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。     

公路隧道下穿倾斜煤层采空区室内开挖模型试验

开展了公路隧道下穿倾斜煤层采空区室内相似模型试验,考虑了不同开挖进尺和初期支护参数的影响,通过埋设位移计、土压力盒及电阻应变片,测量了隧道开挖过程中采空区附近地层的移动和初期支护的内力。试验结果表明,增大隧道开挖进尺,地层最终沉降量、隧道施工过程中的沉降速率均显著增加,沉降槽变得更窄、更陡。减少钢拱架数量也会引起地层沉降的增加,但增加幅度相对较小。增加开挖进尺或减少钢拱架数量还将引起钢拱架弯矩增加,使得拱部最大弯矩向右侧移动,并改变轴力分布,降低初支结构稳定性。研究结果表明,隧道下穿倾斜煤层采空区地层时,可以不对采空区进行加固,但需要降低围岩级别进行初期支护设计,并采用较短的循环进尺进行隧道开挖,同时缩短上台阶初期支护时间,尽早使初期支护闭合成环,从而降低开挖引起的地层的沉降,保证初期支护结构的稳定性。     

隧道开挖对上覆煤层采空区地层的扰动分析

隧道近接上覆采空区地层施工易扩大上覆围岩松动范围,增大松动荷载,为探明隧道开挖对上覆采空区地层的扰动规律,采用离散元颗粒流软件从细观角度分析了隧道开挖过程中上覆采空区地层应力变化特性,分析了采空区与隧道间距、采空区厚度及倾角对围岩应力的影响。结果表明:上覆采空区地层隧道开挖后围岩颗粒接触力链断开区域分布在隧道上方,开挖后洞周位移越大,颗粒接触力链断开区域也越大;间距越小,开采煤层越厚,颗粒接触力链断开区域越大;煤层倾角影响了松动区域位置。     

高边坡下浅埋偏压隧道施工动态监测与分析

浅埋偏压段隧道围岩稳定性较差,施工时易发生坍塌、冒顶等事故。针对晋祠隧道高边坡偏压段的浅埋暗挖施工问题,制定了施工监测方案,通过对隧道和钢拱架支护变形、围岩压力和边坡水平位移的监测,获得了施工过程中隧道围岩的受力与变形规律。结果表明,隧道拱顶沉降、水平收敛随着隧道施工逐渐增大;隧道左拱脚处有最大的围岩压力、右拱腰处有最大拱架弯矩;边坡水平位移随隧道开挖有明显的台阶式跳跃变化,当仰拱封闭后,隧道变形、围岩压力、钢拱架弯矩和边坡水平位移等监测指标均逐渐趋于稳定。研究可为偏压浅埋段隧道的施工提供实践经验。     

水下浅埋小间距隧道型钢拱架受力性状的监测及分析

湘江大道浏阳河隧道是我国第一座用矿山法施工的水下浅埋小间距公路隧道,隧道采用台阶法开挖,初期支护大量采用全环布设的型钢拱架.隧道支护拱架的受力性状是支护体系稳定的关键控制因素之一.通过对施工现场钢拱架的应力和位移的测试,基于大量的实测数据,对拱架的受力性状开展研究.结果表明:型钢拱架在拱顶和仰拱底的应力较大;下台阶开挖...     

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。     

浅埋大断面黄土隧道初期支护安全性分析

以大西客运专线忻州隧道三七微台阶法开挖为工程背景,采用FLAC^3D模拟分析施工过程中初期支护结构的受力特性,并与锚杆轴力和喷射混凝土应力的现场测试结果进行对比分析,最后结合型钢混凝土截面受力计算方法,评价型钢混凝土初期支护结构的安全性。研究结果表明:①型钢混凝土主要承受压应力,且沿隧道中线呈轴对称分布,最大压应力出现在拱腰位置,而拱脚处局部承受拉应力,为施工中的薄弱部位,喷射混凝土应力实测值相对计算值偏小,但分布规律与计算值吻合性较好;②隧道系统锚杆主要承受拉力作用,最大拉力在锚杆1 m位置,沿隧道轮廓从拱顶到拱脚递减,且计算值略大于实测值,两者分布规律一致;③型钢混凝土结构安全系数从隧道拱顶到拱脚依次递增,且同一部位轴力安全系数小于弯矩安全系数,轴力安全系数最小值为3.86,满足规范要求,可适当增大钢拱架支护间距或减小喷射混凝土强度。     

浅埋暗挖CD法施工改全断面法施工的隧道计算分析

以沿海某环岛城市商业广场下穿隧道为依托,采用有限元数值模拟的分析方法,分析因下穿隧道开挖而导致的地表沉降、通道衬砌变形、既有管线变形的影响,得到了隧道初期支护轴力图、弯矩图、安全系数图、位移分布图,以及地表处土层沉降位移图。计算结果表明：除上部两个拐角处安全系数低于规范要求,初期支护整体安全系数基本满足规范要求,初期支护的位移满足规范要求。     

千枚岩深埋隧道支护参数对结构受力与变形的影响

为探索成武高速2号隧道支护参数对结构受力与变形的影响,以室内试验、原位试验和现场测试为主要手段,研究了隧道围岩工程特性、初期支护围岩压力、二次衬砌接触压力、拱顶下沉、周边收敛-时间曲线的变化规律; 提出增加单层初支刚度、采用双层初支、增加双层初支刚度3种支护参数方案,再利用FLAC3D有限差分软件分析,以原始支护方案和3种支护参数方案为基础建立4种工况来确定不同支护参数对隧道结构受力与变形的影响。结果表明:在原始支护方案模拟结果中,拱顶竖直位移和拱脚水平位移趋于稳定时分别为185.57 mm和330.51 mm,与现场测试结果相对误差分别为5.5%和7.5%; 采用单层初支时,钢拱架间距由75 m调整为60 m,钢拱架型号由I18调整为I22,拱顶处的竖直位移为161.45 mm,相对于原始设计模拟结果减少了13%,拱脚处水平位移为273.21 mm,减少了17.3%,右拱腰处应力集中值为11.18 MPa,减少了9.1%; 采用双层初支时,2层中钢拱架间距与型号均与原始支护设计相同,为75 m与I18,拱顶处的竖直位移为130.58 mm,相对于原始设计模拟结果减少了29.6%,拱脚处水平位移为227 mm,减少了31.3%,右拱腰处应力集中值为8.24 MPa,减少了33.0%; 采用双层初支时,2层中钢拱架的间距均为60 m,型号为I22,拱顶处竖直位移为80.56 mm,相对于原始设计模拟结果减少了56.6%,拱脚处水平位移为159.34 mm,减少了51.8%,右拱腰处应力集中值为6.13 MPa,减少了50.2%,此工况下隧道支护结构的受力变形限制最好,拱顶沉降为80 mm,周边收敛为160 mm。     

高地应力大变形隧道支护系统的试验研究

乌鞘岭隧道穿越由多条断层组成的挤压构造带,存在较高的地应力,而且,岭脊段穿越的板岩夹千枚岩地层,围岩破碎,强度极低,施工初期出现了罕见的初期支护大变形,喷射混凝土严重开裂、破损,型钢钢架扭曲变形,部分出现折断,严重影响了施工安全与工程进度。为解决高地应力、大变形隧道工程的稳定控制技术难题,在工程现场设置了4种不同的支护参数工程试验段,实施了隧道表面位移与结构内力监测,以围岩与支护结构变形为主要评价指标进行了对比分析,研究结果表明:1)隧道拱脚与拱腰处局部大变形和偏压作用是隧道初期支护结构的扭曲与破坏的主要原因;2)柔性预应力锚索可取代临时横向支撑,初期支护H175钢拱架优于常用的I20钢拱架;3)以H175钢拱架+柔性预应力锚索+钢纤维喷射混凝土为结构组成的初期支护系统,能够较好地控制乌鞘岭隧道高地应力软弱围岩大变形。     

膏溶角砾岩隧道支护体系力学特性试验研究

 开展膏溶角砾岩隧道支护体系现场试验,研究无水段、高含水量段初期支护锚杆轴力、围岩压力、钢拱架应力及洞周位移、二次衬砌接触压力和钢筋应力。分析表明：高含水量比无水段初期支护受力增大约50%,而二次衬砌受力增长约30%;无水试验段拱腰锚杆主要受压,建议取消拱部系统锚杆,只打设拱部锁脚锚杆,及早封闭成环;高含水量段锚杆主要受拉,发挥拉拔力支护效果,建议锚杆参数不变;初期支护钢拱架架设能够立即承载,发挥支护作用明显。研究成果可为膏溶角砾岩地层隧道及类似工程的修建提供参考。     

软土小间距浅埋暗挖后建隧道滞后距离分析

紫之隧道是处在Ⅴ、Ⅵ级软弱围岩中的浅埋暗挖小间距双线隧道,采用交叉中隔壁台阶法分部开挖。开挖前实施管棚和小导管超前支护,并对开挖面进行注浆加固。开挖后采用喷混、钢筋网、锚杆和钢拱架形成初期支护。本文对后建隧道掌子面的滞后距离进行数值分析研究,发现双线隧道施工导致的地表沉降要大于单线隧道,且沉降槽偏向于先建隧道;增大后建隧道滞后距离可以减小先建隧道的地表和拱顶沉降,而后建隧道相关沉降则略有增加;增大后建隧道滞后距离可以减小先建隧道的洞内收敛值,对于后建隧道的洞内收敛值无明显影响。     

浅埋偏压大断面隧道施工力学分析

针对某大断面公路隧道洞口浅埋偏压段采用CRD法进行施工,利用ANSYS有限元分析软件,对隧道的开挖过程进行了数值模拟,重点分析了地层的沉降、临时支护和初期支护的内力随开挖过程的变化情况。结果表明:采用CRD法施工,围岩应力呈不对称分布,以拱肩、拱脚和临时支护与永久支护结合处较大;深埋侧的拱肩、拱脚和地表的位移量都较浅埋侧大。     

考虑松动效应的高地应力构造破碎带隧道稳定性分析及大变形支护设计优化

隧道穿越高地应力深埋软岩地层时,开挖卸荷扰动会引发围岩产生严重的挤压变形和松动破坏,导致支护结构出现大变形。以玉磨铁路万和隧道穿越高地应力花岗岩构造破碎带为工程依托,首先基于经典Kastner公式和Caquot公式确定考虑松动效应的高地应力构造破碎带围岩特征曲线;然后基于收敛约束理论分析围岩与支护结构的稳定性,明确考虑围岩松动效应和控制支护让压程度的必要性;最后通过多工况比选确定第二层增设钢拱架的支护时机和支护参数。研究结果表明:高地应力环境下,前期作用于支护结构的围岩压力以形变压力为主。随着应力的释放,断面变形达0.8 m时的松动压力占比已超过30%,此时考虑松动效应的围岩对支护结构产生1.094 MPa的围岩压力,不考虑松动效应的围岩压力仅为0.765MPa。因此在进行隧道稳定性分析及支护设计时,不能忽视围岩松动效应的影响;在第一层初期支护让压至一定程度后应及时增设第二层钢拱架抵抗围岩变形。以断面变形达到0.45 m时设置第二层钢拱架作为最优支护时机,以间距为0.6 m的I22b型钢拱架作为最佳支护参数,现场监测数据表明该大变形支护方案取得了良好的控制效果。研究成果能准确反映高地应力构造破碎带隧道大变形灾变过程,对类似工程的支护设计优化有明确的指导意义。     

矩形大断面超浅埋暗挖地下通道钢拱架内力分析试验研究

以某矩形大断面超浅埋暗挖地下通道为工程背景,通过现场试验及分析,探讨钢拱架内力随掌子面开挖距离的变化规律,对设计时的弹性支点计算范围进行分析,研究钢拱架与喷射混凝土墙体的协同承载能力。研究结果表明:(1)钢拱架的轴力与弯矩随其与掌子面间距变化可分为两个阶段:轴力在1.0m~16.0m期间增大,在大于16.0m后轴力值趋于稳定,弯矩在1.0m~12.0m急速增加,在大于12.0m后弯矩值趋于稳定;(2)设计时应考虑喷射混凝土墙体和钢拱架的共同作用,可认为初支荷载钢拱架承担75%,其余25%由混凝土墙体承担,建议设计时对钢拱架优化处理;(3)采用弹性地基梁法时,可考虑将弹性支点计算范围扩大到封闭成环后10m范围;(4)采用弹性地基梁法设计时尽管可以考虑到管棚和钢拱架协同作用,但参数取值至关重要,应引起重视。     

软弱破碎围岩隧道钢拱架与围岩受力特征分析

依托某软弱破碎围岩隧道,采用压力盒和钢筋计对围岩压力、钢拱架内力进行了现场测试。数据分析表明软弱破碎围岩应力释放具有明显的瞬时性和流变性;喷射混凝土拱顶和拱脚应力较大,存在开裂脱落现象;钢拱架承载力发挥较早,材料性能利用有限。建议软弱破碎围岩隧道在设计阶段应考虑长期流变荷载,适当提高支护参数。施工阶段应加强拱顶和拱脚处拱架连接、喷射混凝土施工和锁脚锚杆施工质量。     

隧道临近下伏承压溶腔开挖稳定性施工工法比选

临近承压溶腔对隧道开挖不利影响显著,合理的施工工法对保证隧道开挖稳定性至关重要。以某3车道公路隧道为依托,对隧道临近下伏承压溶腔时,运用全断面法、上下台阶法等6种工法开挖进行模拟。监测隧道洞周位移、隧道与溶腔间围岩竖向位移及初期支护内力,分析不同施工工法对隧道开挖稳定性的影响。计算结果表明:工法不同,拱顶下沉、水平收敛增大趋势不同,出现小幅增大的次数也不同;当前溶腔尺寸及内压条件下,最终拱顶下沉与水平收敛量大小顺序为全断面法上下台阶法三台阶法侧壁导坑法弧形导坑法双侧壁导坑法;地层与隧道间距越大,隧道开挖对地层的影响越小,影响范围向左下、右下方扩散,隧道与溶腔间围岩的稳定性最差;双侧壁导坑法控制拱顶下沉、水平收敛、隧道与溶腔间地层竖向位移效果最好,且能降低仰拱处弯矩与初期支护偏心距,有利于洞周围岩及初支结构稳定性。     

承压溶腔对隧道开挖稳定性影响的模型试验

以某三车道公路隧道为依托,开展临近承压溶腔隧道开挖的室内相似模型试验,获得在一定的溶腔大小和内压下,不同位置处溶腔对隧道开挖过程中的洞周位移、钢拱架内力、初支背后围岩压力及洞周围岩应变等影响的特征和规律,并和无溶腔工况进行对比。结果表明:隧道最终拱顶下沉量大小顺序为无溶腔时下沉量溶腔位于拱顶时下沉量溶腔位于隧道边墙处时下沉量溶腔位于仰拱处时下沉量,边墙最终水平收敛量大小顺序为溶腔位于仰拱时的收敛量溶腔位于拱顶时收敛量无溶腔时收敛量溶腔位于边墙时的收敛量。相对于无溶腔而言,临近溶腔存在使得钢拱架的弯矩增大,并增加了轴力分布的不均匀性及偏心距,不利于初期支护结构稳定。同时,溶腔的存在还会减小局部的地层抗力或围岩压力,增大初期支护受力的不均匀性,并在溶腔周围形成一定范围的应力集中区,极大地改变了溶腔与隧道之间围岩的应变分布,对该区域的围岩稳定也较为不利。     

富水黄土隧道围岩软化对结构受力影响研究

以银百高速榆林子隧道为依托工程,通过有限元软件ABAQUS温度场模块摸拟隧道施工围岩软化过程,研究了富水黄土隧道围岩在不同软化阶段和软化范围工况下,隧道围岩、初期支护、仰拱填充层的位移和应力的变化规律。结果显示：拱顶沉降和仰拱填充层隆起随软化范围的扩大而增大,而隧底隆起减小,仰拱填充层隆起在软化范围3 m时趋于稳定;围岩软化对仰拱填充层中心影响最大,而仰拱填充层拱脚处几乎不受影响;围岩软化后在初期支护拱脚位置产生最大拉应力,拱墙和拱顶应力变化不明显;塑性区以内是围岩软化的主要影响范围,需特别关注塑性区内的地下水赋存状态。     

碳化泥质板岩大断面隧道围岩松动圈测试研究

围岩松动圈范围是隧道、巷道及类似地下工程设计、施工和评价围岩稳定性的重要技术参数之一。针对吉图珲高速铁路小盘岭大断面碳化泥质板岩隧道在掘进过程中发生的地层变形大、频繁更换钢拱架以及隧道局部多次发生垮塌这一严重现象,采取多点位移计监测及超声波检测技术,对小盘岭隧道围岩松动圈范围进行测试。在此基础上,通过改变围岩壁后注浆深度,对比分析控制效果。现场测试表明,小盘岭隧道围岩松动范围大,平均达到约5 m,隧道开挖右侧松动圈范围大于左侧松动圈范围,原支护方案中锚杆长度仅为4.0 m,径向注浆管长度为3 m,初步判断施工步距大以及锚杆长度过短是造成隧道围岩失稳的重要因素。在后续的施工过程中,采取右侧及拱顶锚杆长度为6.5 m,左侧锚杆长度为6 m,围岩径向注浆管长度增加到5 m,经过优化后的锚杆长度参数明显改善了围岩的支护效果,监测表明隧道拱顶沉降及围岩收敛速率明显减小,拱架受力明显降低,降低了隧道施工风险,并为类似工程的设计及施工提供参考。