黄土隧道设计与施工中的几个问题

通过总结分析黄土地层的饱和、固结、湿陷、可灌性与降排水性等对黄土隧道稳定性的影响,提出了黄土隧道工程中应注意的问题;对黄土隧道衬砌结构设计中需要考虑的侧压力系数、变形模量取值问题,围岩压力计算及围岩与衬砌结构相互作用等问题进行深入剖析,并提出了设计中应注意的问题;对于浅埋黄土隧道,建议采取“拟塌落拱有限元方法”进行分析;以某饱和黄土隧道工程为依托进行了几种常用施工方案的数值对比分析,表明NATM施工、掏槽施工或压桩施工均难以满足成洞条件,且先行降、排水措施和初期喷浆支护难度较大,应采取超前管棚注浆等新工艺才能满足饱和黄土隧洞的成洞要求;针对黄土地层盾构隧道施工,建议采用控制“地层刚度”和修正“盾构工艺参数”的方法来控制地表隆沉。     

特大断面小净距公路隧道力学效应分析

以七冲村一号特大断面隧道为工程背景,结合双侧壁导坑法和CD法施工段的围岩变形和结构受力监测数据,对小净距公路隧道力学效应进行研究。研究结果表明:(1)针对特大断面小静距隧道采用双侧壁导坑法施工,主导洞开挖对左、右导洞的影响较大,主导洞开挖将加快拱顶沉降,而水平收敛却得到抑制;为了隧道围岩的稳定,应保持各导洞之间合理间距,缩短初支闭合时间;(2)相比CD法,采用双侧壁导坑法开挖的断面,围岩水平收敛相近,拱顶沉降却可减少约15mm;喷砼所受拉应力虽增加0.18MPa,但仍小于混凝土的设计抗拉强度。两种施工方法喷砼受力以及钢架内力均小于规范设计强度,并且具有很大的安全储备;(3)通过综合分析,双侧壁导坑法可以成为后续类似工程的优选方案。     

某水电站3#尾水洞衬砌混凝土裂缝调查与分析

:某水电站共4条尾水洞,圆形断面,衬砌后直径为11.3m,每条长度均在300m以上,平均水平投影长度约316.9m。围岩以Ⅳ、Ⅴ类为主,产状平缓,层间剪切带发育,岩层软硬相间,成洞条件差。尾水洞施工是该电站施工难度最大、地质条件最复杂的项目。3#尾水洞在衬砌混凝土浇筑后,混凝土洞壁出现了多条纵向裂缝。通过对裂缝进行宏观调查、裂缝变形和收敛观测,系统分析了裂缝产生的原因,认为隧洞围岩应力调整是导致衬砌混凝土产生裂缝的主要原因。提出了加强观测、加固未开挖段围岩、填充裂缝的建议。3#尾水洞衬砌混凝土经过加固后,已于2007年安全运行。     

膨胀流变性围岩隧洞预制钢筋混凝土衬砌稳定性分析

 针对一实际流变、膨胀性围岩的室内实验结果及初步设计与施工方案, 应用引进的岩土工程仿真分析软件F INAL 对隧洞施工期、运行期的围岩变形与薄拱片钢筋混凝土衬砌结构的内力、强度特性进行了较系统的数值仿真分析。分析结果说明: 膨胀、流变性围岩一次开挖后按距掌子面2～ 3 倍洞径时施作薄拱片钢筋混凝土衬砌的开挖与支护方案是可行的; 在个别岩性岩层复杂的洞段, 由于衬砌内力受力不均匀可能导致弯矩较大而使衬砌在个别部位出现拉裂缝; 在所讨论的情况下, 衬砌内力受围岩膨胀性影响最大, 外水压力荷载次之, 流变影响最小。     

软弱围岩大断面小净距隧道施工技术

依托浅埋软弱围岩大断面小净距隧道工程实践,采用数值模拟技术结合现场监测,对比分析了软弱围岩双侧壁导坑法开挖设计支护方案1与优化变更方案2的围岩的位移、应力变化特征。计算结果显示：优化方案2与设计方案1围岩最大变形都在规范规定以内。方案2围岩最大的应力要略比方案1大,但远低于过衬砌的抗压强度和抗拉强度。综合考虑工程实践,优化开挖支护方案2是安全可行的。     

特大断面大跨度隧道围岩变形的现场试验研究

 结合广州龙头山双洞八车道高速公路隧道工程实践,对特大断面大跨度隧道施工中围岩变形进行相关监测,分析变形随时间变化规律、不同开挖工序引起的纵向和径向空间围岩变形规律。研究结果表明：特大断面大跨度隧道采用双侧壁导洞法施工,能较好地控制围岩变形;在特大断面大跨度隧道施工过程中,右导洞上台阶、左导洞下台阶以及核心土开挖对围岩变形影响较大,是施工主要控制点;特大断面大跨度隧道开挖的纵向影响距离大致为一倍洞径左右,与导洞跨度基本相同,为6～8 m;洞顶垂直向径向影响距离约为25 m,左导洞顶30°方向的径向影响距离约为15 m。该研究结论可为类似条件下特大断面大跨度隧道设计施工和现场监测提供借鉴与参考。     

小净距隧道爆破施工减震措施研究

针对先、后行洞在爆破施工中存在的震害问题,以七冲村特大断面小净距隧道为工程背景,通过建立动态分析有限元模型,对爆破施工过程中震动波的传播机制进行了分析;结合数值模拟结果,采用了以微震爆破施工和衬砌背后注浆为主的减震措施。研究结果表明:基于围岩变形和衬砌结构受力监测数据,先行洞受后行洞爆破施工的影响非常有限,其围岩变形和衬砌结构受力均处于合理范围之内。     

大坂引水隧洞工程变形监测及稳定性分析

“九九”大坂区各比选方案引水隧洞线均穿越第四系中、下更新统(Q f1 g-l2)地层,由于第四系地层为散体结构,国内尚无统一的围岩分类方法及标准,该地层的成洞条件对方案的比选起决定性作用。为此,在隧洞进口成洞条件相对较差的第四系下更新统地层上部布置原型试验洞,通过对第四系地层原型试验洞施工开挖全过程及后期变形监测,了解隧洞围岩的稳定性及变形特性,为隧洞的结构设计、施工开挖、支护等提供科学依据。     

不同围岩情况下特大断面公路隧道施工变形监测与控制

 以目前国内规模最大的广州龙头山隧道为背景,详细介绍特大断面公路隧道施工过程中变形现场监测的项目、方法及手段,对洞口边坡及不同围岩情况下的隧道变形规律进行分析,并提出控制大变形的工程措施。研究结果表明：(1) 右导洞上台阶、左导洞下台阶和核心土上台阶开挖引起围岩较大变形,是隧道施工主要控制点;(2) 特大断面隧道围岩变形与洞周半径近似成指数函数关系;(3) 封闭支护结构及对拉锚杆的使用是改善结构受力和抑制隧道变形的有效途径,应尽早施作仰拱以形成封闭环。研究成果可为日后类似工程的设计、施工和研究提供有益的借鉴和参考。     

大断面软弱地层隧道施工围岩变形试验及预测

针对大断面碳化泥质板岩隧道在施工过程中极易发生塌方、拱架扭曲变形以及频繁换拱的特点,在小盘岭隧道进出口段选择多个监测断面作为试验段进行现场试验研究。分别对净空收敛变形、拱顶下沉、围岩压力、锚杆轴力、喷射混凝土应变、钢拱架支撑应力、二次衬砌混凝土应变、二次衬砌背部围岩压力进行测试。研究结果表明,隧道持续变形一般到48 d才能稳定,并且累计变形量很大,拱顶沉降最大能达到334 mm,累计收敛值最大能到318 mm。在控制围岩变形方面,对支护参数的监测发现:采取0.5 m的开挖步距,采取I20钢支撑,以及采取隧道衬砌背后的径向注浆,能有效的降低围岩变形及衬砌结构的受力。同时利用BP神经网络方法,能够比较准确的预测隧道围岩在施工过程中的拱顶沉降及围岩收敛,对隧道的开挖具有较大的指导作用。     

软弱围岩隧道施工三维有限元分析

对软弱围岩隧道施工中的力学性态进行了计算机模拟与分析.以杭新景高速公 路白炭坞隧道为实体建模,采用有限元程序对其施工全过程进行三维弹塑性分析;重点分析不同的施工方法和支护方式对控制围岩变形的作用.计算结果表明:隧道的支护方式对减少由开挖引起的扰动起着重要作用,掌子面距离支护段距离越短,引起的沉降越小;对于软弱围岩,采用台阶法开挖时,台阶的长度不宜过长,一般应在0.5倍的洞径左右.     

盾构施工引起地面长期沉降的理论计算研究

 对盾构施工引起的隧道轴线上方地面工后沉降进行研究,结果表明,土体开挖卸荷引起应力释放,产生初始超孔隙水压力,其分布呈三角形。假定衬砌不排水、土体为单面排水、压缩层厚度为隧道覆土厚度,采用太沙基一维固结理论,得到地面工后固结沉降的理论计算公式。假定地面长期沉降主要由施工期间沉降和工后固结沉降组成,进而得到地面长期沉降的理论计算公式。算例分析结果表明：该方法的预测值与实测值非常吻合;上海软土地区盾构隧道施工引起的地面长期沉降相当显著,最终地面沉降量在80 mm以上,固结沉降占总沉降量的80%～90%;按最小覆土深度5 m计算,需要2 a以上地面沉降才能最终稳定。     

Effect of jet-grouting on surface settlements above the Aeschertunnel, Switzerland

The Aeschertunnel is a large shallow non-circular tunnel that was excavated in glacial moraine and Molasse bedrock. In the sections, where the excavation was in the glacial moraine, the construction procedure included the use of a jet-grout arch ahead of the tunnel face for excavation support. Measurements taken during the jet-grouting process and the excavation of the tunnel heading suggested a settlement trough much narrower than that observed using conventional NATM tunneling methods. The volume losses were limited to 0.35%, approximately the volume losses achieved with slurry shield and EPB TBM tunneling. A numerical back-analysis was performed on the surface settlements where jet-grouting was used. The back-analysis suggests that the narrow settlement trough results from localized shear bands that were induced by high pressures associated with the jet-grouting.     

Displacement characteristics of high-speed railway tunnel construction in loess ground by using multi-step excavation method

The sequential excavation method (SEM), in which the tunnel face is partitioned into several temporary drifts, can promote face stability and reduce ground displacement. Three-bench seven-step excavation method (TSEM) as a kind of the SEM, which can stabilize the tunnel face but does not require any additional support, has been widely used in loess tunnels with large cross-sections for high-speed railway (HSR) in China. This study focuses on the effects of TSEM on the displacement characteristics for HSR tunnels in loess ground. A series of in-situ tests and numerical simulations were conducted to reveal displacement characteristics and obtain optimal construction approaches for large-span loess tunnels in China. The strata around the loess tunnels have undergone significant settlement either at the arch part or at the ground surface due to loess’s metastable structure especially in the new loess ground. Upper strata above loess tunnels subsided as a whole, and the subsidence developed suddenly and devastatingly. Large residual ground surface settlements still occurred after the ring closure of the primary support even after the application of the upper lining. The best construction approach of TSEM was proposed for its potential to limit surface and subsurface ground displacements, as revealed both by numerical simulation and field monitoring.     

Design and construction of a segmental lining for a machine-bored tunnel: Delivery tunnel North, Lesotho highlands water project

The 21-km-long Delivery Tunnel North for the Lesotho Highlands Water Project is split into two main tunnel drives of 8 km and 11 km lengths. The tunnel is located in the sedimentary rocks of the upper Karoo series with cover of up to 350 m. The rock units comprise claystones, siltstones and sandstones. In the poorer geology, early support of the tunnel periphery is essential. The method of tunnel construction involves excavation by a TBM and the simultaneous erection of a precast concrete segmental lining that provides both rock support and a final tunnel lining. The segmental lining is designed and constructed as part of an integrated excavation/support/lining system. There are three types of segments, differentiated by the amount of steel reinforcement. The distribution of the different segment types along the tunnel, relative to the geological conditions and depth of cover, will be optimized by monitoring of the performance of the lining during the construction period.     

黄土隧道施工工艺

结合工程实例,对黄土隧道洞身开挖的施工方案进行了介绍,阐述了初期支护、防排水、二次衬砌等具体的施工技术,并总结了监控测量的要点,为类似工程的施工积累了经验。     

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。     

大断面纯黄土公路隧道施工技术研究

黄土在受水浸蚀后结构迅速破坏而引发的湿陷现象,对隧道的安全稳定和正常使用产生巨大影响。加之大断面隧道开挖过程中,对土体扰动大,极易发生地表开裂、拱部下沉、衬砌变形甚至塌方等严重问题。我国目前在大断面纯黄土公路隧道施工领域还没有成熟的经验可借鉴。本文结合神府高速公路大断面黄土隧道施工,总结出浅埋段采用双侧壁导坑开挖,深埋段根据地质情况分别采用双侧壁导坑法、单侧壁导坑法和三台阶七步流水法进行施工,并分析了三种工法的优劣和适用条件,为同类工程提供借鉴。     

黄土隧道锚杆受力与作用机制

 为探讨黄土隧道锚杆作用效果及机制,对陕西省吴堡-子洲高速公路上3座黄土隧道中的48根锚杆应力进行现场测试和统计分析,结果发现：黄土隧道在钢架支护条件下,拱部系统锚杆受压且应力值较小;拱脚处锁脚锚杆以受拉为主,锁脚锚杆应力普遍大于拱部锚杆应力。从土体的变形和锚杆与土体的锚固效果2方面分析黄土隧道拱部系统锚杆的力学状态,分析认为隧道开挖后,浅埋黄土隧道拱部发生整体沉降,锚杆并不存在锚固段;深埋黄土隧道开挖后土体产生较大塑性区,目前以“短而密”原则设计的系统锚杆也不存在锚固段;锚杆与土体采用水泥砂浆或药卷式锚固剂黏结效果差,因而黄土隧道锚杆锚固力不大;锚杆锚固于初期支护上,并伸入土体中,从内部约束土体变形,在初期支护施作后,相对于土体的后续变形,拱部系统锚杆受到土体向下的摩阻力,相当于桩承受负摩阻力,因而拱部系统锚杆受压。综合以上分析表明,在黄土隧道中,钢架支护条件下的系统锚杆支护效果不明显,可以取消。工程实践证明,钢架支护条件下黄土隧道取消系统锚杆,可减少施工环节,更有利于隧道施工安全和结构稳定,可缩短工期和降低工程造价,有着特别显著的社会经济效益。