是以仰拱未闭合的最不利结构为最终设计目标而造成结构存在安全隐患以及给不出锚杆锚固力设计值和现场围岩变形很大使得采用岩体力学进行设计初期支护不具备条件的问题,提出按照“荷载-结构”的计算模型,采取结构力学力法对隧道初期支护承担全部设计荷载、对应施工“三台阶”法、对型钢钢架和喷射混凝土按变形协调条件确定各自承担荷载的比例系数、就钢架和喷射混凝土承载能力分别进行计算分析,明确在各部施工时对喷射混凝土强度以及锚杆的锚固力的要求。计算结果表明： 1）采取除中心夹角60°范围外其余均匀布置分布锚杆、采用“型钢钢架+分布锚杆+喷射混凝土”支护型式的隧道初期支护完全具有承担全部设计荷载的能力,且仰拱开挖不会威胁支护的稳定; 2）应将锚杆作为支护结构的链杆支座来确定锚杆锚固力; 3）锚杆和喷射混凝土3 h的强度对支护结构的承载能力影响很大。     

硫酸盐-冻融共同作用下隧道衬砌支护喷射混凝土劣化性能研究

为研究地铁隧道衬砌支护结构在恶劣环境下的劣化问题,以西部地区地铁隧道服役过程中典型的气候条件和腐蚀环境为背景,研究冻融和盐溶液侵蚀情况下隧道衬砌支护结构的耐久性能。依据兰州秋冬环境温度和地下水中硫酸盐的离子质量浓度设计室内硫酸盐-冻融侵蚀试验,研究不同掺量的粉煤灰和玄武岩纤维对衬砌支护喷射混凝土在不同冻融循环次数作用下的质量损失率、相对动弹性模量和抗压强度耐蚀系数的影响,并根据试验结果建立考虑粉煤灰掺量和玄武岩纤维掺量的抗压强度衰减模型。结果表明： 1）粉煤灰和玄武岩纤维对衬砌支护喷射混凝土性能提升的最优掺量分别为20%和0.1%。2）混凝土的质量损失率随冻融循环先增大后降低,到后期又持续增大;随着粉煤灰和玄武岩纤维掺量的增大,衬砌支护喷射混凝土的质量损失率降低,当粉煤灰和玄武岩掺量分别达到30%和0.15%时,对质量损失率的降低出现负效应。3）喷射混凝土的相对动弹性模量和抗压强度耐蚀系数随着冻融循环次数的增大在初期损失较小,之后迅速增大。     

基于现场试验的超大双曲面穹顶洞库支护体系研究

为解决硬岩中超大型地下工程复合式衬砌二次衬砌模筑混凝土施工困难、模板工程复杂、混凝土圬工量大等问题，以某地下储油库为依托，应用有限差分计算软件与现场原位试验的方法，对大型地下工程进行力学机制研究及支护体系优化。研究结果表明： 1）在围岩条件较好的岩体中开挖大型地下洞室，在支护参数选择合理、施工质量得以保证的前提下，使用单层喷射混凝土衬砌可提高施工效率，减少混凝土用量； 2）采用聚丙烯纤维喷射混凝土支护+低预应力锚杆的优化支护体系相较于Q系统岩石支护表所得的支护参数可更好地控制围岩变形，减少支护结构与围岩的拉应力区，达到与复合式衬砌接近的支护效果； 3）现场试验后发现优化后的支护体系在变形与应力方面可达到预期效果，穹顶最大变形约8 mm，支护结构安全可靠。     

隧道工程初期支护施工技术探讨

本文通过结合岜碍隧道施工实例，对本隧前期支护工作从锚杆、钢拱架、混凝土喷射等施工工艺等方面展开论述，希望为同类工程初期支护施工积累经验。     

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。     

基于流固耦合的高水压隧道支护结构研究

高水压是山岭隧道建设的重要难题之一,抗水压衬砌是隧道穿越这些区段的常用措施,其衬砌结构断面厚度远大于标准断面。衬砌厚度过大施工相对不便,施工质量不能保证,且不能及时分担水压。针对广西某隧道高水压段,采用双层初期支护和二次衬砌组成的支护结构承受高水压,减小二次衬砌厚度。为了分析双层初期支护的效果与获得基于双层初期支护的支护结构参数,利用有限差分法研究了不同防渗等级的单层与双层初期支护、不同注浆范围及不同二次衬砌厚度对围岩的变形影响和对支护结构的力学状态影响。结果表明:在相同支护体系中,喷射混凝土的不同防渗等级对围岩变形、支护应力影响不大;初期支护的防渗等级相同时,相比于单层初期支护,双层初期支护体系使围岩变形、喷射混凝土应力、二次衬砌的轴力与弯矩均减小40%以上;当拱顶以上水头为90 m且采用防渗等级为P8的双层初期支护时,径向注浆能够有效减小支护应力。当径向注浆范围超过4 m后,注浆对减小支护结构受力的效果不明显;采用双层初期支护体系,注浆范围为4 m时,二次衬砌的厚度设计为40 cm就能保障支护结构处于安全状态;径向注浆条件下,采用双层初期支护+二次衬砌的支护体系能够有效保障隧道高水压段的安全。     

公路隧道衬砌结构的相互作用分析

以特长隧道为研究对象,采用二维平面有限元方法研究了隧道衬砌结构的受力情况,建模中考虑了隧道坡度的影响.通过分析表明,衬砌中的初期支护和二次衬砌一般要共同承担荷载,二次衬砌的受力往往大于初期支护的受力,而且在初期支护与二次衬砌间存在不均匀压力,由此可对衬砌的合理设计与施工提供一定的参考价值.     

高地应力软岩大变形隧道洞型及双层初期支护支护时机研究

为优化高地应力软岩隧道支护结构受力以及控制围岩变形,开展隧道洞型与双层初期支护支护时机研究。首先,通过现场监测数据分析高地应力软岩隧道单、双层初期支护的支护效果及围岩变形规律;然后,采用FLAC3D软件对比分析马蹄形（高跨比0.80）、类圆形（高跨比0.90）、圆形（高跨比1.00）3种洞型下以及第1层初期支护变形达300、350、400 mm时施作第2层初期支护时隧道的受力与变形情况。研究结果表明： 1）对于高地应力Ⅲ级大变形围岩2车道隧道,采用双层初期支护较单层初期支护虽有效控制了围岩变形,但在施工过程中仍出现了拱肩破坏、仰拱开裂等现象; 2）适当增大隧道高跨比可有效降低围岩变形与支护结构受力,高跨比为1.00时效果最好; 3）适当增大第1层初期支护的预留变形量,推迟第2层初期支护的支护时间,支护应力大幅降低,因此,建议第1层初期支护变形达400 mm时施作第2层初期支护。     

高速铁路隧道支护参数的计算研究

为探索隧道初期支护安全系数的计算问题,并为高速铁路隧道支护参数优化提供理论依据,根据喷锚支护的性能与特点以及现代隧道力学的基本理论,建立初期支护荷载结构模型和对应的安全系数计算方法; 针对时速350 km高速铁路双线隧道提出的3种不同的初期支护方案（无系统锚杆支护、喷锚结合支护和以锚为主的支护方案）展开适应性研究,计算分析不同埋深（400 m和800 m）条件下初期支护的优化参数以及优化后的二次衬砌承载能力,在此基础上提出优化后的高铁隧道支护参数建议值,并对优化前后的安全系数进行计算与对比。主要结论如下： 1）提出了采用围岩压力代表值作为荷载结构模型设计荷载的方法,为解决设计中围岩压力不确定的问题提供了思路,且所推荐的围岩压力代表值计算方法具有安全性与经济性; 2）提出了3种初期支护计算模型,可以为初期支护构件的选择与量化设计提供一定的理论基础; 3）提出了时速350 km高速铁路双线隧道初期支护方案及优化后的复合式衬砌设计参数,并明确了不同围岩级别、不同埋深时的承载主体; 4）提出了按照不同埋深进行支护结构参数设计的建议。     

高含水量土质隧道不设系统锚杆的试验研究

鉴于土质隧道施工方法、支护时机、施工工艺等对系统锚杆支护效果的影响,及高含水量土层中锚杆成孔困难、注浆效果差、抗拉拔力低等缺点,提出在高含水量土质隧道中不设系统锚杆,初期支护采用“型钢拱架＋喷射混凝土＋钢筋网＋锁脚锚管＋纵向连接筋”组成的新型支护结构。为了评价这种新型支护结构的受力、变形特性以及衬砌结构的可靠性,在天恒山隧道Ⅵ级围岩段设置了两个监测断面,对隧道初期支护的拱部下沉、净空收敛、围岩压力、喷射混凝土应力、型钢拱架应力、纵向连接筋应力等进行监控量测。监测结果表明,不设系统锚杆时,隧道支护结构的变形和受力均在允许范围之内,初期支护工作状态良好。不设系统锚杆,可缩短工期和降低工程造价,具有着显著的经济价值和社会效益。     

钢纤维混凝土湿式喷射工法

钢纤维混凝土湿式喷射工法适用于隧道和地下工程以及所有需要快速提供强度的结构。本工法应用于云南元磨高速公路布陇箐隧道元江端隧道的初期支护，回弹率低，粉尘含量少，施工安全，施工速度与干喷相差不大，混凝土品质稳定。     

浩吉铁路黄土隧道初期支护格栅钢架应用研究

为验证重载铁路黄土隧道初期支护推广应用格栅钢架的可靠性,通过全环格栅钢架混凝土1∶1模型试验,现场初期支护变形收敛、围岩压力、格栅钢架和喷射混凝土力学性能测试,以及基于大数据的初期支护变形收敛数据统计分析等方法进行研究。研究结果表明:1)全环格栅钢架混凝土结构表现出较高的承载能力兼顾较大的变形协调能力,H180型格栅钢架混凝土结构在极限状态下可承载相当于32.56 m的黄土自重; 2)格栅钢架可应用于Ⅳ、Ⅴ级围岩大跨度黄土隧道,能保证围岩稳定及初期支护结构的安全; 3)大跨度黄土隧道初期支护采用格栅钢架,初期支护拱顶下沉及水平收敛值控制良好,总体在开挖预留变形量控制值内。     

高地应力区深埋隧道软弱围岩支护结构力学特性研究

通过对高地应力区深埋隧道上下台阶法施工过程的弹塑性三维有限元数值模拟,对初期支护锚杆、喷射混凝土、钢支撑及二次衬砌混凝土的力学特性进行了分析。结果表明：喷射混凝土拱顶、拱肩处的位移和最大主应力及拱肩处的剪应力较大,受钢支撑影响显著;隧道开挖后的应力集中对其周边1.0m范围内的锚杆轴力有很大的影响;钢支撑轴力和竖向剪断力随距掌子面距离的增大而增大;二次衬砌不同层位、不同位置处的主应力和剪应力有较大的区别。分析结论为高地应力区深埋隧道支护结构设计及其稳定性评价提供了依据。     

钢纤维喷射混凝土在隧道初期支护中的应用实践

介绍了钢纤维喷射混凝土在隧道开挖初期支护中的应用，并从其性能上与普通喷射混凝土进行比较，总结了钢纤维喷射混凝土的优点，为软弱围岩的隧道施工提出了一条新的路子。     

考虑岩体蠕变特性的片岩大变形隧道初期支护力学效应

以某隧道V级围岩试验段为工程背景,采用现场测试和数值分析手段,对比支护形式进行基于黏弹塑性的三维变形、受力分析,获取了锚杆、喷射混凝土及钢支撑等初期支护结构的受力特征以及围岩变形规律.分析表明:在云母片岩地层隧道中,大变形主要表现为剪切破坏特征,3种支护形式对围岩的变形都有一定控制作用,但顶部系统锚杆对控制塑性区的影响作用甚微;锚杆及其他初期支护受力最大的区域均位于边墙下部和拱脚位置,提高喷层厚度和钢架刚度能减缓变形速率,但过大的刚度也使得结构内力大大增加.因此,为控制云母片岩隧道过度变形,应增强边墙与锁脚锚杆以提高初期支护成环效应,适当的提高钢架的刚度,必要时提前施作二次衬砌.     

深埋软弱破碎围岩初期支护荷载承担比重研究

为了研究软弱破碎围岩隧道联合支护各构件的作用效果,以四川省宝兴水电站引水隧洞工程为背景,采用有限差分数值计算软件对隧道围岩注浆加固圈、喷射混凝土和型钢支撑3种支护措施的围岩荷载承担比重进行了研究。通过采用固定支座等效代替某种支护的方式,设计了3种支护方案,每个方案仅采用2种支护方式,计算至平衡,提取支护反力并转化成应力,从而得到该支护结构的荷载分担比。研究表明:型钢支撑起到及时强支护作用,可有效控制围岩变形;随着时间推移,当喷射混凝土达到一定的强度后,发展为主要承载结构,喷射混凝土面层承担更大比率释放荷载,喷射混凝土承载荷载比重最大,注浆加固圈次之。计算得出宝兴水电站引水隧道型钢支撑、注浆加固圈和喷射混凝土3种支护荷载承担比重为1∶1.25∶1.6。     

乌鞘岭公路隧道破碎岩体段结构可靠性评价

以乌鞘岭公路隧道破碎岩体段为研究对象,基于随机有限元的结构可靠性理论,统计计算试验所得各个随机变量的数字特征及分布类型;建立极限状态方程后,对乌鞘岭隧道破碎岩体段建立随机有限元模型进行结构可靠性计算.结果表明:随机变量直方图拟合曲线均比较光滑,而且抽样数据各个子序列均有数据且无间隙,表明所进行的随机抽样样本量充分;在此基础上,计算此段隧道的初期支护和二次衬砌各个最大应力及锚杆最大轴力的直方图和概率分布曲线,得到的可靠度及失效概率结果说明初期支护和锚杆最大轴力可靠性偏小,而二次衬砌的可靠性较大,本段隧道整体处于安全状态;隧道结构可靠性灵敏度分析得到:不同随机变量对隧道结构不同应力有着不同影响程度,且喷射混凝土厚度对隧道结构内力影响最为显著.     

浅埋软弱围岩双连拱隧道合理复合衬砌研究

结合某隧道出口浅埋软弱段工程,采用荷载-结构-弹性抗力模式对隧道支护结构承载能力进行了计算与分析,在此基础上,采用数值分析方法,对隧道初期支护结构与围岩的刚度耦合关系进行了研究,给出了喷射混凝土层不同厚度下的应力变化取值和钢拱架采用不同钢型参数对支护效果的影响取值,并据此对隧道初期支护设计参数提出修正意见。此外,论文还对连拱隧道合理二衬参数进行了探讨。     

深埋大断面黄土隧道初期支护受力特征分析

为避免初期支护局部破坏对深埋黄土隧道安全产生危害,依托甘肃省境内早胜3号隧道施工开展深埋大断面黄土隧道初期支护受力规律的现场试验研究。通过埋设振弦式传感器对围岩与初期支护接触压力、喷射混凝土应变、钢拱架应变、相邻钢拱架间作用力进行监测,同时建立模拟隧道施工的有限元计算模型,分析得到初期支护内力分布特点。结果表明： 1) 初期支护受力随时间表现出迅速增长—缓慢增长—逐渐稳定的特点,曲线在二次衬砌闭合12 d后基本稳定; 2)应力空间分布上部大下部小,偏压特性明显,荷载理论计算值偏小; 3) 拱顶及边墙区域为初期支护薄弱部位,需采取措施并加强监控量测; 4)数值计算表明锚杆末端轴力较小,设计中可考虑适当缩短锚杆长度。     

半成岩隧道斜井结构受力分析及参数优化研究

结合某隧道斜井穿越半成岩的建设背景,采用数值模拟手段对隧道斜井支护结构初支钢构件受力、初支混凝土受力及二衬结构受力进行系统分析,进而提出相关参数优化的建议,结果表明,受施工工艺影响,初期支护在钢构件接头位置存在相对明显的应力集中现象,为结构的相对软弱薄弱点,宜采用锁脚管棚进行加强;受结构拐角影响,初支混凝土在拱脚位置可能出现外表面局部拉裂现象,施工过程中宜采取加劲肋等形式加强该部位的拱架连接质量;隧道斜井初支钢构件未屈服、初支喷射混凝土未产生横向贯缝、二次衬砌的安全系数在规范允许范围内,隧道支护结构的整体可靠性有所保障。