膨胀性黄土隧道钢拱架–格栅联合支护力学特性研究

为了研究膨胀性黄土隧道围岩与支护结构作用机制,解决膨胀力作用下的隧道支护难题,利用弹性薄壳理论建立了联合支护的力学分析模型,引入等效截面法和膨胀力参数得到了改进的围岩–支护特征曲线。基于上述模型和方法,对该黄土隧道初期支护的力学特性进行分析,提出适用于膨胀性黄土隧道的"格栅拱架+钢拱架+喷射混凝土"联合支护方式。结果表明:所建立的模型和方法对膨胀围岩条件下初期支护的力学特性分析具有较好的适用性,从理论角度解释该隧道原始初期支护发生破坏的原因;与"钢拱架+喷射混凝土"和"格栅+喷射混凝土"支护方式相比,提出的联合支护方式在膨胀性黄土隧道中更具优势,充分发挥了不同材料的承载特性,保证了隧道的稳定性。     

硬石膏岩膨胀特性试验及隧道抗膨胀衬砌设计

石膏质岩的膨胀机理复杂,膨胀时间漫长,其膨胀力对隧道支护结构破坏性极强。本文采用室内试验方法研究了硬石膏岩的膨胀力学特性,得出膨胀应力-应变曲线为凹形函数,膨胀应变-时间曲线为“S”型函数, 膨胀应力-时间曲线为指数型函数等规律。基于试验结果提出了可考虑时间效应的硬石膏岩膨胀变形计算公式,进而建立硬石膏岩隧道围岩膨胀变形、膨胀应力及时间的关系,用以描述隧道修建过程中膨胀应力应变的动态变化。并提出一种新型石膏质岩隧道抗膨胀衬砌设计,从主动和被动两个方面减缓石膏岩遇水致膨胀对衬砌结构的影响,为类似工程提供借鉴与思考。     

炭质板岩隧道大变形段“围压拱”支护方案

针对大草山隧道穿越二叠系炭质板岩、断层破碎带等软质岩,可能产生软岩大变形,并存在高地应力-极高地应力的特殊地质特征,将大变形段落衬砌结构分为三级进行特殊设计,提出了"放抗结合,长锚围压,固结成拱,强支跟进"的设计理念及"变松动圈为承载拱"的"围压拱"支护体系,并对针对性预案设计进行探讨。通过模拟计算,采用预应力钢束(锚杆)加固围岩松动圈为承载拱后,可有效控制围岩及结构变形。隧道软岩大变形采用"围压拱"支护方案,将"大变形"问题转化为"一般变形"问题,研究方法和结论为软岩大变形隧道衬砌结构设计提供一定的理论支撑,对更加科学合理的确定软岩隧道衬砌结构参数具有一定的参考价值。     

成兰铁路千枚岩隧道初期支护形式试验研究

在高地应力软岩地层中开挖隧道,易发生大变形,合理地选用初期支护的钢架形式,对软岩大变形的控制是非常重要的。本文依托成兰铁路-茂县隧道,通过现场试验和数值计算研究挤压性软岩大变形隧道的初支钢架选型,主要得出以下结论：（1）高地应力软岩隧道不宜选用强度较弱的钢架作为第一层支护,第一层支护应能保证支护封闭时的合理洞形|（2）挤压性大变形隧道宜采用多层、多次的支护方法,适当释放围岩应力,保证隧道的长期稳定|（3）大变形隧道多采用分部工法开挖,易导致支护结构受力不均,应提早支护封闭时机,改善结构受力。     

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。     

大跨软岩隧道二衬合理支护时机的分析与优化

随着我国高速公路大规模的建设,新奥法的基本理念已经被广泛应用于大跨软岩隧道施工中,因此,支护时机的选择尤为重要。以集呼高速公路金盆湾隧道为例,应用大型通用软件ANSYS建立有限元模型,采用弹塑性方法及Drucker-Prager屈服准则,进行二维平面应变模拟。数值模拟CD法施工时不同荷载释放系数下的开挖与支护,通过分析隧道围岩受力状态、围岩变形、初期支护结构力学性能变化及现场监测结果,初步确定二次衬砌的最佳支护时机。     

层理面倾角对围岩蠕变及支护结构力学特性的影响研究

汶马高速公路沿线广泛分布着以炭质千枚岩为代表的层状软岩,围岩蠕变特征和支护结构的力学响应受层理面倾角的影响显著。以鹧鸪山隧道为依托,利用块体离散元软件3DEC,建立了当层理面倾角β分别为0°,30°,60°和90°时,隧道的数值模型并进行计算,结合对断面长期监测数据的分析,主要得出以下结论:层状软岩隧道周边围岩的变形和结构受力具有显著的非对称特性,二次衬砌的安全系数较小,且收敛时间较长;二次衬砌内力受围岩蠕变效应的影响明显,轴力与弯矩的增长率在第1个10年内较大,随后增长率趋于稳定;随着层理面倾角的增加,最大正弯矩向左拱腰位置偏转,最大轴力向右拱腰位置偏转。层理面倾角越大,弯矩的增长率越小。     

挤压破碎带极高地应力隧道建造技术研究

兰渝铁路控制工程木寨岭隧道是极高地应力软岩大变形隧道,隧道主要穿越断层挤压破碎带,破碎带及其附近影响区域围岩极破碎、自稳性极差,且围岩呈极发育,受高地应力的影响,围岩极不稳定,挤压大变形明显,变形大、变形快、地质流变性强、极易发生坍塌。为解决木寨岭隧道挤压破碎带极高地应力软岩大变形施工难题,开展了应力释放、支护措施攻关等工作,主动控制高地应力软岩大变形问题,加强支护措施、优化结构轮廓、尽量保护围岩,最终采用"小导洞应力释放+3层初期支护+长锚索+单层二次衬砌、圆形断面结构"达到隧道贯通,有效控制了隧道大变形问题。     

挤压陡倾千枚岩地层小净距隧道大变形研究

为了探明小净距隧道穿越挤压性软岩地层的大变形机制,提出相应的大变形控制技术,本文采用理论分析、数值计算、现场试验等手段对这种隧道大变形的影响因素、围岩变形规律、支护受力特征等进行研究,得出主要结论如下:(1)高构造应力、陡倾围岩产状、低围岩强度、近接施工扰动等多因素的耦合作用,导致了该隧道大变形的发生;(2)后行隧道对先行隧道的卸荷扰动,一方面使先行隧道承受偏压荷载,另一方面使先行隧道中岩柱侧围岩向洞外产生弯曲破坏,主要表现在先行隧道中岩柱侧边墙位移的减小、初期支护拱部受力状态的转变、二次衬砌拱部和仰拱拉应力的增大;(3)根据围岩变形和支护受力情况,按近接施工影响程度对小净距隧道进行分区,并以此作为控制措施动态调整和工程类比的依据;(4)严格控制施工工序,避免先行隧道二次衬砌端头处于后行隧道开挖作业面之内,并根据应力分布特征调整隧道断面形状,根据岩体产状特征调整锚杆角度,根据近接扰动情况对中岩柱进行保护与加固。     

千枚岩软岩隧道施工技术研究

为探索适宜千枚岩软岩隧道的施工方法,文章以该地层的红石河隧道开挖为依托,采取数值模拟方法,研究了隧道在四种不同工法下的变形、围岩-初期支护压力的变化规律。研究表明:三台阶预留核心土法施工既可抑制围岩变形,减小作用至衬砌的形变压力,又可提供稳定的支护力,适合千枚岩地层软岩隧道施工。     

深埋软岩公路隧道大变形段双层支护方案研究

根据云南省云临高速公路大亮山隧道穿越复杂地质条件时出现的初期支护开裂、仰拱隆起等灾害，单层初期支护无法抵抗围岩压力，采用双层初期支护进行优化设计。利用有限差分数值模拟软件对单层初期支护与双层初期支护开挖后围岩与支护结构力学响应进行对比，并与现场监测数据对比分析。研究结果表明：单层初期支护拱顶沉降、仰拱隆起、二次衬砌内力、塑性区半径均大于双层初期支护，采用双层初期支护可以保障隧道安全掘进；针对隧道拱顶沉降与仰拱隆起变形曲线，建议采用扩大拱脚、尽早施作仰拱、增设锁脚锚杆等措施控制隧道的变形、开裂等灾害。     

软弱破碎围岩隧道锚喷钢架联合支护的复合拱理论及应用研究

初期支护以锚杆、喷层、钢筋网与钢拱架联合支护的方式在软弱围岩和不良地质的隧道建设中已经得到广泛运用,但目前对于这种联合支护的力学承载机制缺乏深入研究,特别是对于联合支护的承载能力及与围岩相互作用没有量化的解析式。根据围岩与支护相互作用特点,运用组合拱理论,针对隧道围岩中锚喷网和钢架联合支护的特点,建立由以系统锚杆为支护外拱和喷层与钢架的支护内层拱所共同构成的复合拱的力学模型;根据隧道围岩的弹塑性理论、衬砌的支护结构理论以及全长锚杆的锚固界面层模型,推求联合支护结构的承载力与围岩变形的相关解析式;并结合云南省麻昭高速公路打堡寨2#隧道,利用现场监测位移求解了内、外层拱各自承载能力,经由计算结果表明,以钢架和喷层组成的内层支护拱在软弱破碎围岩中起主要承载作用。     

乌鞘岭隧道F4断层区段监控量测综合分析

乌鞘岭隧道是兰新线重点控制工程，是国内最长的单线铁路隧道。该隧道穿越4条区域性大断层，地质及地应力条件十分复杂，围岩软弱破碎，变形大。针对复杂应力条件下的软岩大变形隧道特点，在F4断层区段施工过程中，严格进行系统、全面、长期的监控量测指导设计施工，以实测的拱顶下沉、水平收敛、锚杆轴力、初期支护围岩压力、初期支护钢架应力、初期支护混凝土应力、二次衬砌接触压力、二次衬砌混凝土应力数据为依托，进行实测数据与施工工序的关系、围岩压力与位移的关系、量测项目稳定值的预测、多量测项目发展趋势相互关系规律、位移的纵向分布规律、荷载侧压力系数、二次衬砌分担围岩压力比例、二次衬砌施作时机等多项综合分析，及时将处理信息反馈给施工，对开挖后的结构稳定性作出分析判断及采取相应措施。实践证明效果可靠，围岩稳定，结构完好，为保证该区段顺利贯通提供可靠的技术保证。     

挤压性破碎软岩隧道大变形特征及机制研究

在高地应力软岩地层中开挖隧道,易引发挤压性大变形,是隧道建设中的主要难题之一。依托成(成都)兰(兰州)铁路茂县隧道,通过岩石试验和现场测试,分析茂县隧道的变形特征及破坏模式,研究挤压性软岩大变形隧道的变形和支护作用机制。研究结果表明:高地应力软岩隧道施工期间围岩变形量大、速率快,围岩的挤压流动现象明显,变形持续时间长;围岩松动圈层数多、范围广,拱部锚杆受压,与围岩形成"压缩带",共同承载;支护结构承受较大的围岩形变压力,初支钢架多为"屈服承载"或破坏,破坏形式多样,但位置集中;围岩以剪切破坏为主,裂隙扩容现象明显,注浆对加固围岩及保持锚杆作用效果显著;多层支护可有控制的释放围岩变形,改善结构受力,降低围岩流变特性的影响。     

富水大断面软岩隧道支护结构受力性能试验

富水大断面软岩隧道施工具有很大的风险,其支护结构荷载与安全一直是学术界、工程界关注的关键科学问题。以石太客运专线石板山隧道为依托,采用现场试验和三维有限元模拟相结合的方法,研究富水环境下Ⅳ级、Ⅴ级围岩隧道初期支护围岩压力、钢拱架受力、二次衬砌背后水压和接触压力分布特征。研究表明:富水大断面软岩地层隧道围岩压力分布不均匀,传统的普氏理论、泰沙基理论、谢家烋公式、比尔鲍曼公式、铁路隧道设计规范计算公式均不适用于富水环境隧道。现场实测支护承受的水压、接触压力均明显不对称,拱脚和墙脚成为关键安全控制部位,建议加强该部位参数和非对称支护设计。富水软岩环境下隧道钢拱架架设后能够立即承载,是控制富水软岩隧道稳定性的有效手段。     

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。     

大田连拱隧道围岩与支护结构变形和受力分析

对大田连拱隧道洞口浅埋段的围岩变形和支护结构受力进行了现场监控量测,对围岩变形与地表沉降的特点及对应关系、初期支护、二次衬砌以及中隔墙的受力进行了分析,总结出浅埋段连拱隧道围岩变形和结构受力特点。     

不良地质隧道初期支护变形特征及处理对策

不良地质隧道施工过程中常出现突水突泥、坍塌、软岩大变形等灾害,这些灾害严重影响了隧道的正常建设,困扰着广大工程技术人员。某铁路隧道施工过程中出现软岩变形问题,从隧道所处的地质构造、围岩量测数据等方面分析了初期支护的变形特征和原因,采用径向注浆、更换格栅钢架、排堵结合治水、先墙后拱法施做二次衬砌等措施,控制了围岩变形,解决了工程难题。可供其他工程参考借鉴。     

高地应力软岩隧道中型钢与格栅支护适应性现场对比试验研究

结合正在修建的兰新铁路第二双线LXS-7标存在极高地应力的大梁隧道,系统开展型钢钢架与格栅钢架在高地应力软岩隧道支护中适应性的现场对比试验研究。现场设置型钢钢架支护段与格栅钢架支护段各20 m,通过现场试验及三维数值仿真模拟,对施工过程中的围岩位移、初支钢架应力、围岩-初期支护接触压力进行对比分析,结果表明：(1)在高地应力软岩隧道支护中,型钢钢架对沉降及水平位移的约束作用较强,但支护后期变形呈现台阶式增长趋势,支护设立2个月后仍无明显收敛趋势。相应地,支护结构承受了较大的围岩压力,试验断面围岩-初期支护接触压力最大值为336 kPa,钢架应力较大;二衬施作后围岩变形仍在增加,对二衬结构会有一定影响。(2)格栅钢架属于柔性支护,初期支护设立一周后拱顶累计变形达350 mm,可较好地释放高地应力区围岩应力与变形,但支护内力及变形急剧增加无法收敛。(3)为更好地控制围岩变形,在格栅支护设立一周后增设工字钢套拱作为后期刚性支护,围岩变形曲线呈现明显收敛趋势,洞室变形稳定至446 mm。断面围岩-初期支护接触压力实测最大值为190 kPa,有效地控制支护的变形与格栅应力。(4)试验表明,现场采用“先柔后刚”的支护原则,即先架立格栅后加设套拱对高地应力软岩隧道进行支护,可有效控制软岩大变形及支护内力,结构合理。经济性分析也表明,此支护形式具有较好的经济性,是一种可适用于高地应力软岩隧道的支护结构。     

膨胀性软岩隧道结构受力计算研究

以北非典型的泥灰岩病害工程为依托,研究膨胀性软岩的工程表现,寻找获得可靠隧道衬砌设计的软岩条件。通过对工程地层参数选用、原设计力学模型计算、施工中遇到的问题、变更设计、病害处理等方面的研究,得出在常规的围岩压力理论下,应将膨胀性侧向压力、地下水的动态压力、塑性变形和残余应力考虑在设计应力折减之内,采用荷载—结构计算模型计算膨胀性软岩隧道结构受力。研究结论可供治理膨胀性软岩隧道病害及同类工程勘察设计和施工借鉴。