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。     

郑万高铁大断面岩质隧道掌子面稳定性评价及控制措施

为建立施工阶段大断面隧道掌子面稳定性评价方法,结合郑万高铁大型机械化特点,对郑万高铁湖北段隧道掌子面地质信息进行统计分析,将掌子面稳定性分为A整体稳定、B局部掉块、C上半断面不稳定和D全断面不稳定4个级别,并建立以岩石坚硬程度、岩体完整程度和地下水状态3个指标的掌子面稳定性定性分级方法,得出围岩级别与掌子面稳定性的对应关系。研究结果表明： 1）岩石坚硬程度、岩体完整程度和地下水状态是围岩分级指标中使用率最高的3个指标; 2）Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩的掌子面稳定性为A级。     

隧道衬砌可靠指标的优化求解方法

为解决JC法计算隧道衬砌可靠指标过程中极限状态选用方法的缺陷,通过随机有限元方法和Monte-Carlo法对时速350 km高速铁路双线隧道Ⅲa、Ⅳb型衬砌进行抽样计算,得到2种衬砌各截面偏心距平均值和变异系数; 通过对素混凝土和钢筋混凝土衬砌极限状态功能函数及其适用条件的分析,引入几何优化法,以约束函数表示功能函数的约束条件,建立可靠指标的优化求解模型; 选用寻优性能良好的Global Search函数,对2种衬砌各截面可靠指标进行优化求解,并与JC法进行对比,证明优化方法的优势。     

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。     

郑万高铁隧道大断面机械化施工关键技术研究

为实现大断面隧道机械化施工,针对郑万高速铁路湖北段隧道机械化施工所面临的掌子面稳定性控制、支护结构参数优化、机械化施工工法及施工工艺参数选取等主要问题,采取现场试验、资料调研、理论分析等手段,提出掌子面稳定性综合分级方法及稳定性控制措施,并对超前支护、洞身支护参数进行优化。郑万高速铁路采用全断面法和微台阶法2种工法进行施工,同时,对高压劈裂注浆、低预应力锚杆、超挖控制、高标号初喷混凝土等施工工艺进行探索和应用; 在信息化项目管理平台的基础上,建立基于施工动态管理的隧道作业面分类管理方法。研究成果在郑万高速铁路的成功应用将极大提高隧道建设的机械化水平,为隧道机械化施工提供参考。     

移动式布料皮带机在双护盾TBM出碴中的应用

隧道TBM施工采用有轨运输方式出碴时,掘进过程中矿车卸碴布料涉及工序较多,且牵引列车编组的内燃机车持续运行会增加尾气排放,造成隧道内空气污染。应用于青岛地铁隧道施工的双护盾TBM的后配套配置了移动式布料皮带机,该皮带机可实现往复移动和正反向运行为矿车卸碴布料。对该移动式布料皮带机的工作原理、结构组成、移动方式、张紧方式和驱动方式等进行研究,并分析其应用效果。实践证明,该技术应用于TBM后配套出碴可行、实用,简化了施工工序并提高了工作效率。     

基坑分区开挖对邻近大直径越江隧道影响的数值模拟与现场实测分析

为研究基坑分区开挖对邻近越江隧道保护的有效性,以上海市西藏南路双线越江隧道附近绿谷一期基坑工程为依托,首先采用有限元法建立数值模型,分析基坑分区与不分区开挖对地下连续墙位移和既有越江隧道收敛变形的影响。然后根据现场监测数据,研究基坑分区开挖下既有越江隧道和地下连续墙的变形规律。结果表明： 1）采用分区开挖的方式,地下连续墙最大位移减小23.9%,邻近越江隧道最大竖向位移减小35.4%,分区开挖施工对距离较近隧道的保护效果更好; 2）对于面积较大的分区,其开挖导致的地下连续墙变形更大; 3）既有越江隧道在基坑施工过程中发生了斜向压扁的不规则收敛变形,地下连续墙最大水平位移对邻近隧道的收敛变形具有一定的预测作用。     

蒙华铁路阳城隧道土砂分界地层分界面位置对围岩稳定性影响探究

为了解决隧道穿越土砂分界地层的围岩稳定性问题,以蒙华铁路阳城隧道为研究对象,采用现场试验、室内试验及数值试验等研究方法对土砂分界地层围岩稳定性进行探究,重点探讨地层种类及其厚度变化对围岩变形、塑性区扩展及支护结构受力的影响。结果表明： 1）相对单一地层,土砂分界地层会影响洞周应力分布,分界面处围岩容易先出现塑性区,且土砂分界地层围岩变形性质与软弱的全砂岩地层更为接近; 2）在土砂分界地层分界面处会产生较大的水平收敛,易出现拉应力; 3）土砂分界地层中,随着砂层所占比例的增大,拱顶沉降和洞周收敛不断增大,且分界面所在台阶处支护结构的应力发展会提前达到更高的峰值; 4）当分界面出现在上台阶时,围岩会产生极大的塑性变形,支护结构承受相对较大的应力,是土砂分界地层中最不利的分界情形。     

岩石掘进机关键技术展望

经过5个阶段的发展,TBM在我国的应用正在不断推广,应用前景十分光明,挑战也十分严峻。简要总结我国TBM研究与应用的5个发展阶段和应用前景,分析TBM施工面临的6大挑战： 地质多样化带来更多的地质风险; 应用领域亟待拓展; 设备技术发展赶不上施工需求的变化; 施工进度不均衡; 施工环境越来越严苛; 存在不合理的施工合同。从TBM设计制造及施工应用的9个方面提出展望： 核心部件国产化; 提升各种地质条件下的破岩能力; 提高出渣能力及可靠性; 提升初期支护及超前加固性能; 研发异形断面TBM; 圆形断面TBM开挖隧道的空间合理利用; 大力推动TBM周转使用和再制造TBM应用; 研究极端恶劣地质条件下TBM施工技术; 促进国产配套施工设备研发应用。只有不断深入研究TBM设备与施工的关键技术及前沿技术,有效解决设备设计制造和施工过程中遇到的难题,才能不断提升我国TBM设备与施工技术水平,避免陷入关键技术受制于人的窘境,促进我国TBM事业持续健康发展。     

郑万高铁隧道大型机械化施工支护优化

为解决郑万高铁大断面隧道建造过程中初期支护、二次衬砌、超前支护等支护结构安全储备较大、支护不经济的问题,以郑万高铁湖北段大断面隧道工程为依托,基于通用设计图A开展支护结构应力应变现场测试,对测试数据进行分析,并据此提出支护参数优化方案。采用现场实测和荷载-结构有限元方法对优化方案进行检算,最终确定优化设计图B,并进行现场应用。结果表明： 支护结构整体处于安全状态,优化方案合理可行。该支护优化方案不仅可以有效保证大断面隧道的安全性和稳定性,而且能降低成本,提高材料利用率,减少现场作业人员的劳动量。