覆盖松散堆积体隧道二衬受力特性研究

以西部山区覆盖大量松散崩塌堆积体的某公路隧道(S隧道)为工程背景,利用振弦式传感器监测隧道初支与二次衬砌间接触应力和二衬混凝土应变,讨论隧道二衬受力特性,为相似隧道工程二衬设计、施工提供参考。结果表明:覆盖松散堆积体的S隧道二衬可有效承担围岩压力,且于二衬施作完成50d后应力基本保持稳定;二衬存在一定的偏压受力,其左幅所受应力大于右幅;隧道二衬混凝土应变起始为拉应变,随时间增长,应变转为压应变并逐渐趋于稳定;二衬混凝土所受较大压应变主要位于隧道拱腰肩位置,与初支和二衬间接触应力最大值位置具有一定对应关系;初支与二衬间最大接触应力0.1MPa,二衬混凝土最大压应变28με,各监测值均处于二衬结构安全受力范围内,该覆盖松散堆积体隧道施作的二次衬砌结构受力安全可靠。     

高速铁路隧道初支、二衬间接触压力研究

 为了系统研究高速铁路隧道二次衬砌力学特性,依托贵广、兰渝、京沪铁路多个典型高速铁路隧道工程,对不同级别围岩条件下初支、二衬间的接触压力进行现场监测。通过分析指出：初支、二衬间接触压力在二衬拆模时最大,此时二衬结构受力最不安全;二衬所受的荷载实际上是初支传递过来的围岩形变压力,与规范中采用松散体高度计算得到的松动压力是不同的;通过分析不同级别围岩条件下规范荷载和实测荷载作用下二衬结构的安全性可知,规范荷载作用下隧道结构最不利位置一般在拱顶,而实测荷载作用下隧道结构最不利位置往往在局部应力集中处,且实测荷载作用下二衬的安全性要远高于规范荷载下的情况。因此通过支护时机、支护措施以及必要时辅助工法的施作可以实现初支(和围岩)承受全部荷载,二衬结构作为安全储备。研究结论对深入了解高速铁路隧道二衬的受力特点,更加科学合理地设计二衬具有一定参考价值。     

公路隧道下穿双层采空区开挖过程模型试验

双层煤层由于距离较近，采空后冒落带范围相互叠加，下穿隧道施工引起的围岩松动垮塌范围要大于单层采空区，对隧道结构受力和围岩稳定产生不利影响。开展公路隧道下穿双层煤层采空区的室内开挖模型试验，通过埋设地中位移计、土压力盒和电阻应变片，测量了隧道开挖过程中采空区地层移动和初期支护内力特征。测试结果表明，采空区地层沉降主要产生于上台阶开挖至初支闭合阶段，倾角较小时，地层沉降速率较大，沉降曲线较陡，而后期收敛较慢，沉降较大；隧道支护结构承受一定的偏压荷载，且倾角越大，偏压越明显，围岩与支护的最大接触压力出现在采空区对侧的仰拱处。由于采空区地层的松散性，锚杆的作用没有得到充分发挥。钢拱架最大弯矩主要发生在上台阶靠近采空区侧拱脚处；轴力分布不均匀，靠近采空区侧轴力水平普遍偏低，不利于支护结构稳定。随着采空区倾角的增大，初期支护拱顶正弯矩区域向采空区侧偏移，最大弯矩值和最大偏心距都显著增加，支护结构稳定性降低。试验揭示了隧道下穿双层煤层采空区开挖过程中采空区地层移动规律和初期支护受力特征，可用于指导类似工程设计与施工。     

不良地质隧道侵限段换拱施工技术研究

在隧道工程建设过程中,受隧道围岩地质不确定性影响,隧道时常会发生初支结构侵入二衬结构限界,进而导致二衬隧道衬砌厚度不足等问题。初支换拱就是将侵限的岩体钢架破除,释放围岩压力并再次进行支护的有效手段。该文以广西瑶山至南丹公路（二期）工程在建项目为例,通过隧道初支侵限原因分析及施工过程监控量测优化论证,将隧道拱顶最大沉降由95 mm降低并稳定控制在30 mm内,可为软弱围岩隧道侵限换拱施工提供理论参考。     

软弱地层浅埋大跨双连拱隧道支护结构受力现场监测试验研究

由于跨度大,施工分步多,软弱地层大跨度连拱隧道支护结构受力规律难以把握,双连拱隧道设计施工难度较大。本文依托南山路浅埋大跨双连拱隧道工程,通过现场试验研究双连拱隧道施工过程初期支护和二次衬砌的受力,着重分析了围岩压力、钢架应力、初期支护与二衬接触压力、二衬钢筋应力的变化规律,结果表明:(1)由于后行洞的施工对先行洞围岩的扰动,使先行洞围岩发生多次应力重分布,使得先行洞受力比后行洞受力大且变化更为复杂;(2)拱顶和拱脚位置是整个结构受力最大的位置,仰拱封闭会使结构受力减小,因此及时使结构封闭成环有利于结构受力;(3)二衬承受了一定的围岩压力,且可以在较短时间内达到稳定受力状态,在现场二衬施做步距下,二衬不会发生屈服破坏。     

超大断面黄土公路隧道监控量测与分析

以唐家塬隧道为工程背景,通过现场监测拱顶下沉、围岩收敛、围岩压力、初衬与二衬接触压力和二衬混凝土应变,对监测数据进行整理分析后得出结论:超大断面黄土隧道围岩变形大致经历了急剧变形、持续增长、缓慢增长3个阶段;初次衬砌的拱顶下沉量要远远大于围岩水平收敛量,围岩变形主要表现为整体下沉(建议施工单位采用双侧壁导坑预留核心土方法来控制隧道整体下沉);隧道断面围岩压力分布不均匀,存在明显的偏压现象;初衬与二衬的接触压力有拱顶向拱脚传递的趋势;二衬承受较大的荷载。     

穿越软硬围岩隧道设置减震层振动台试验研究

以西部高烈度地震区浅埋公路隧道为依托,通过大型振动台模型试验,研究隧道穿越软硬围岩段在地震荷载作用下设置减震层的动力响应特性,并采用数值模拟方法对试验结果进行验证分析。试验及数值计算结果表明,从洞身段来看,减震层厚度存在最优值;从穿越软硬围岩段来看,增加减震层厚度可降低隧道沿纵向的动力响应差异,但加速度峰值会有所上升;拱顶围岩和隧道衬砌结构加速度响应频谱曲线均表现出“三峰值”现象,设置减震层并不会显著改变围岩频谱特性,衬砌结构也不显著体现自振特性,其响应主要取决所穿越围岩的动力特性;减震层处于最优值时可通过吸收更多的低频组分来降低隧道的动力响应;设置减震层可显著降低二衬动应力,但会使初支动应力呈现不同程度的放大,随减震层厚度的增加,二衬动应力先减小后增大,初支动应力先增大,后呈降低趋势;通过观察衬砌破坏形态,隧道拱顶、拱脚和仰拱易发生开裂,设置减震层后,仰拱相对容易发生破坏,应给予重点关注。研究成果可为西部高烈度地震区浅埋隧道抗震设计提供参考。     

基于实测数据的隧道衬砌受力分析

以武广客运专线浏阳河隧道为工程背景,基于实测数据,对隧道的二衬围岩压力进行分析,并用实测二衬围岩压力与普氏理论以及深浅埋法计算所得值进行对比.利用实测围岩压力作用于衬砌上,计算出其结构内力,分析其受力特性.分析结果表明:普氏理论在浅埋时计算所得竖向围岩压力偏大,埋深大时计算值与深浅埋法接近;二衬所受水平压力远大于理论计算值,与竖向压力的比值大于1.浏阳河隧道二衬最不利位置一般位于仰拱或拱顶处.     

公路隧道分区防水施工技术

1 、工程概况 大湾隧道为某高速公路上的山岭重丘区公路隧道,该隧道区址为丘陵缓坡地形,最大埋深为39.4m。隧道区内地质:表层为第四系残坡积层碎石土,下层为下寒武系下统清虚组石灰岩和中统高台组白云岩,隧道位于区域性压性层破碎带及断层影响带中,隧道区内围岩节理裂隙极其发育,裂隙微张。地下水不发育,但雨季由于地表水补给,裂隙水丰富,开挖过程中曾出现多段大面积滴涌水现象。 隧道结构为复合式衬砌,初支为C20喷射混凝土,厚度为260～280mm,二衬结构为C20模筑混凝土,厚度为500～600mm。防水设计方案为二次衬砌混凝土和防排水各成体系,二…     

软弱围岩浅埋大断面公路隧道支护结构参数比选

以乐汉高速为工程背景,借助有限元软件MIDAS分别构建地层结构模型和荷载结构模型,研究不同支护参数下隧道围岩变形及结构受力特征,结合结构安全系数,比选出隧道最为合理的支护体系。研究结果表明,不同初支厚度下结构受力均呈现边墙>拱腰>拱顶的分布规律,围岩变形呈现仰拱>拱顶>拱腰>边墙的分布规律,随着初支厚度的增加,结构受力及围岩变形均逐渐降低,但跌幅较小,在15 cm厚初喷C25支护下结构受力及围岩变形均满足工程要求。对于软岩浅埋公路隧道,结构安全系数最小值位于隧道拱顶,且随衬砌厚度增加而逐渐提高,采用45 cm, 55 cm, 65 cm厚C30钢筋混凝土结构安全系数及裂隙宽度均满足规范要求,为了节省经济,减少工程投资,二衬可选择45 cm厚C30钢筋混凝土。     

上覆水平煤层采空区衬砌受荷模型试验研究

隧道近接上覆水平采空区地层施工易扩大上覆围岩松动范围,增大松动荷载,为探明隧道衬砌结构受荷特性,采用室内相似模型试验量测了上覆水平煤层采空区地层隧道二次衬砌结构内力(轴力、弯矩),分析了不同边界压力作用下位移、轴力和弯矩的变化情况和特定压力下间距对二次衬砌受力的影响。结果表明:上覆采空区对洞周位移和二衬内力造成了一定影响,采空区底板与隧道间距越小,位移越大,当竖向压力为1000 k Pa时,与无采空区工况相比,0.5D工况最大位移增加93.73%,1.0D工况增加27.90%;弯矩和轴力的增加越明显,当竖向压力为500 k Pa时,与无采空区工况相比,间距0.5D工况最大弯矩增加139.68%,间距1.0D工况最大弯矩增加34.39%,采空区的存在导致轴力分布形态变化较大,间距0.5D工况平均轴力增加78.39%,间距1.0D工况平均轴力增加37.81%;最大偏心距出现在仰拱部位,承载能力相对较低,是隧道主体结构的薄弱环节;二次衬砌仰拱位置最先开裂,煤层采空区对裂缝展开顺序有一定影响。     

有衬砌隧道设计计算探讨——隧道稳定性分析讲座之三

利用有限元强度折减法结合基于有限差分原理的FLAC软件,探讨了隧道设计计算过程中初衬和二衬的计算问题以及隧道开挖的应力释放问题,并以黄土隧道为例探讨研究不同应力释放率以及不同初衬和二衬厚度情况下隧道的受力特征,计算围岩安全系数以及二衬安全系数,得出了以下结果:一是利用FLAC软件计算中的不平衡力来控制隧道开挖过程的应力释放是合适的与可行的;二是初衬作为隧道围岩的加固圈将承受较大荷载和产生较大的变形,初衬必将进入弹塑性状态;二衬作为隧道的强度储备或者承受不大的荷载,二衬视作弹性杆件可按结构力学的方法确定安全系数;三是如果初衬后围岩安全系数大于1.30,可以认为围岩和初衬都是稳定的,二衬作为安全储备;如果围岩安全系数在1.30~1.15之间或围岩为粘弹塑性材料时,表明二衬将承受一定荷载;如果初衬后围岩的安全系数小于1.15~1.20,则认为初衬不足,不能保证施工安全。最后建议对二衬后的围岩安全系数取1.3,二衬结构安全系数对无抗裂要求的混凝土衬砌取1.4,钢筋混凝土衬砌取1.35。两者综合的安全系数大约在1.8左右以供参考。     

基于安全系数的地铁车站衬砌优化设计探讨

实际工程中初衬受力与变形很大因而初衬会进入塑性,应将初衬视作弹塑性加固材料进行设计计算。结合一个青岛地铁车站衬砌的设计计算,将强度折减法应用于隧道稳定性分析。考虑衬砌施作时的围岩应力释放率影响,利用强度折减法计算隧洞围岩及衬砌的安全系数。初衬后围岩安全系数不应小于1.15~1.20,如果围岩安全系数小于1.30,此时二衬将承受一定荷载。二衬安全系数与初衬后围岩安全系数的乘积应大于2,以确保二衬安全。通过计算可以定量的确定初衬和二衬的结构尺寸,确保隧洞安全并合理降低成本。     

岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压机制研究

针对岩浆岩侵入区采掘期间冲击地压频繁发生的实际问题,运用理论分析、数值模拟以及工程实践等研究方法,研究岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压机制。主要结论如下:基于弹塑性理论推导出巨厚煤层巷道围岩应力分布计算公式,由此绘制应力分布等值线图,结果表明最大主应力方向、最大剪应力集中区位置均与煤层倾向相垂直,煤层倾角不能改变最大主应力和剪应力的集中程度,而侧压系数对最大主应力集中程度的影响较大。坚硬岩浆岩顶板在采空区上大面积悬顶导致其附近大面积煤体应力的整体升高,为冲击地压发生提供了静载荷;掘进施工诱发岩浆岩局部侵入带能量的瞬时释放,为冲击地压发生提供了动载荷;综上分析,建立岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压的力学模型,得出冲击发生判据,进而获得冲击地压发生机制。应用研究成果,较好地分析了矿井实际掘进巷道冲击地压的发生机制,并有效地指导了冲击地压防治实践。     

高地应力软岩隧洞衬砌结构受力及强度安全系数研究

深埋条件下的高地应力软岩隧洞衬砌结构受力与一般隧洞不同,为探明其力学响应特征,依托实际工程对锚杆轴力、钢拱架应力及初支与二衬之间的接触压力进行现场测试,基于强度折减原理,采用有限差分软件Flac3D分析围岩稳定性和二衬受力后的强度安全系数。分析表明:高地应力环境下边墙部位锚杆发挥拉拔力作用明显,锚杆中性点随围岩塑性区发展有向围岩深处移动的趋势;钢拱架以受压为主并能立即发挥支护作用;在保证围岩稳定的条件下,二衬将承担12%的围岩压力,且受力集中的墙脚处二衬强度安全系数最小。     

沿空送巷煤柱在锚杆支护下的稳定性研究

为了在提高煤炭资源采出率的同时保证巷道的稳定性,提出在陈四楼煤矿2216工作面二2煤层采用留小煤柱沿空送巷技术。本文通过平面应变模型试验和FLAC^3D数值模拟计算,分析了在锚杆支护下不同宽度煤柱的破坏状态、应力分布及巷道围岩变形等因素,进而确定沿空送巷的合理煤柱宽度。研究表明,留设煤柱是沿空送巷围岩的一个重要承载结构,选择5 m煤柱作为窄煤柱护巷能够保证巷道的使用安全并具有相对较高的采出率,而帮锚采用全锚支护能够使锚杆的支护效应得到更为充分的发挥。     

无衬砌隧道压力拱的变化规律

结合衬砌与围岩的相互作用,分析无衬砌隧道开挖后压力拱的形成过程,根据隧道衬砌后应力位移的分布规律来研究衬砌施工时间对隧道压力拱的影响,得到如下结论:隧道开挖后,不进行衬砌施工,应力重新分布后顶部水平应力和侧边垂直应力增大,顶部垂直应力和侧边水平应力减小;随着时间的发展,形成的压力拱的垂直外界基本不变,垂直内界逐渐减小,水平内外界逐渐减小,压力拱拱体内最大应力均逐渐增大;隧道围岩较好时,衬砌时间选在稳定压力拱形成的时间,而围岩较差时,衬砌时间选在隧道压力拱开始形成的时间。     

隧道初支与二衬间接触压力统计分析

复合式衬砌一般由初期支护和二次衬砌共同组成,二者相互作用关系是隧道工程中的研究热点,本文通过对43座隧道79个监测断面初支与二衬接触压力的统计分析,探讨了接触压力的总体分布特征及其与围岩等级、隧道埋深、跨度等因素的关系,研究了二衬荷载分担比在洞周的分布规律,讨论了接触压力随时间的变化规律及其空间分布特征。结果表明:初支与二衬接触压力值分布在10~200 kPa之间;接触压力及其离散程度随隧道埋深增大而增大,Ⅴ级围岩增大趋势比Ⅳ级围岩更明显;二衬荷载分担比集中在0~20%范围内;接触压力有明显的时间效应,随时间的变化表现为快速增长至峰值之后减小,进而缓慢增大趋于稳定,稳定所需时间在二衬浇筑后30 d左右;接触压力空间分布规律为拱顶→拱肩→拱腰→拱墙增大,拱墙→拱脚→拱底减小。研究结论可为隧道结构受力分析与优化提供参考。     

大厚度湿陷性黄土隧道现场浸水试验研究

对于穿越大厚度湿陷性黄土地层的隧道,其围岩湿陷变形会威胁隧道结构的稳定性。为了分析黄土围岩湿陷变形对隧道衬砌结构的影响机制,选取典型大厚度湿陷性黄土隧道场地,通过开展隧道场地地面浸水试坑试验及隧道仰拱浸水试验,测试了地面入渗和隧道基底入渗过程中不同埋深地层的湿陷沉降变形及地基的沉降变形、入渗过程中围岩的体积含水率变化分布、试坑周边地层的侧向位移、衬砌结构接触压力和轴力,研究了既有隧道黄土地层的湿陷变形特性及水分运移规律、隧道结构力学响应。结果表明,隧道开挖、衬砌作用扰动黄土结构,增大了围岩及深层黄土的渗透性;与天然黄土场地试坑浸水入渗比较,增大了竖向浸水范围,减小了水平向浸水范围。隧道围岩湿陷变形改变了围岩与衬砌结构的相互作用性状。围岩湿陷和地基软化作用增大了二次衬砌结构侧墙竖向荷载和侧墙围岩的挤压作用,引起拱脚地基承载力减小和沉降变形发展,拱顶、拱肩接触面呈受拉状态;仰拱中部地基土的抗力作用抑制其沉降变形,从而使得拱脚和仰拱中部出现显著的沉降差,导致仰拱混凝土开裂,形成纵向裂缝。此外,浸水范围内黄土的湿陷变形不仅引起竖向沉降变形,还会引起周围土体产生侧向水平位移;洞口边坡场地黄土的湿陷性和地层湿陷变形差异较大,反映了黄土山岭黄土场地地层条件复杂多变的特征。     

大跨软岩隧道施工动态监测试验研究

以内蒙古金盆湾大跨软岩隧道为工程背景,通过现场监测及数值分析,探讨围岩拱顶沉降、钢支撑内力、围岩与初期支护之间的内力、初期支护与二衬之间的内力随时间及开挖距离的变化规律,并用现有的理论及方法对其进行围岩稳定性分析。研究结果表明:对拱顶沉降数据的拟合函数进行求导分析并判定出围岩的稳定状况良好;围岩和初期支护压力在距离上台阶开挖面65 m后逐渐稳定;钢支撑外侧应力平均值大于内侧应力,最大应力值小于钢拱架的屈服强度,开挖过程安全级别始终处于安全或者基本安全状态;初衬和二衬间的接触应力在二衬浇筑后2天左右达到最大值,随后减小趋于稳定,且稳定值都小于0.1 MPa;数值模拟的围岩变形规律和实测围岩的变形规律相同且沉降实测值与模拟值差别不大,证明了模型的合理性。研究结论可为类似条件下工程的设计、施工和监测提供指导。