海底隧道不良地质体及结构界面的变形控制技术

穿越不良地质体及地层结构界面是海底隧道修建的关键问题,对其准确地探测、预报并采取可靠的注浆加固方案及施工方法是海底隧道安全顺利施工的重要保证。然而海底隧道施工过程中的地层沉降控制,尤其是不良地质段的地层沉降控制则是海底隧道施工的核心技术之一,它不仅对施工安全至关重要,而且对隧道运营阶段的结构受力及长期安全性也是极其重要的。针对海底隧道的特点,分别从结构界面沟通、地层过度变形以及地层坍塌等方面对隧道突水特点进行了阐述,揭示海底隧道施工中的突水机制;采用现场实测、数值模拟和理论分析方法揭示隧道开挖引起的上覆地层整体变形规律和突水诱发机制,并提出不同地层的沉降控制标准及其确定方法;建立地层开裂与变形的对应关系,为突水事故的预测预报提供了依据;系统分析注浆加固圈厚度对地层沉降的影响关系,并据此提出海底隧道不良地质段的地层加固范围;结合大断面海底隧道的工程特点,制定了隧道施工工艺和监控方案;最后指出海底隧道穿越不良地质段的施工技术要点和紧急预案。上述技术方案和措施在厦门翔安隧道穿越F1风化槽的设计和施工中得到了成功的应用,取得了理想的效果。     

厦门海底隧道海域风化槽段围岩稳定性研究

厦门东通道海底隧道是一项规模宏大的跨海工程,是连接厦门市本岛和翔安区陆地的重要通道,也是中国大陆第一座采用钻爆法修建的大断面水底隧道,工程于2007年下半年由陆域进入施工难度最大、最危险的海域部分,其中的海底风化槽地段采用CRD工法进行施工,隧道开挖、支护过程中围岩和支护结构的受力和变形特征广为人们所关注,因此对于该段隧道稳定性的研究具有重要意义.应用大型有限元软件ABAQUS,依据流固耦合理论,对翔安隧道风化槽段隧道CRD工法的施工过程进行了三维动态仿真数值模拟,研究隧道施工过程中围岩的应力场、位移场、外水压力分布规律以及支护结构受力情况和衬砌外水压力的分布规律,研究成果为该隧道施工和同类工程建设提供了理论依据和实践经验.     

上软下硬地层暗挖地铁车站围岩变形规律研究

城市地铁车站大断面隧道暗挖施工控制围岩变形是施工中需要考虑的重要问题。依托青岛地铁3号线江西路车站工程,通过数值模拟分析并对比现场监测数据,研究了上软下硬地层大断面隧道成洞过程围岩变形规律,通过研究可知,在大断面开挖过程中,上台阶土体开挖以及拆除临时支撑是引起地表沉降主要原因,当围岩较好时,因开挖引发的地层沉降较小,临时支撑拆除是施工过程中最危险的阶段,极易引发施工事故。得到的结论可以为以后的研究及施工提供参考。     

软弱富水地层浅埋暗挖隧道CD法施工数值模拟分析

以莞惠城际轨道交通工程项目GZH-5标段中DK32+300~DK32+927.303段为背景,借助ABAQUS有限元分析软件对施工过程进行模拟,研究软弱富水地层浅埋暗挖隧道CD法施工对围岩及支护结构造成的影响,得到了在地下水渗流影响下围岩及支护结构变形规律。然后,针对软弱富水地层浅埋暗挖施工,提出了几点隧道工程设计和施工的相关建议。     

大断面海底隧道施工安全判定基准及应用

由于海底隧道隧道施工方法和支护体系的复杂性,仅采用某一个稳定性指标对围岩及支护结构的安全性进行正确判定具有一定的困难。依据围岩及支护结构的力学特性,首次提出周边位移、变形速率、变形加速度3参数定量指标和支护结构裂缝状态、地下水状态2参数定性指标5参数安全判定指标;依据隧道位移管理基准,将围岩及支护结构变形过程分为不稳定、险情、异常和正常4个危险等级;依据实测位移累计值U和位移控制基准U0以及围岩变形时间t,确定围岩及支护结构不同危险等级下的容许变形速率;最后通过定量和定性综合分析,确定大断面海底隧道5参数施工阶段安全判定基准,为正确判定围岩-支护结构的稳定性和有效预防坍方事故的发生,提拱了判定依据。本基准已在厦门东通道(翔安)海底隧道获得有效的实施。     

厦门海底隧道陆域浅埋段动态施工过程分析

基于地下工程施工力学理念,结合我国首条海底隧道--厦门翔安隧道工程陆域浅埋段施工过程,根据目前采取的CRD施工方法,建立数值模型,对其施工过程进行了模拟.分析了施工过程中随着各部的开挖,隧道变形动态发展历程;对浅埋隧道地表沉降采用经验预测和数值模拟进行了分析,数值计算结果反映了地表沉降随隧道各部开挖的动态变化过程;通过对初期支护时变受力体系分析,可以为施工过程中结构安全性评价提供依据;对开挖过程中隧道围岩应力状态和塑性区发展历程的分析,为洞室稳定性评价提供了理论依据.通过对大跨浅埋隧道在复杂地质条件下动态施工过程分析,可以进一步了解施工过程中围岩--支护系统相互作用的动态力学响应,为隧道动态设计与施工提供了科学的方法.     

三台阶七步开挖法黄土铁路隧道围岩变形规律研究

三台阶七步开挖工法运用在大断面黄土隧道开挖,具有较好的效果,研究各个开挖步中围岩的变形与受力,对隧道施工过程中的安全、支护措施和质量控制以及施工结束后对结构内力的影响,具有重要的工程应用意义。以太兴铁路二标段向阳村大断面黄土铁路隧道Ⅴ级围岩加强段工程为背景,采用断面预埋压力计、应变计等监测仪器对围岩压力及钢拱架变形进行动态监测,掌握围岩的变形特性;同时利用有限差分软件,模拟七步开挖工法开挖过程,并用壳结构单元模拟初期支护,分析得出不同开挖步下围岩的塑性区、位移、应力以及初期支护的内力变化。结合数值计算和现场试验采集的数据,从而确定开挖过程中围岩变形规律和支护受力分布特征。     

华莲西路小净距隧道双侧壁导坑法动态开挖数值模拟分析

以大断面小净距隧道华莲西路隧道为背景,采用ANSYS有限元程序对该隧道Ⅴ级围岩双侧壁导坑法施工的力学行为进行全过程数值模拟研究。根据模拟结果,对围岩变形、围岩塑性区、衬砌应力及支护结构受力进行研究分析,研究结果表明大断面小净距隧道复杂地层条件下Ⅳ、Ⅴ级围岩段采用现有的施工工艺和支护参数是可行的,围岩变形可控,支护效果显著。同时给出了华莲西路隧道设计和施工的关键点,具有重要的工程意义和现实意义。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。     

强风化千枚岩地层隧道开挖方法的数值分析

采用有限差分法对某隧道出口段强风化千枚岩地层中拟采用的传统三台阶七步开挖法与新三台阶七步开挖法的施工过程进行了数值模拟。通过对相应施工方法下隧道围岩发生的变形和支护结构内力的对比与分析,结果表明新三台阶七步开挖法更有利于控制隧道施工期间所引起的围岩变形,可适合于强风化千枚岩地层中隧道出口段的施工。     

海底隧道复合衬砌水压力分布规律及合理注浆加固圈参数研究

 与普通山岭隧道不同,海底隧道深埋于海床之下,地下水的处理是其修建过程中的关键问题,而隧道渗水量控制及衬砌结构水荷载确定又是地下水处理的核心问题。采用“堵水限排”的设计理念,设计海底隧道复合衬砌结构防排水系统,可以实现以较小的排放量明显折减甚至消除作用在支护结构上的外水压力,使海底隧道衬砌结构设计更经济。基于地下水水力学理论,推导海底隧道渗水量和复合衬砌结构外水压力的计算方法,并结合厦门海底隧道工程实践,采用理论分析和数值模拟方法揭示初期支护、二次衬砌以及注浆加固圈等参数的变化对隧道渗水量和衬砌外水压力的影响规律。在此基础上,提出海底隧道复合衬砌合理注浆加固圈参数的确定方法,并在厦门翔安海底隧道穿越F4风化深槽的合理注浆加固圈参数设计中取得成功应用。研究结果可为海底隧道或富水区高水头山岭隧道工程的防排水系统设计提供借鉴和参考。     

海底隧道复合注浆机制研究及工程应用

 由于海底隧道复杂的地质条件和特殊的水边界,单一的注浆方式和注浆材料不能达到理想的效果,因此提出复合注浆。复合注浆是采用多种注浆方式和注浆材料,根据具体地层条件,按照一定的时空顺序对被注载体进行注浆,其机制在于分步改善工程载荷作用的边界条件,解决围岩的渗透、强度和稳定性问题。基于风化花岗岩地层的特点,利用颗粒流软件对注浆过程进行仿真模拟,揭示复合注浆机制,并提出常见的复合注浆加固模式。结合厦门海底隧道右线F1风化槽复合注浆工程的成功实践,形成风化槽复合注浆堵水关键技术及评价指标,研究成果可为海底隧道安全穿越不良地质体提供参考和指导。     

跨海峡隧道风化槽围岩衬砌防排水技术研究

 采用钻爆法修建海底隧道必须采取有效措施预防塌方、涌水、突泥等地质灾害,海底隧道钻爆法施工时如何安全穿越断层破碎带是工程设计与施工的技术难点。结合厦门跨海峡隧道围岩的特点,研究钻爆法穿越断层破碎带的注浆加固、防排水技术,提出不同围岩条件下的隧道防排水和注浆设计方案。并根据实验室三轴试验结果得到强风化花岗岩渗透系数以及反演的围岩力学参数,分析风化槽隧道衬砌的外水压力分布特点和量值。研究成果为衬砌结构设计以及国内同类型隧道的衬砌防排水和衬砌支护技术设计提供可靠指导。     

浅埋暗挖重叠隧道施工引起的地层变形分析

 重叠隧道施工必然发生相互影响,产生诸如地表沉降难于控制等一系列问题,特别是在浅埋富水软弱围岩条件下修建重叠隧道,此类问题更加明显。通过对深圳地铁一期工程国贸～老街区间重叠隧道施工引起的地层变形实测分析,得出了富水软弱围岩条件下浅埋暗挖重叠隧道施工引起的地层运动规律。在该类地层条件下施工重叠隧道,具有变形量大、地表沉陷突发、地层损失率高(地层损失率高达9.2%,远大于一般地层)、地表横向沉降槽局部曲率和斜率大的显著特征。结合隧道围岩性质试验成果和现场工程条件,对地层变形机制及其主要影响因素进行分析,在此基础上提出该类围岩条件下施工浅埋暗挖重叠隧道控制地层变形的技术措施,并在深圳地铁I期工程的后期施工中得到充分利用,取得了显著效果。研究成果对同类地层暗挖重叠隧道施工地层变形控制具有借鉴和参考价值。     

大断面海底隧道异常变形控制措施研究

厦门海底隧道是我国第一条海底隧道,其地质条件差,地下水丰富,施工过程中,支护结构常发生较大的变形,为了保证施工安全,应寻求一套合理的控制措施用以抑制异常变形。基于厦门东通道海底隧道的现场实测数据,并结合数值模拟,对设置锁脚锚杆、加强临时支护刚度、仰拱注浆、井点降水、改变工法以及各种措施组合等控制措施进行了研究,制定了抑制异常变形的工程对策。研究结果表明,所列举的各工程措施都可以在一定程度上减小隧道支护结构的变形,而且这些措施也会在一定程度上降低围岩的塑性区范围。例如,在采用锁脚锚管后,隧道的拱顶下沉可减小约17%,减小水平收敛约12%;仰拱注浆适用于控制初期支护封闭后隧道发生的整体下沉,可减小拱顶下沉约18%。这些措施可为厦门海底隧道后续施工及类似工程提供一定的参考。     

厦门翔安海底隧道穿越富水砂层施工技术

 厦门翔安海底隧道是中国大陆修建的第一座海底隧道，全长6 051 m。隧道在海域浅滩段有约610 m穿越富水砂层，是该工程施工的难点之一，也是以往海底隧道施工过程中所未曾遇到过的，没有现成的施工经验可供借鉴。主要研究和介绍厦门翔安海底隧道穿越该段富水砂层的施工关键技术，即在地表采用地下连续墙和疏干减压井对砂层进行分仓隔水、降水，在洞内采用TSS小导管超前预注浆对砂层进行固结处理。研究和施工实践表明，该隧道在穿越海域浅滩富水砂层段施工过程中，采用洞外和洞内相结合的施工技术是可行的，操作简便、效果明显，对同类地质条件下的地下工程施工具有一定的借鉴意义。     

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。     

浅埋暗挖地铁隧道初期支护大变形分析及处理

深圳地铁2号线世界之窗站站南并线段隧道下穿世界之窗景区办公楼,隧道埋深浅、跨度大,所处地质条件差,为Ⅵ级围岩。隧道建设过程中,初期支护出现变形破坏,沿拱架节点处产生通长纵向裂缝,地表建筑沉降大且多处出现裂缝。通过现场观察和对监控量测数据的分析,从围岩的岩性条件、地下水条件、隧道设计参数及施工等方面,探讨了该隧道初期支护大变形的原因及机制,认为它是地表建筑附加荷载、围岩软化和大范围塑性流动综合作用的结果。并基于加固围岩、控制变形、提高支护刚度和改进施工的整治原则,提出了相应的加固及整治措施。实践证明,对大变形段的整治取得了成功,并有效地指导了后续施工,确保了隧道安全顺利贯通。     

厦门海底隧道右线穿越F1风化槽施工方案探讨

 厦门翔安海底隧道右线A2标需要穿越F1风化槽段，制定切实可行的穿越F1风化槽段施工方案显得尤其关键。针对该工程施工难度大、工期紧、施工风险大和质量标准高等特点，并结合厦门海底隧道的工程地质特点，制定了穿越F1风化槽段的总体施工技术建议方案，分别从超前地质预报、风化槽段的开挖及支护方案、帷幕注浆、施工排水系统、隧道衬砌施工、突发事件应急处理预案等方面阐述了钻爆法穿越F1风化槽的施工方案与施工注意事项，为工程合理方案的选取奠定基础。     

高地应力千枚岩隧道支护体系试验研究

成兰铁路茂县隧道穿越龙门山活动断裂带,地层以千枚岩为主,围岩破碎、软弱、强度低,且存在高地应力。在茂县隧道1号斜井施工过程中,遇到了围岩大变形、喷射混凝土开裂、钢拱架扭曲等现象。为了解决这一技术难题,在施工现场将斜井按正洞施作,设置4种不同的支护体系试验段,并对围岩变形、围岩与初支接触压力、钢拱架应力进行监测分析,得出以下结论:I20工字钢刚度低,不能有效地抵抗围岩前期变形,使围岩的变形进入塑性流动阶段;H175型钢刚度大,与3 m长短锚杆相结合能主动控制围岩的变形,能有效地控制围岩前期变形,8 m长的锚杆能被动控制围岩变形,能有效地抑制围岩塑性区的扩大;以H175钢拱架+3 m锚杆+8 m锚杆+喷射混凝土+超前注浆小导管为主的初期支护体系对茂县隧道高地应力千枚岩大变形的控制有较好的效果,可为后期茂县隧道正洞的施作提供指导。