考虑时空效应的浅埋软弱隧道预留变形量确定方法

在浅埋软弱隧道台阶法施工中,预留变形量不仅要考虑围岩累计变形量,也要考虑支护结构随围岩变形的时空效应。基于围岩变形监测资料,对某隧道支护与围岩的协调变形过程进行了详细分析,发现隧道收敛与沉降变形具有明显的时空效应,在此基础上提出了理想预留变形量下的变形模型。在考虑台阶法施工中的围岩变形时空效应下,对隧道的预留变形量进行了监测,上台阶节段初支段落整体上移200mm;中台阶衬砌在设计轮廓线外移150mm,节段长度不变且对应钢架半径增大150mm;下台阶节段钢架对应半径做同样的增加,对接中台阶进行拼装施工。后期监测资料表明,隧道在完成变形后基本达到了设计轮廓线位置。该预留变形量的确定方法既有效避免了大变形对隧道的影响,也解决了支护结构施工与材料用料上的矛盾问题,为浅埋软弱地层隧道预留变形量确定提供了新的思路。     

基于正交设计的大断面隧道分部开挖步距敏感性研究

为了研究大断面分部开挖法隧道分部开挖步距敏感性,基于正交设计原理,通过AQAQUS有限元软件建立三维动态开挖支护数值模型,对三种大断面隧道分部开挖法:中隔壁台阶法、CRD法及CD法进行了不同开挖步距下的计算,对比研究各工况下大断面隧道施工过程中拱顶沉降、地表位移及支护结构应力变化规律,揭示不同开挖步距对大断面隧道围岩与支护结构的变形及受力状态影响规律,同时对大断面隧道分部开挖步距的选择提出参考意见。     

浅埋软弱围岩隧道微桩锁脚施工技术研究

针对浅埋软弱围岩隧道开挖施工的沉降变形问题，以翁多隧道为依托，结合现场监测数据研究了“三台阶+微桩锁脚”施工技术下隧道初期支护结构的受力及变形特征。结果表明：两种支护结构下随着施工开挖的不断推进，围岩和钢拱架应力变化规律相近，先急剧增加并达到峰值，然后呈缓慢下降趋势，并逐步趋于平缓；累计沉降量则呈缓慢增大趋势。隧道拱顶位置处应力最大，风险最高，常规锁脚锚杆支护拱顶处围岩压力、钢拱架应力分别为0.55、74.10 MPa，累计沉降量最大值为6.70 cm，微锁桩支护时围岩、钢拱架峰值应力分别增加0.55、23.50 MPa，累计沉降量减小了3.96 cm。可见，微型桩技术方案可有效改良浅埋软弱围岩隧道结构的变形与沉降值，控制隧道变形，避免隧道因大变形导致侵限换拱，降低了施工安全风险，具有一定的应用前景。     

不同地表倾角下台阶法施工对大断面隧道变形的影响分析

依托简浦高速公路长秋山大断面隧道工程,运用有限差分软件FLAC3D对该隧道采用三台阶工法的动态开挖进行了模拟,分析了不同地表倾角下台阶长度对隧道洞周位移的影响规律。结果表明:浅埋大断面公路隧道三台阶法施工,隧道洞周位移大小顺序为:仰拱隆起 拱顶沉降 水平收敛;不同地表倾角下,隧道拱顶沉降及仰拱隆起变化主要发生在台阶长度为4~6 m之间,说明短台阶或超短台阶法能够较好地控制隧道的洞周变形,更为适合软弱围岩大断面隧道的施工;台阶长度从10 m开始,隧道洞周位移逐渐收敛,可作为浅埋大断面隧道台阶法施工下洞周位移的"起始收敛点";隧道地表倾角对隧道洞周位移的变化影响较大,因此,实际施工中应根据地表的不同倾角,选择更为合理的台阶长度进行施工,确保软弱围岩大断面隧道的安全施工。     

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。     

浅埋软弱围岩隧道变形特征与施工控制研究——以拱北隧道为例

为研究浅埋软弱围岩隧道变形特征和施工控制措施,以拱北隧道为研究对象,分析隧道所处工程地质条件,并选取桩号D0+100~0+150洞段设置3层6处监测点,获取围岩变形位移数据,利用神经网络法反演获取隧道变形破坏参数与规律;以此为基础,利用ABAQUS有限元软件对比分析了软弱围岩隧道在不同施工方法、开挖方式和支护处理措施下的优缺点,并提出了针对性的解决方案。研究表明:拱北隧道初期支护过程中,拱顶部位沉降可达250~260 mm,拱脚部位变形较硬质岩隧道小,一般为197~200 mm,且仰拱初期支护过程中发生隆起的现象较为频繁;其次,隧道大变形的发生具有明显的时空效应特点,拱北隧道大变形发生部位集中在支护最薄弱位置,从这些部位逐步扩展为大变形破坏;采用分层开挖法,开挖台阶高度为3.5 m时较4.5 m高度台阶其顶拱沉降值缩小10.5%,水平向位移降低约5.2%,优势较大;借助可伸缩式锚杆和钢拱架等柔性和刚性支护措施相结合的方式,有效释放围岩压力,提高了拱北隧道围岩稳定性。对于浅埋软弱围岩隧道施工过程中采用以上施工及处理措施具有一定借鉴和推广价值。     

软弱围岩隧道变形规律与施工安全控制技术

针对梁家院子隧道围岩软弱变形大、变形持续时间长等特性,基于流变理论,探讨了软弱围岩变形规律.结合现场反馈监控量测信息,反演分析得到合理的支护时间,进而确定合理台阶长度;充分利用监控量测手段,调整施工方案和支护参数,采取控制围岩变形的技术措施,确保隧道施工的安全进行.工程实践表明,提出的隧道施工安全控制技术在确保施工安全,节省施工成本,加快施工进度等方面起到积极的作用.     

浅埋偏压软弱围岩隧道施工技术

浅埋偏压软弱围岩隧道若围岩为全风化岩,土体较为松散,围岩自稳能力较差,隧道开挖后容易出现塌方、冒顶等灾害,施工中隧道预留沉降量极难把控,即使开挖完成后也容易出现初期支护变形量较大,导致二次衬砌断面不足。京福铁路闽赣五标段金岭头隧道和童游隧道洞口段地质条件为全风化云母石英片岩,呈砂土状,地下水为孔隙裂隙水,施工中合理选用六部CD法、三台阶临时仰拱法和加强临时支护、反压回填等措施,控制了围岩和初期支护变形,保证了盾构能安全地通过风险地段。     

崤山隧道软弱围岩台阶法施工预留变形量预测原理及变形控制技术

为更加合理地设计隧道开挖预留沉降量,避免造成超挖过多增加衬砌混凝土量或初期支护侵限的问题,依据变位分配控制原理,采用数值模拟及现场监测数据分析等手段,分析软弱围岩台阶法施工时各工序施工对变形的影响程度,确定分步变形控制标准,根据分步变形控制标准建立相应的预警系统和应急工程措施,并依据分步实际变形量预测初期支护的最终变形量,为同一设计围岩等级下隧道预留变形量的动态设计提供指导。在崤山隧道台阶法施工工程中,成功地将初期支护变形控制在预留变形量之内,并动态设计下一循环预留变形量的大小,减少初期支护混凝土用量12.86%,可为隧道多步序开挖预留变形量的设计提供一定的借鉴意义。     

基于尖点突变理论的围岩稳定性分析

针对围岩失稳阈值的不确定性,通过有限元软件模拟隧道开挖过程,基于突变理论研究不同开挖步对应掌子面的变形规律,结合二分法使用曲线拟合法分析围岩失稳阈值,预判围岩失稳时机。结果表明:Ⅳ类围岩隧道宜采用台阶法边开挖边支护施工,拱顶沉降为隧道开挖主要风险控制点;突变理论能够动态把握围岩变形,模拟工况台阶法有支护、无支护、全断面法施工围岩变形突变分别发生在开挖70、56、60m位置。     

软弱地层中浅埋隧道不同工法开挖的力学特性研究

为确定软弱地层中浅埋隧道开挖时围岩的力学特性,以穿越饱和砂土地层的某城际高铁隧道为依托,采用数值模拟和现场试验手段,研究不同工法下围岩位移、地表沉降、初期支护受力情况的变化规律,并通过现场测试数据进行验证。结果表明:由于开挖过程中设置了中隔壁等临时支护,CD法能更有效控制变形的发展,因此洞内围岩位移、地表沉降、初支结构的应力、内力均比台阶预留核心土法小;现场监控量测成果与CD法数值模拟数据在规律上较为符合,CD法应用于饱和砂层中,引起的围岩位移、地表沉降、支护结构内力等均在安全值范围内,能保证浅埋隧道的施工安全。     

含水弱胶结粉细砂岩地层公路隧道开挖方案比选及二次支护施作时机研究

含水弱胶结砂岩具有黏结力低、水稳性差和流塑变形大等特点,导致隧道支护体系变形在时间及空间维度上表现出不均匀性、非线性及非对称性,继而产生围岩坍塌、支护失效等工程问题。结合某公路隧道建设背景,采用"先让后治"的原则,补强初期支护强度并提供二次衬砌施作条件,提出双层初期支护设计方案,并通过数值技术仿真分析三台阶七步、CRD和双侧壁导坑3种工法下拱顶沉降、水平收敛及塑性区的分布特征。结果表明:1)在成岩差、易流砂地层下,CRD工法为此类地层120 m2断面软弱围岩的最优开挖方法;2)二次支护施作的最佳时机应在上台阶右半幅断面开挖前;3)在有条件的前提下宜将四部交叉中隔壁法演化为六部中隔壁法施工。     

上下台阶法和CRD法施工下超大断面隧道围岩控制机制数值试验研究

为明确超大断面隧道软弱围岩破坏及控制机制,系统开展上下台阶法和CRD法开挖方式下超大断面隧道软弱围岩控制机制数值试验,对比分析不同强度等级围岩下隧道拱顶位移、最大塑性应变、支护构件受力变化规律,得出结论:不同开挖方式对隧道拱顶位移、最大塑性应变、支护构件应力影响显著;CRD法对隧道的拱顶位移、最大塑性应变、支护构件应力的控制效果比上下台阶法要好,且随围岩强度等级越低、隧道拱顶沉降越大,塑性区范围越大,支护构件应力越大,围岩稳定性越差。     

超大断面隧道软弱破碎围岩台阶法施工过程力学效应规律研究

超大断面软弱围岩隧道施工过程中,采用台阶法施工方案容易引起大面积塌方,但是可以有效缩短施工工期,从安全性的角度出发,台阶法施工特别是作为台阶法核心问题的台阶高度选择值得进一步分析。依托兰渝铁路两水隧道,采用三维数值仿真手段,分别建立台阶高度取H/3,H/2,2H/3和最大宽度处模型,模拟了铁路隧道在极软弱围岩中采用台阶法施工选择不同台阶高度的施工过程,对比不同台阶高度下隧道的拱顶沉降、水平收敛和掌子面挤出变形,揭示了台阶法施工过程中围岩力学效应的演化规律,并最终得出最优台阶高度,为工程施工提供参考。     

郑万高铁大型机械化施工隧道位移控制基准研究

依托郑万高铁湖北段大断面隧道洞群,针对其开挖断面面积大、软弱围岩占比高、采用大型机械化大断面法施工的特点,开展初期支护位移现场监控量测,对监控量测数据进行分类统计、包络回归分析,得到Ⅳ、Ⅴ级围岩深、浅埋不同大断面法（全断面法、微台阶法）开挖下初期支护位移沿隧道纵向的函数表达式及各工况下分段位移占极限位移的比值。最后结合 Q/CR 9218-2015《铁路隧道监控量测技术规程》中初期支护极限位移值,给出郑万高铁大型机械化施工隧道各工况下初期支护位移控制基准建议值。结果表明： 郑万高铁隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩采用深、浅埋不同大断面法开挖时,按距掌子面距离的分阶段位移控制基准相差较大,现行Q/CR 9218-2015《铁路隧道监控量测技术规程》中统一规定不合理;围岩级别、埋深及开挖方法相同时,拱顶沉降和洞周水平收敛规律基本一致。     

软弱围岩大跨隧道合理预留变形量分析及初期支护刚度优化

针对正在建设的成贵铁路四川段大部分隧道位于红层砂泥岩软弱地层的情况,根据现场实测数据,对10座隧道共407个断面1 213个拱顶沉降及边墙收敛监测数据进行统计分析,研究分析红层砂泥岩软弱地层隧道的变形特性及变形量。同时,结合现场实测统计数据,对目前红层砂泥岩软弱地层隧道V级围岩隧道采用的初期支护刚度体系进行多工况数值模拟分析,针对不同的初期支护结构进行变形及应力分析。研究结果表明： 现行TB 10003-2016《铁路隧道设计规范》给出的预留变形量参考值偏大,建议红层砂泥岩软弱地层浅埋大跨隧道（V级围岩地段）预留变形量按50~60 mm设置。     

昔格达地层隧道围岩及初期支护变形规律研究

为探明昔格达地层隧道开挖过程中初期支护背后空隙注浆的时机以及预留变形量的大小,以成昆复线铁路昔格达地层隧道为背景,采用现场实测与统计分析的方法对昔格达地层隧道围岩和初期支护的变形规律以及预留变形量进行深入分析。研究结果表明:1)昔格达地层隧道上台阶开挖后初期支护与围岩间存在初始空隙,拱顶围岩与初期支护间的差异沉降为1~2 mm,受地质、埋深及施工等因素影响,中台阶开挖较易引起隧道塌方,建议中台阶开挖前对拱部初期支护背后的空隙进行注浆回填。2)昔格达地层隧道预留变形量可根据掌子面施工揭示围岩情况调整,若施工揭示的昔格达组以页岩为主,建议预留变形量设置为24~30 mm;若施工揭示的昔格达组以砂岩为主,建议预留变形量设置为118~123 mm。     

四官寨隧道围岩与支护结构变形与受力特征现场试验

煤系地层属隧道施工中的不良地质,施工过程中除面临瓦斯燃烧、瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等高风险外,其围岩大变形问题也极为突出。通过对晴兴高速公路工程典型煤系软弱地层隧道—四官寨隧道围岩变形与支护受力进行现场测试,进而在实测数据基础上,系统分析了煤系地层隧道支护结构体系的稳定性,探讨了应对围岩大变形的措施,总结了典型煤系地层软弱围岩及支护结构的受力与变形特点,为今后类似工程提供有益的参考。     

郑万高铁隧道大型机械化配套全断面法施工围岩-支护结构相互作用力学特性研究

为研究郑万高铁大型机械化配套全断面法施工围岩-支护结构相互作用力学特性,依托郑万高铁隧道现场实测数据,确定台阶法和大型机械化配套全断面法2种工法施工的围岩压力分布特征,并采用数值模拟的方法建立围岩-支护结构有限元模型,分析2种工法对围岩压力和结构内力的影响规律。研究结果表明： 1)台阶法多次施工扰动易导致支护结构和围岩之间产生空隙而发生脱空,大型机械化配套全断面法施工对围岩扰动次数少,初期支护快速封闭成环,可保证初期支护及围岩之间良好的密贴性; 2)在软弱围岩中,采用大型机械化配套全断面法施工比台阶法更有利于改善结构受力,减缓结构内部偏心受压的程度,能有效发挥拱形隧道结构承载力; 3)大型机械化配套全断面法在软弱围岩快速施工、控制支护结构变形、保证支护结构受力安全等方面具有综合优势。     

大变形隧道力学效应及施工对策

在软弱围岩中修建隧道,围岩及隧道结构如初期支护和二次衬砌都遵循大变形理论,因此设计和施工都应该以＂大变形＂理论为指导,进行设计施工。通过大变形理论分析得出,隧道施工必须以＂新奥法＂隧道施工理论为指导,切实搞好隧道围岩预加固、分部、分台阶开挖,以确保软弱围岩隧道在施工过程中的安全,通过＂大变形＂理论为指导,加强监控量测,使得施工过程中整个隧道始终处于安全可控制状态。