铁路隧道衬砌结构综合分项系数研究

应用可靠度理论制定设计规范是国内外结构设计发展的必然趋势。采用带有分项系数的实用设计表达式,不仅继承了传统结构设计式的形式,而且能体现结构设计对目标可靠指标的要求,还能被设计人员接受。以荷载结构模型为基础,考虑结构抗力的统计特征和荷载效应的不定性,提出铁路隧道衬砌结构设计所采用的实用设计表达式。采用设计验算点法,对不同时速铁路隧道通用参考图二次衬砌结构分析计算综合抗力分项系数和作用效应分项系数,并给出铁路隧道衬砌结构分项系数的推荐值。     

中英钻爆法铁路隧道设计方法比较研究

针对钻爆法铁路隧道围岩分级、初期支护及二次衬砌设计方法等内容,对比分析了中英两国在隧道设计方法和理念方面的差异。对比分析表明,英国隧道设计基于巴顿的Q系统,该系统用表征岩体的RQD值,节理组数、粗糙度系数、地下水折减系数、蚀变系数及地应力折减系数来反映围岩整体力学性质,英国铁路隧道初期支护采用经验设计法,根据Q图谱进行预设计,采用有限元程序进行检算。二次衬砌采用极限状态理论进行设计,衬砌承受围岩压力的标准值由巴顿公式计算得出,二次衬砌设计时不考虑初期支护的作用。中国铁路隧道初期支护多采用类比法进行设计,并采用有限元法进行校核,二次衬砌普遍按破损阶段法设计,围岩压力根据统计回归公式计算,采用安全系数K控制结构安全性。相比而言,英国隧道设计方法和理念与围岩参数联系较为紧密和直观,而中国隧道设计方法基于定性与定量结合的围岩分级标准,两者差异明显。     

铁路隧道概率极限状态设计分项系数标定与讨论

目前，我国结构设计规范中广泛采用以荷载和抗力分项系数代表概率可靠性的概率极限状态设计方法。然而，在Eurocode 7等岩土工程结构的设计规范及相关研究中，对荷载与抗力分项系数方法，即以一组固定分项系数来保证不同工况下工程结构可靠性提出质疑。基于多年来我国铁路隧道衬砌结构概率极限状态设计的研究成果与应用情况，进一步细化不同围岩分级、埋深和衬砌类型的分项系数标定，共标定28种工况下衬砌结构设计的分项系数；分别采用本文、《铁路隧道极限状态法设计暂行规范》和《铁路隧道设计规范》的衬砌结构可靠性与安全性评价指标，对京张高铁八达岭隧道8种工况下设计方案的安全性与可靠性进行对比分析，不同工况下的隧道衬砌结构设计可靠指标与安全系数差异较大，说明荷载与抗力分项系数方法在铁路隧道衬砌可靠性设计中的稳健性较差。建议在隧道设计规范层面应逐步开展基于概率可靠性地勘和计算两阶段的研究，并提出铁路隧道设计方法转轨的部分建议。     

考虑水荷载作用的铁路隧道衬砌结构设计

采用室内模型试验方法,通过改变围岩注浆圈模拟介质的渗透系数,进行10组铁路隧道衬砌结构的水荷载折减系数测试试验,研究水荷载折减系数与注浆圈综合渗透系数的关系。试验结果表明,当围岩注浆圈渗透系数小于10-5cm.s-1时,水荷载折减系数取0~0.3为宜;反之,取值为0.3~1。按考虑水荷载和不考虑水荷载两种受力模式对隧道衬砌结构进行计算分析结果表明,存在较大水荷载作用的隧道衬砌结构设计不宜套用标准图,建议采用钢筋混凝土圆形衬砌结构。     

高压富水砂岩地层中铁路隧道冻结法施工衬砌结构研究

新建固原—王洼铁路程儿山隧道穿越高压富水砂岩，需采用冻结法施工。本文采用数值模拟方法对围岩冻结、解冻两种状态下隧道衬砌结构受力、变形和安全性进行了分析。结果表明：冻结加固后冻结体温度在-22～-16℃，具有一定的强度，因此无论是强度等级为C30—C50的60 cm厚钢筋混凝土衬砌，还是厚度为40～60 cm的C45钢筋混凝土衬砌，安全系数均满足规范要求；冻结体解冻后隧道衬砌轴力增大1.95倍，弯矩增大1.70倍，结构安全系数由3.36降至3.15，结构设计时应按围岩解冻状态考虑二次衬砌的受力，可采用变截面对衬砌结构局部加厚。施工阶段和竣工后监测结果显示，双层初期支护适用于冻结法隧道施工，二次衬砌采用厚60 cm的C45钢筋混凝土结构，冻结体解冻后未出现裂缝、渗漏水等问题，衬砌结构安全。     

多线铁路大跨度隧道围岩压力研究

围岩荷载的确定是进行隧道工程衬砌结构设计的关键。现行铁路隧道规范中深埋隧道围岩荷载计算公式是根据单线铁路隧道施工塌方的调查统计资料建立起来的统计经验公式,多年来,对于指导单、双线铁路隧道的结构设计起到至关重要的作用,但用于指导当前三线,特别是四线铁路隧道时,就显得无能为力了。提出一种合理的适合于三线、四线甚至更大跨度的铁路隧道的围岩荷载计算方法,提出考虑围岩变形全过程的"统一围岩压力曲线",并基于贵昆铁路六盘水至沾益段增建二线上的乌蒙山2号四线车站大跨度隧道,开展现场试验,对围岩压力进行监控量测,结合统一围岩压力曲线,提出竖向围岩压力计算公式q=Kγha。     

基于有限单元法的隧道抗水压衬砌结构设计

研究目的：客运专线铁路隧道结构设计中往往会碰到水荷载作用计算难题，考虑抗水压衬砌结构设计仍然是隧道设计与研究热点之一。为检验隧道衬砌结构设计的安全性及防水性，有必要对抗水压衬砌设计结构进行内力计算。研究方法：针对金沙洲隧道特定地质条件和工程设计要求，采用基于有限单元法的荷载结构模型，对按围岩类别设计的3种隧道断面衬砌结构受力进行数值模拟。研究结果：研究得到了衬砌外水压力以及结构内力及分布特征，并验算了衬砌结构的安全系数。通过对计算结果分析验证，选出了各自围岩级别下合适的衬砌结构。研究结论：在全断面封闭排水的衬砌结构设计中，应着重考虑发挥混凝土的抗压性能；在富水区地下水头较大时。采用帷幕注浆法改善堵水圈的渗透系数，可有效降低衬砌的外水压力；选择仰拱外轮廓隅角半径、仰拱与曲边墙的连接处的半径以及仰拱厚度作为控制变量，可以改善衬砌结构受力特征。     

中欧铁路隧道标准差异性研究与制修订建议

为进一步推动中国铁路“走出去”,吸纳欧洲铁路标准先进经验，适时将我国标准总结上升为国际标准，对比分析了中欧铁路隧道标准差异性。在整体上，我国铁路隧道已形成从勘察、设计、施工、验收到运维阶段的系统规范体系，而欧盟标准对隧道设计的侧重点在安全性、通用性设计，且相关的规范条文多为开放性、原则性内容，定量指标较少。研究结论：(1)进一步推动我国铁路隧道设计方法向极限状态法转化；在提升我国列车制造水平的基础上，优化我国的隧道限界、轮廓及断面布置；(2)根据我国铁路隧道建设经验，将复杂地质围岩分级方法、结构设计措施、施工方法(钻爆法)等提升为国际标准；结合超长大规模隧道群等重大项目，开展现场实测分析，形成强有力的科研成果支撑，适时推动我国防灾疏散救援相关标准被采纳形成国际标准。     

铁路隧道混凝土强度参数取值探讨

现行《铁路隧道设计规范》中采用的混凝土极限强度与《混凝土结构设计规范》不一致，现行《铁路混凝土强度检验评定标准》中也没有给出混凝土极限强度的定义及检验方法，上述问题给铁路隧道结构设计带来困扰。采用调研与计算相结合的方法，对混凝土极限强度的由来和极限强度与强度标准值关系开展了分析论证，研究结果表明：铁路隧道结构设计中采用的混凝土极限强度最早来源于202组棱柱体混凝土试件的试验统计结果；混凝土极限强度与混凝土强度标准值存在数值对应关系，但两者的保证率不同(混凝土极限强度的保证率为84%,而混凝土强度标准值的保证率为95%);若铁路隧道结构统一采用混凝土强度标准值进行设计，对于钢筋混凝土衬砌无影响，对于素混凝土衬砌会导致衬砌厚度增大；《铁路隧道设计规范》中混凝土强度参与宜与《混凝土结构设计规范》中的规定相统一，这样即可保证隧道结构与其它结构的可靠性的一致性，也可消除的混凝土强度检验无标准可参照的困扰。     

中德高速铁路隧道技术标准对比分析研究

我国高速铁路隧道设计规范在设计理念、体系构成、编制内容等方面与德国铁路隧道设计相同或者等效;但由于国情和考虑因素不同,在某些具体方面的选择上和操作方面存在差异。德国铁路隧道规范体系完整,标准高,内容具体,对工作的指导性较强;我国规范虽然体系完整、标准较高,但原则性较多,对工作的指导性相对较弱。通过开展中外高速铁路规范对比,加快我国高速铁路规范编制和完善对促进我国高速铁路建设和实施"走出去"战略具有重要意义。     

甬舟铁路金塘海底隧道矿山法段地下水限排标准研究

为对甬舟铁路金塘海底隧道矿山法段地下水限排标准进行研究，考虑海底隧道“V”形反坡排水需要采用机械强制抽排，隧道排放标准合理选择对海底隧道后期运营成本有重大影响，对已建成的7座矿山法海底隧道防排水模式进行调研。根据二次衬砌是否承受水压来进行划分，可分为3种，即完全封堵型隧道、局部排水型隧道和全排水型隧道，并考虑国内海底矿山法隧道(厦门翔安海底隧道、胶州湾海底隧道)的防排水设计相关经验，揭示甬舟铁路海底隧道矿山法段的防排水模式；分析已建成的7座海底矿山法隧道陆域段限排标准及甬舟铁路海底隧道陆域段各区域限排标准数据，计算出保证甬舟铁路海底隧道矿山法段的总体水平与挪威埃林索伊一隧道的总排放量接近的最大排放量。最终结合依托工程矿山法隧道段的水文地质特点，提出甬舟铁路海底隧道矿山法段的防排水模式。研究结论：(1)建议甬舟铁路海底隧道矿山法段采用排导(限排或全排)模式；(2)基于统计分析与工程类比，建议甬舟铁路海底隧道矿山法段最大排放量为0.43m³/(m·d)。     

中德铁路工程隧道技术标准对比分析研究

通过中德两国隧道技术标准体系和具体设计指标的对比分析研究，找出我国规范与德国规范在设计理念、体系构成、规范内容等方面的差距，为我国隧道规范的修订和高速铁路隧道设计提供参考，进一步健全我国隧道标准体系，提高规范水平。     

富水铁路隧道防水板和施工缝防水工艺优化

山岭铁路隧道防水板和施工缝是容易出现渗漏水的薄弱区域,也是影响铁路隧道防水效果和运营安全的重要因素。为有效解决隧道防水板铺设不密实、容易脱落、二次衬砌端头混凝土施工缝易出现裂缝和脱落、背贴式止水带周围混凝土不密实、排水功能欠佳等防水质量问题,文章依托某铁路隧道工程,优化防水板铺装方式,采取红外线激光定位和磁焊机焊接增强防水板稳定性和防水性;针对二次衬砌端头混凝土容易被衬砌台车衬砌模板挤裂,借助V型橡胶条以及橡胶垫板作为“保护层”缓冲,避免混凝土被挤裂;另外引入新型梯形背贴式排水止水带,确保防水效果,提高隧道工程防水质量,增强铁路运营安全性。     

山岭隧道预制拼装二次衬砌结构设计及计算方法研究

为探索地铁双线山岭隧道中采用预制拼装二次衬砌结构的技术可行性,首先,提出地铁双线山岭隧道结构设计方案,其中二次衬砌采用预制拼装及错缝拼装形式;然后,研究结构内力计算方法,推荐采用荷载-结构法,并采用梁-弹簧模型来模拟预制拼装二次衬砌结构内的接头力学行为,并推荐采用5环梁-弹簧整体分析模型。结构配筋分析结果显示,在3种围岩条件下,30cm厚度预制拼装二衬结构的配筋均在合理范围之内,可实现一套模具适应不同地层情况的效果。     

城际铁路矿山法隧道防排水体系探讨

城际铁路矿山法隧道一方面具有铁路山岭隧道大埋深、高水压的特点;一方面又具有城市轨道交通隧道全地下敷设,无地下水自然排泄条件的特点。如何制定合理的运营期防排水原则,成为城际铁路矿山法隧道建设中的重大课题。文章通过工程调研、理论分析及数值计算,对城际铁路矿山法隧道在高水压环境下的受力特征进行了分析,提出高水压环境下“排水泄压”的基本思路,进而提出了针对城际铁路矿山法隧道高水压段“限量排放”的治水理念。并结合某在建城际铁路矿山法隧道工程,从衬砌结构承受的合理水压限值、抗水压结构设计参数以及“限量排放”的合理地下水排放标准等方面对"限量排放"理念进行了具体工程应用。     

复合式衬砌隧道的总安全系数设计方法探讨

研究目的:铁路、公路等交通隧道常采用复合式衬砌,其中初期支护一般采用地层-结构法或工程类比法进行设计,二次衬砌采用荷载-结构法进行设计,由于二者采用的分析方法不同,难以统一评价整体结构的安全性。现有隧道设计规范仅提出了二次衬砌的安全系数要求,但复合式衬砌并非单一结构,有必要研究初期支护和二次衬砌的总安全系数。同时为建立总安全系数设计法,有必要研究初期支护的荷载-结构模型。研究结论:(1)对于采用喷锚支护的复合式衬砌隧道结构,围岩压力随埋深的增加而增加,隧道支护参数应根据埋深进行相应调整;(2)采用荷载-结构模型可以建立复合式衬砌初期支护和二次衬砌的统一设计方法;(3)复合式衬砌隧道的总安全系数应包含初期支护和二次衬砌各自的贡献,当二次衬砌为钢筋混凝土时,总安全系数建议不低于3.0,否则不低于3.6;(4)不同设计方法所建议的初期支护和二次衬砌的安全系数分配可按表2采用;(5)采用本文设计方法对现有高速铁路隧道结构安全性进行再分析,结果表明,在埋深为300 m左右时,Ⅲ、Ⅳ级围岩支护参数有进一步优化的空间;(6)本研究结果可为复合式衬砌隧道结构设计提供思路和方法。     

外水压力对渭河隧道下穿河谷段衬砌结构的影响研究

由于我国复杂的地形地质条件许多山岭隧道修建在地下水丰富的地区,但是目前铁路、公路隧道设计规范并未对衬砌承受水荷载的计算方法予以明确规定,隧道结构设计常采用全水压力或经验方法,导致设计不合理或过于保守。针对这种情况,本文以渭河隧道为工程背景,利用有限差分法对下穿河道的隧道进行流固耦合数值模拟分析,得出考虑外水压力时衬砌设计应采用的折减系数;同时,将考虑与不考虑外水压力条件下结构受力进行对比分析,得出了外水压力对隧道衬砌结构受力的影响,可供类似工程设计及施工参考。     

中日铁路隧道工程技术标准对比分析研究

我国隧道规范已形成了包括勘测设计、施工验收、养护维修和抢修抢建4类,基础标准、通用标准和专用标准3个层次共33个标准;日本隧道标准规范体系由规范—准则—指南—手册构成。日本规范以性能设计为基础,体系完整、内容具体,指导性较强;我国规范以力学设计为基础,虽然体系完全但原则性规定较多,对工作的指导作用较小。在围岩分级、设计方法、单双线设置、隧道衬砌、防排水、施工方法等具体指标方面,日本规范都有详细具体的规定,我国规范则没有或者不完备,需要结合我国国情通过科学研究进一步完善提高。     

轴重30t重载列车作用下新黄土区隧道适应性及强化措施研究

以在建的蒙华铁路典型隧道结构型式为基础,针对新黄土区重载铁路隧道结构动力响应、疲劳寿命以及合理强化措施等问题,采用数值模拟的方法进行研究。结果表明:随着轴重和运量的增加,既有铁路隧道无法满足30 t轴重列车长期安全运营的要求,应采取强化措施。而单一的系统锚杆注浆加固强化能力有限,须采用系统锚杆与隧底地基加固(加固深度4 m及其以上)的联合强化措施方能满足其疲劳寿命要求。通过研究,指出30 t轴重列车荷载作用下隧底结构疲劳易损位置,即二次衬砌仰拱中心、初期支护仰拱与边墙连接处,并得到满足100 a设计使用年限,新黄土区隧道二次衬砌、初期支护混凝土结构在轴重30 t列车荷载作用下的疲劳上限强度,分别为1.30和1.62 MPa,可为设计参考。     

铁路隧道衬砌表观病害等级评定研究

运营期铁路隧道衬砌存在不同程度的裂缝、渗漏水、剥落（掉块）等表观病害。本文首先分析了GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》、TB/T 2820.2—1997《铁路桥隧建筑物劣化评定标准隧道》等规范和标准评定隧道衬砌表观病害等级时存在的差异，针对QC/R 405.2—2019《铁路桥隧建筑物劣化评定第2部分：隧道》中存在的对细长裂缝没有给出判定规则、未考虑环向位置对等级评定的影响、不能依据检测图像对剥落（掉落）病害进行等级评定等问题，对裂缝长宽等级进行了细分，对病害环向位置进行了划分。在此基础上，对Q/CR 405.2—2019中高速、普速铁路隧道衬砌裂缝、渗漏水的等级评定规则进行了细化，实现了对不同属性特征的隧道衬砌表观病害等级的比较全面的评定。最后给出了隧道衬砌表观病害关注程度分类规则和不同等级病害的应对措施。