隧道及地下工程的基本问题及其研究进展

作为隧道及地下工程学科的3个基本问题,隧道围岩稳定性、支护-围岩相互作用和结构体系的动力响应一直都是本学科研究的核心问题,本文围绕上述问题重点分析了隧道围岩力学特性及其载荷效应,建立了深浅层围岩结构力学模型,并通过分析深层围岩中结构层稳定性得到了围岩特性曲线的解析公式,提出了围岩结构性特点及载荷效应的计算方法;通过对隧道支护与围岩作用关系的分析,将支护与围岩的动态作用分为4个阶段:即自由变形、超前支护、初期支护和二次衬砌阶段.由此提出了动态作用全过程的描述方法;基于广义与狭义载荷的理念,提出隧道支护具有调动和协助围岩承载基本功能的观点,明确了两种功能的实现方式,即通过围岩加固、超前加固及锚杆支护实现调动围岩承载,通过支护结构协助围岩承载;针对复杂的隧道支护结构体系,提出了多目标、分阶段协同作用动态优化概念,可使各种支护结构的施作实现时间和空间上的协调,提高可靠性;针对极不稳定的复杂隧道围岩的安全性特点,建立了3种模式的安全事故机理模型,基于工程响应特点提出了安全性分级的新理念,并形成了分级指标体系和分级方法;针对水下隧道及富水围岩条件,建立了3种模式的隧道突涌水机理模型,提出了基于围岩变形控制的安全性控制理论和方法.最后,对本学科发展的热点和核心问题进行了分析和展望.

厦门海底隧道防排水系统研究与工程应用

为了对中国海底隧道防排水系统设计提供理论依据,针对厦门海底隧道防排水系统设计问题进行了研究。通过对隧道涌水量进行计算,对堵水注浆圈作用进行分析并结合工程类比后,分析确定了厦门海底隧道的防排水设计原则及方案,即在主隧道不良地质地段和整个服务隧道采用全封堵方案,水压按全水头计算;在主隧道完整围岩地段采用限量排放方案,水压可进行一定折减。用堵水注浆圈、自防水衬砌结构、分区防水系统和隧道排水系统共同构成厦门海底隧道的防排水系统。现场工程实践表明:该防排水系统达到了预期效果,可供类似隧道工程参考。

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。

北京站至北京西站地下直径线工程重大风险源分析与控制

北京站至北京西站地下直径线工程地处北京市中心城区,沿线建/构筑物众多。沿线穿越立交桥、护城河、地铁2号线等重大风险源。通过对地下直径线全线进行详细的风险评估,充分分析沿线各风险源的状况,并根据评估结果提出防止和降低风险的有效控制措施,施工完成后地铁2号线测点沉降值均小于2mm,天宁寺桥因隧道开挖引起的沉降值低于3mm,施工对周围建/构筑物影响非常小。

复杂地铁工程施工安全控制技术研究

北京地铁5号线崇文门站为国内首次在既有地铁隧道下方采用暗挖法施工的地铁车站,施工期间要保证既有地铁线路的正常运营,因此施工难度和风险极大。施工前对既有地铁结构进行了安全评估,根据评估结果并结合相关规范制定了既有线结构变形的安全控制标准。在施工风险分析的基础上,结合数值模拟计算确定了柱洞法施工方案,并辅以降水、超前大管幕和注浆等辅助技术措施,同时采用远程自动监测系统实时监控既有线的动态变化,对施工中既有线结构出现的异常变形进行了及时处理,最终地铁车站成功建成,并确保了既有地铁结构的安全和线路的正常运营。

城市地下工程建设的事故分析及控制对策

基于中国城市地下工程发展迅速、事故频发的现状,结合具体工程事故案例,分析了城市地下工程建设中事故发生的主要原因,并提出了相应的控制对策,主要包括:构建城市地下工程建设安全风险管理体系,实施安全风险管理;制定科学合理的地表及建(构)筑物的变形控制标准,使安全风险控制有据可依;采用信息化施工技术,并利用变位分配原理实施施工安全的分阶段控制。该控制措施在北京及其他城市地铁建设中得到了应用,并取得了理想的控制效果,对中国城市地下工程安全建设具有重要的参考价值。

管线渗漏诱发地铁工程事故的安全控制技术研究

在分析管线渗漏诱发地铁工程事故原因的基础上,建立一整套技术措施体系。在这个措施体系中,共包括给排水管线现状调查、给排水管线安全评估、管线渗漏地层饱和范围分析、监控量测、管线保护综合技术措施和工程应急预案建设6个方面的内容。其中,给排水管线现状调查、安全评估和管线周围饱和地层范围分析是做好此项工作的基础。管线变形和地层变形监控量测是管线保护和地层坍塌预防的必不可少的保证手段。应依据不同施工方法,从主动控制和被动控制两方面采取管线保护技术措施及地层坍塌预防和处理措施。而工程应急预案建设是工程安全控制的重要补充。

城市地下工程建设的安全风险控制技术

城市地下工程建设是一个极其复杂的系统工程,存在较大的不确定性和安全风险。在对地层变形及安全事故机理系统分析的基础上,提出并建立了基于技术主导的5阶段安全风险控制体系,明确提出了分类、分级管理的技术方案,实现了建设管理的规范化;基于地层变形与结构稳定性的分析,将地表沉降控制标准由30mm调整为60mm,实现了突破;基于隧道施工过程力学分析,建立了地层与结构变位分配的系统理论与方法,做到微米量级的分阶段控制,实行了精细化设计;基于注浆抬升机理的分析,阐明了结构变位注浆恢复的原理,并给出了相应的设计方法、效果预测及其评价体系,使结构修复更加科学化;在超近距运营地铁、长大公路隧道及复杂建筑群条件下实现了大跨度隧道的安全施工,控制标准实现了技术突破,整体上推进了该类工程施工技术水平的提高。该项技术自2002年以来结合深圳地铁一期工程、北京地铁、南水北调工程、大连城市隧道工程、厦门机场路隧道工程等建设进行了系统的研究,将结构沉降控制在毫米量级内,保证了工程安全,节约了数亿多元投资。目前已形成了安全风险管理体系和施工技术指南,并在各重点工程中得到推广应用,从整体上提升了我国地下工程信息化施工的技术水平。

北京地铁隧道暗挖法施工地层变形规律研究

以北京地铁5号线18标暗挖区间隧道施工为背景,介绍了该工程采用的现场监测试验方法,对试验方案进行了说明,并重点对地层变形及受力监测数据进行了分析,为后续施工提供了直接帮助。

基于可拓工程法的海底隧道施工突水后果严重性分析

施工突水是海底隧道建设过程中最大的安全风险,而对其后果严重性分析是风险评价的一个重要组成部分.由于海底隧道的突水后果严重性很难用定量的方式加以描述,无法采用经典的直接测算法和社会经济测算法,实现对海底隧道突水事故发生后灾难程度的定量评价.基于可拓工程法,依托厦门翔安海底隧道,将海底隧道突水风险后果分为生命损失、社会损失、环境影响损失和经济损失包括直接经济损失和间接经济损失,对海底隧道穿越海域风化深槽施工突水后果严重性进行半定量化的科学评价.

地下工程专题序

进入21世纪以来，隧道及地下工程已成为土木工程最为活跃的学科方向，其作用和地位凸显，并在交通基础设施和城市轨道交通建设中发挥了关键作用.事实上，正是复杂长大隧道和城市地下空间开发技术的突破才使得我国高速铁路、高速公路和城市轨道交通工程的大规模快速建设成为可能.在隧道及地下工程的安全建造和安全服役中涉及诸多力学问题，其中包括：隧道围岩变形及致灾机理、支护与围岩作用机制及评价方法和地下结构的动力响应等，本刊组织了“地下工程专题”，主要介绍以下四个方面的研究进展：(1)

特长公路隧道全断面钻爆大型机械化施工技术

特长大断面公路隧道施工是整个高速公路线路施工工期的关键,为了保证施工质量、加快施工进度,依托首都环线高速公路G95承平段杨家窝铺特长大断面公路隧道工程,提出了“地质条件适应、环境污染低、性能匹配、功能可靠、技术先进、成本可控、通用性强”的大型机械化设备配套原则,分析了钻眼爆破、初期支护、仰拱施工及二次衬砌施工过程中所用机械设备的性能与效能,采用钻爆大型机械化施工技术后,杨家窝铺隧道的施工进度较计划进度提前1个月。

大断面黄土隧道二次衬砌受力特性研究

以兰渝铁路胡麻岭隧道为工程背景,采用现场监测方法得到大断面黄土隧道初期支护与二次衬砌之间的接触压力,并讨论该接触压力随时间的发展规律和沿洞周的空间分布特性。根据铁路隧道设计规范计算得到作用于衬砌结构的计算荷载,采用荷载结构模型分别计算实测和计算荷载作用下的二次衬砌内力,并进行对比分析。研究方法和结论对分析软弱地层衬砌结构的受力特性、建立更加科学合理的隧道设计方法具有一定的参考价值。

浅埋大断面软岩隧道施工影响下建筑物安全性控制的试验研究

厦门机场路一期工程在大跨、浅埋及复杂地质等工程条件下穿越地表密集的建筑物群,受隧道施工影响的建筑物多达90余栋。在隧道施工过程中,既要保证新建隧道结构的安全,同时还要保证地表既有结构的安全,而后者显得更加重要。隧道施工面临着全风化花岗岩遇水软化、隧道结构整体沉降、地层大变形、建筑物差异沉降及裂缝控制等诸多难题。在对该工程特点和控制方案系统分析的基础上,为保证控制方案的可靠性,对拟拆迁的104#和105#楼房进行试验研究,通过施工过程的注浆抬升和变形监测结果,论述地层沉降、建筑物沉降及裂缝产生、发展随隧道开挖的变化规律,并提出优化洞内施工与地面注浆抬升建筑物相结合方案,控制围岩大变形和有效保护建筑物的工程措施。试验数据表明,将核心控制指标—建筑物差异沉降量控制在20 mm以内可保证建筑物的安全;地表注浆与洞内注浆相结合可实现对建筑物的抬升,并有效地减小建筑物的差异沉降并控制裂缝的发展。研究结果为机场路隧道后续穿越重点建筑物的施工提供了技术支撑和安全保障,也为今后类似工程的设计、施工和研究提供了有益的借鉴和参考。

高水压富水区隧道限排衬砌注浆圈合理参数研究

海底隧道深埋于海水以下,处于高水压富水区,隧道结构设计时需要考虑外水压力,如果采用"堵水限排"的防排水设计原则,能够以较小的排水量显著降低作用在衬砌上的外水压力,从而使隧道结构设计更加经济。注浆圈合理参数的确定是"堵水限排"的核心问题。基于穿越高水压富水岩溶区的圆梁山隧道工程,通过理论计算和分析,得到了注浆圈参数变化对隧道涌水量和衬砌外水压力的影响规律;提出了隧道排水率的概念,分析了隧道排水率与衬砌外水压力之间的关系。在此基础上提出了确定注浆圈合理参数的方法和程序,给出了圆梁山隧道注浆圈的合理参数值,并在现场得以应用,取得了理想的效果,注浆后实测隧道涌水量与理论计算值基本一致。研究结果表明:衬砌外水压力折减系数取决于隧道排水率,只有当隧道排水系统能够将渗透到衬砌背后的地下水全部排出时,衬砌外水压力才能完全消除;注浆圈的作用不是分担衬砌外水压力,而是通过封堵地下水降低隧道涌水量,从而以较小的排水量可显著降低甚至消除衬砌的外水压力。研究成果对类似高水压富水区以及海底隧道防排水设计具有一定的参考价值和借鉴作用。

地下水和围压对软岩力学性质影响的试验研究

常规三轴压缩试验一直是认识岩石在复杂环境(如地下水丰富和高地应力)下力学性质的主要手段,因此,利用XTR01-01型微机控制电液伺服岩石三轴试验仪研究在不同饱水时间和不同围压下软岩强度的变化规律,就宜万铁路堡镇隧道高地应力大变形段中所揭示的黑色炭质页岩设计了不同饱水状态下的三轴试验方案,并进行了三轴力学性质测试,描述了软岩在饱水时间为1个月的全应力-应变曲线特征,重点探讨了围压和饱水状态对软岩强度的影响规律,详细分析了二者对软岩强度变化的作用机制及特点。最后,根据围岩动态演化规律,结合试验研究结论,提出高地应力软弱围岩的支护原则。

北京地铁车站深基坑地表变形特性研究

为明确北京地区地铁车站深基坑开挖引起的地表变形规律,对北京地铁30个明挖车站的现场实测数据进行统计分析,并将分析结果与国内外类似工程进行对比。研究表明:(1)北京地铁车站深基坑开挖引起的地表变形最终表现为"凹槽形"。最大沉降发生在拆除坑底以上1～2道支撑时,距基坑侧壁10～15 m。(2)地表最大沉降值随开挖深度的增大而增大,随插入比的增大而减小,为(0.034%～0.316%)H,平均值为0.1%H。(3)地表最终变形值小于最大变形值。75%的测点最终沉降为0～20 mm,沉降大于30 mm的测点很少,仅占1.93%。(4)基坑开挖在引起地表沉降的同时还会导致地面隆起,但隆起值随开挖深度的加大而减小,最终的隆起量和隆起测点数较小。(5)基坑变形具有明显的时空效应:各测点的沉降速率随时间的推移、开挖深度的加大、尤其是排水固结的开始而逐渐加大,但随着内部结构的施作完成,变形逐渐趋于稳定;长边中点处变形值最大,边角处变形值最小,距坑壁30 m以外变形微小。该研究成果可为北京及其他地区类似工程的设计和施工提供参考,对防止基坑事故、避免资源浪费具有重要意义。

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。

北京地区深基坑墙体变形特性研究

为明确北京地区深基坑开挖引起的墙体变形规律,对北京地区37个明挖顺作法基坑案例进行统计分析,并将分析结果与国内外类似工程进行对比。研究表明:(1)墙体最大侧移主要为5～25 mm,所占比例为79.2%,大于30 mm的基坑较少,仅占13.5%。(2)钻孔灌注桩深基坑开挖引起的墙体侧移表现为"中凸形"形,最大侧移距地表9～13 m,且基本位于0.58H±5 m范围。(3)复合土钉墙基坑墙体侧移模式为"三角形",最大侧移位于墙顶,沿墙身往下逐渐减小。(4)所有基坑最大侧移为0.04%H～0.218%H,平均值为0.103%H。最大侧移随开挖深度、长宽比的增大而增大。(5)最大侧移随插入比、支护体系刚度的增大而减小,当插入比大于0.6时,增大插入比对减小基坑变形效果不明显。研究成果可对未来北京及其他地区同类工程变形大小及安全性做出预测和评估,可指导设计与施工,对防止基坑事故、避免资源浪费具有重要意义。

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。