超大埋深软岩隧道平行导洞合理超前距离研究

为解决滇藏铁路丽香线哈巴雪山隧道施工过程中产生的大变形问题,采用数值模拟、现场监测的方法,对哈巴雪山隧道不同平行导洞超前距离下隧道变形及正洞区域应力进行研究,提出平行导洞的合理超前距离。研究结果表明:1)哈巴雪山隧道平行导洞超前正洞的距离应设定为100 m,此时平行导洞对正洞区域的应力释放效果已达90%以上。2)平行导洞的设置使正洞拱顶沉降减小6.92%,上台阶水平收敛减小14.58%,下台阶水平收敛减小10.8%。由此可知,平导超前开挖能够减小正洞支护变形,对正洞水平收敛的控制效果大于拱顶沉降。

超大埋深软岩隧道大变形机理及控制技术研究——以滇藏铁路丽香线哈巴雪山隧道为例

为解决超大埋深软岩隧道工程中,由于地应力高围岩软弱而产生的严重大变形、初期支护频繁拆换等问题,以丽香铁路哈巴雪山隧道工程为例,研究超大埋深软岩隧道大变形机理及控制技术,在分析超大埋深隧道大变形特征基础上,揭示隧道大变形机理,提出“超前应力释放+长短锚杆结合+强注浆+多层支护”的大变形隧道控制技术。哈巴雪山隧道大变形特征主要体现在掌子面易失稳、支护变形速率快、变形量大及结构破坏严重。通过采取控制措施,哈巴雪山隧道大变形现象得到了有效控制,实测表明隧道掌子面挤出变形减小60%以上,隧道变形量减小40%以上,且结构受力显著减小,围岩压力及接触压力均小于结构设计荷载(按1.0 MPa设计)。

高速列车突入复线隧道的横风效应分析

横风作用下运行环境不同导致高速列车气动特性发生突变,严重影响列车运行安全和乘客的舒适性。基于高速列车流场的可压缩、非定常特性,建立隧道-列车-横风三维数值模型,采用SST k-ω湍流模型进行求解,通过与动模型试验对比,验证了数值模拟的准确性,进一步分析横风对列车周围流场与表面压力分布的影响,得到了横风作用下列车气动荷载变化规律。研究结果表明:列车周围流场分布受横风影响显著,隧道外流场向列车背风侧偏移,并形成起始于隧道入口处的纵向涡旋,而隧道内列车背风侧涡旋消失,迎风侧形成延伸至入口处的垂向涡旋,并在列车驶入过程中隧道内涡旋结构逐渐消失。在列车驶入隧道前列车迎风面气动压力以正值为主,背风面气动压力以负值为主。当列车驶入隧道时列车表面压力发生剧烈变化,气动压力波动程度随列车驶入而明显减弱。气动荷载变化规律与风环境密切相关,无风时尾车横向力和升力变化幅值最大,而横风下头车横向力和升力变化幅值最大。此外,列车气动性能与编组位置密切相关,横风下头车横向力变化幅值分别是中车、尾车的4.8倍和15.4倍,头车升力变化幅值分别为中车、尾车的1.1倍和1.2倍,头车发生行车安全事故风险最高。研究成果可为类似情形下高速列车运行安全性评价和高铁隧道选线提供参考。

高速列车突出隧道过程中横风效应研究

为研究横风效应对突然驶出隧道过程中高速列车气动特性的影响,基于列车流场的三维、可压缩性的非定常特性,建立隧道-列车-横风三维数值模模型,研究横风效应对驶出隧道过程中高速列车流场分布和列车表面压力的影响,揭示列车气动荷载变化机理。通过与动模型试验结果进行对比,验证数值模拟的合理性。研究结果表明:横风下列车驶出隧道过程中流场分布具有显著空间效应,受列车与隧道相互作用影响,隧道出口附近流场具有明显非定常特性;相较于无风情形,横风下列车底部压力变化幅值增大60%,列车迎风面、顶部压力变化幅值分别增大38.1%和28.6%,背风面压力变化幅值差异为4.8%,背风面压力分布受横风影响最小;横风效应导致列车气动特性发生显著变化,气动荷载变化幅值远比无风情形的大,无风时尾车横向力、升力变化幅值最大,横风作用下头车横向力变化幅值最大,倾覆风险最大。

隧道类型对驶出隧道高速列车横风效应影响研究

基于横风下高速列车流场的非定常特性,建立横风-隧道-列车数值模型进行计算,研究隧道类型对横风下高速列车驶出过程中气动压力、流场特性和列车气动荷载的影响.结果表明:隧道出口处气动压力受隧道类型影响最为显著,单线隧道列车迎、背风侧气动压力变化幅值比双线隧道气动压力变化幅值分别大15.7%和22.6%;在列车类型、车速和横风条件相同情况下,阻塞比是导致单线隧道气动压力较大的根本原因;列车背风侧分离涡形成位置到头车鼻尖距离相同,但双线隧道列车背风侧流场偏移程度更大;头车与中车周围流场分布规律基本相同,受隧道类型影响较小,而尾车流场分布特性受隧道类型影响较大.尾车气动荷载对隧道类型更加敏感,双线隧道尾车横向力系数、升力系数变化幅值分别比单线隧道大27.3%和7.1%.当高速列车在横风环境中驶出隧道时,建议考虑隧道类型对列车气动性能的影响.

天山胜利隧道敞开式TBM钢管片支护作用效果研究

针对TBM穿越断层破碎带地层洞壁围岩松动掉块严重的问题,依托乌尉天山胜利隧道,采用数值模拟的方法,通过对比研究传统支护方式与新型钢管片支护方式下围岩变形和围岩塑性区情况,研究钢管片支护的作用效果;同时,为说明不同支护的适用条件,采用现场调研方法开展不同支护方式下施工效率和经济性对比分析。结果表明:1)断层破碎带地层中,当围岩出露护盾后,变形量与塑性区范围增大,围岩破坏程度加剧,以锚杆和钢拱架为主的传统支护方式无法较好地控制围岩变形和塑性区发展。2)断层破碎带地层中,钢管片支护较传统支护的围岩累计沉降值降低53%,围岩变形收敛快,能更好地控制围岩变形和发展。3)钢管片支护较传统支护的围岩塑性区范围小,其中边墙的最终塑性区缩小44%,且钢管片支护可实现早封闭、及时支护,塑性区均匀,更有利于围岩的稳定。4)一般地层中,传统支护方式的经济性和效率更佳;断层破碎带地层中,钢管片支护方式可提供安全作业空间,减小钢拱架+喷锚支护作业量,较传统支护经济性和施工效率更佳。

TBM隧洞围岩分级方法及支护体系研究

目前TBM隧洞设计施工主要采用基于矿山法的围岩分级方法,但由于TBM法与矿山法隧洞施工存在很大差异,传统矿山法的围岩分级方法难以适用于TBM施工。为解决该问题,依托北疆供水二期工程,综合考虑围岩稳定性和围岩可掘性,选取围岩基本质量指标BQ、岩石单轴饱和抗压强度Rc、岩体完整性系数KV和岩石磨蚀性指数CAI作为评价隧洞围岩性质的主要指标,统计18台TBM集群施工收集的近3000组BQ、Rc、KV等岩性指标数据,分析各项岩性指标与纯掘进速度PR及安全系数FS的变化规律,将TBM隧洞围岩分为Ⅰ~Ⅴ级共10个亚级。在此基础上,分析了敞开式TBM的施工特性,进而采用数值模拟方法,对各级围岩在不同支护参数下的稳定性进行对比分析,提出了适用于北疆地区水工隧洞各级围岩的隧洞支护体系及支护参数,共形成7套支护体系设计图,并结合现场实际工程对本文提出的围岩分级支护体系进行验证。现场监测数据表明,本文提出的TBM隧洞围岩分级支护体系有较好的适用性。

断层破碎带TBM施工卡机处置技术研究

断层破碎带围岩地质松散,岩体稳定性差,容易导致隧道掘进机(TBM)发生卡机事故,而且处理TBM卡机故障难度较大,不仅使掘进效率降低,还会对工程建设产生严重影响。首先通过多案例调研,总结了一般卡机类型及原因机理,然后结合新疆某水利工程Ⅷ标隧洞工程地质情况,提出了针对断层破碎带引起的卡机事故处置措施:先利用超前地质预报勘察地质情况,再采用锚杆、超前管棚和固结灌浆等措施加固已有支护段。现场实践表明,在花岗岩地层中该方法卡机处置效果较好,同时耗时也相对合理。

软硬不均地层复合盾构的研究及掘进技术

针对广州地铁二号线越秀公园—三元里区间的软硬不均地层的盾构施工,提出复合盾构的设计思想,并对复合盾构的功能及技术参数进行研究,分析刀盘、刀具与地质的适应性。研究复合盾构掘进模式的原理、掘进参数及模式之间的转换技术,解决了软硬不均地层的掘进难、效率低、成本高、地层变形不易控制等技术难题。为了有效地控制掘进方向和盾构姿态,分析盾构掘进方向偏差的原因,研究相应的控制方法,达到了防止管片裂损和控制错台的目的。为防止黏性地层掘进的“泥饼”现象及富水地层掘进的“喷涌”现象的发生,研究相应的渣土改良技术。通过盾尾环形间隙同步注浆技术的研究及采用可靠的技术措施,并加强施工监测,及时变更掘进参数,控制地层的变形,确保京广铁路正常运营及临近建构筑物的安全。

大断面深埋黄土隧道锚杆作用效果的试验研究

黄土隧道系统锚杆的作用效果问题一直是争论的焦点,依托正在修建的郑州—西安铁路客运专线大断面黄土隧道工程,采用现场对比试验方法对深埋黄土隧道系统锚杆的作用效果问题进行研究。为了使试验结果有可比性,选取试验条件基本相同的函谷关隧道洞身段作为试验段,分别设置有系统锚杆段45m和无系统锚杆段45m进行对比试验。对比试验的测试项目有:拱顶沉降、拱脚沉降、水平收敛、围岩压力、初支钢架应力及锚杆轴力等。试验结果表明:有系统锚杆段与无系统锚杆段的拱顶沉降和水平收敛基本相等;两者的土压力和钢架应力相差不大;锚杆轴力较小,且拱部锚杆受压,边墙锚杆受拉。综合分析后认为,拱部系统锚杆作用效果不明显,取消拱部系统锚杆可减少施工工序,加快开挖面的封闭和全断面初期支护的及早闭合,从而能更好地控制支护结构变形,并节约工程投资。

大断面浅埋黄土隧道锚杆作用效果的试验研究

黄土隧道系统锚杆的作用效果问题一直是争论的焦点。结合正在修建的郑州—西安铁路客运专线大断面黄土隧道,采用现场对比试验方法对系统锚杆作用效果进行研究。为了使试验结果有可比性,选取试验条件基本相同的贺家庄隧道洞身段作为试验段,分别设置有系统锚杆段40 m和无系统锚杆段40 m。对比试验的内容包括:拱顶下沉、拱脚下沉、水平收敛、围岩压力、初支钢架应力、锚杆轴力等。试验结果表明,有系统锚杆段比无系统锚杆段的拱顶沉降大40%左右、水平收敛大25%左右,两者的土压力和钢架应力相差不大;锚杆轴力较小,且拱部受压。经综合分析认为,拱部锚杆的支护效果不明显,取消拱部锚杆可减少施工工序,加快隧道初期支护断面及早封闭,能更好地控制支护沉降与变形,并节约工程投资。

复线隧道施工爆破对既有隧道的影响分析

复线隧道与既有隧道的净间距一般都较小,因此,施工爆破对既有隧道会有较大的影响。在分析复线隧道施工爆破对既有隧道的影响因素的基础上,论述了采用有限元法分析爆破振动效应的原理及方法,并结合株六铁路复线关寨隧道的施工爆破进行实例分析,得到了各振动参数时间历程。结果表明,数值法能较全面地反映爆破振动全过程的变化规律。

大断面黄土隧道中型钢与格栅适应性的对比试验

正在修建的郑州—西安铁路客运专线大断面黄土隧道,开挖面积达160m2,因此,开展型钢拱架与格栅拱架研究,明确型钢拱架和格栅拱架的适用条件对设计和施工都具有重要的指导意义。研究方法采用现场对比试验,为了使试验结果有可比性,选取试验条件基本相同的贺家庄隧道洞身段作为试验段,分别设置型钢拱架段40m和格栅拱架段40m。测试内容有:拱顶下沉、拱脚下沉、水平收敛、围岩压力、初支钢架应力等。试验结果表明:格栅拱架比型钢拱架的沉降略大,水平收敛基本相等;格栅拱架比型钢拱架应力小,且应力分布相对均匀;土压力普遍很小,但格栅拱架土压力更小些;隧道掘进四榀钢架(3.2m)后,钢架沉降达总沉降的26%左右,最大应力达总应力的33%左右。经综合分析认为型钢拱架及格栅拱架均能适用于IV级黏质老黄土隧道,但格栅拱架更具优越性。

海底隧道支护结构受力特征的模型试验研究

海底隧道支护结构的水压力问题十分复杂,影响因素较多,一直是人们关注的焦点。依托厦门翔安海底隧道,采用较大比尺的相似模型试验方法以及先进的光纤光栅测试技术,研究不同防排水方式下衬砌背后水压力分布规律以及水土压力共同作用下衬砌结构受力特征。试验结果表明:海底隧道在全封堵条件下衬砌背后水压力不能折减,注浆圈也不能有效减小水压力;而在排水条件下,衬砌背后水压力可以折减,且水压力随排水量的增加而减小;水土压共同作用下,地下水渗流场和应力场的耦合作用显著增大,并且以水压力为主,仰拱为最不利部位。通过对隧道开挖过程的模拟试验,得到开挖对前方土体的影响范围约为两倍洞径,施工过程初支只承受部分水压,能满足结构安全。

城市地下综合管廊建设管理模式及关键技术

城市地下综合管廊对于城市建设具有重要意义,可以防止管线破裂,杜绝反复开挖路面,有效缓解交通拥堵。在对国内外城市地下综合管廊调研的基础上,通过对国内外城市地下综合管廊建设管理模式的对比分析,总结我国综合管廊建设存在的问题,提出通过PPP模式投资建设综合管廊并建立公司化运作、物业化管理的运营管理模式的建议。同时根据新、老城区的特点,在规划、设计和施工等方面提出相应的建议,重点分析城市地下综合管廊在管线收容、埋深、横断面、交叉节点、抗震等方面的设计问题,并对城市地下综合管廊与其他城市地下空间一体化设计进行分析,从规划、设计、施工等方面为城市地下综合管廊的建设和推广提供参考。

超大埋深软岩隧道超前中导洞合理断面尺寸及应力峰值转移机制

在超大埋深软岩隧道中,通常地应力较高,且围岩软弱破碎,在施工过程中不可避免地会出现大变形现象,造成支护结构失效破坏。采用超前中导洞应力释放技术提前释放地应力,可以改善支护结构的受力状态,减小隧道变形量,保证支护结构的安全。依托丽香线哈巴雪山大变形隧道,采用文献调研、数值模拟及现场监测等手段对超大埋深软岩隧道超前中导洞合理断面大小进行研究,分析了中导洞不同断面大小工况下应力释放效果,最终确定中导洞合理断面大小。研究结果表明,超前中导洞断面为正洞断面面积的0.6倍时,应力释放效果较为理想,相比直接开挖正洞,采用合理超前中导洞断面时,正洞拱顶沉降及上、下台阶水平收敛值分别减小28.2%、27.64%和26.71%,且围岩中切向应力峰值向围岩深部转移了约4 m,同时,应力峰值数值有所减小,减小约5.04%。研究成果可为类似大变形隧道工程提供参考与借鉴。

不停航机场跑道下大断面隧道施工技术

北京首都机场T2~T3航站楼联络线隧道在不停航条件下进行施工,为保证飞机的正常运行,施工过程中需满足机场跑道沉降小于30mm、平整度小于1‰的控制标准。为此开展了以控制机场跑道沉降为目的特大断面超浅埋隧道施工技术研究:提出了超长大管幕施工技术,通过采用管周保压注浆、微型盾构的自动微调技术,实现了低阻、高精、微沉的管幕顶进,取消了规范要求的中继间,简化了施工工艺,降低了施工风险;研发了远距离沉降非接触监测技术,以及基于数字视频的隧道收敛变形监测系统;提出了隧道周边管幕预支护、多导洞分部开挖支护的施工技术,以及管幕周边注浆填充空隙、管幕上方土体注浆和掌子面前方预注浆加固地层方法,有效解决了道面沉降控制的难题,满足了机场跑道的控制标准。

浅埋大跨隧道管幕预支护技术试验研究

首都机场T2~T3航站楼联络线大跨隧道下穿不停航飞机跑道,施工风险极大。为了得到合理的管幕预支护参数及开挖方法,本文利用了模型试验,研究了不同管幕布置型式、管径大小及开挖方法对地表、管幕沉降的影响,结果表明:"门"字形管幕比"口"字形管幕形式的地表沉降值大51%左右;直径600mm管幕比直径970mm管幕的地表沉降大24%左右;中间导洞先开挖与最外两侧导洞先开挖所引起的地表沉降值及规律基本一致;飞机动载作用对地表沉降及管幕内力的影响比静载的影响大12%左右。因此,为了安全起见实际工程中采用了直径970mm、"口"字形布置的管幕,开挖方法为先最外两侧导洞、后中间导洞、最后中间两侧导洞。

软硬不均地层盾构姿态控制及管片防裂损技术

广州地铁二号线越—三盾构区间的地层软硬不均,加之曲线多、坡度变化大,盾构掘进技术难度大,掘进方向与盾构姿态的控制困难,防止管片开裂和局部破损以及错台具有一定的难度。为了有效地控制掘进方向和盾构姿态,研究了盾构掘进方向发生偏差的原因,并对越—三区间盾构掘进的偏差实测数据进行具体分析,得出了偏差的原因和规律;研究了盾构掘进姿态的控制方法。为了防止盾构管片的裂损,采用数值模拟方法研究管片裂损的规律及其主要因素,提出了有效控制管片裂损的主要方法。

地下水封式液化石油气储藏洞库修建技术

结合汕头地下水封式LPG储库的修建,研究储气库的水压密封原理及LPG洞储的气密条件,并通过渗流场的三维数值模拟,得出储气库周围的压力水头及水力梯度的分布规律,验证气密性条件和设置人工水幕的必要性。由于洞库是裸洞储气,且埋深大、跨度大,因此进行了洞室稳定性的三维数值分析,同时优化施工方案,确保施工及运营过程洞室的稳定性。介绍注浆和水幕钻孔技术,这是地下水封式LPG储库修建的两项关键技术,良好的注浆效果可以减少开挖期间的渗漏水、有利于保持必要的水位线、有利于封闭裂隙而减少气体逃逸,水幕钻孔是运营期间水幕保持良好工作状态的保证。汕头地下水封式LPG储库的修建技术对今后我国地下水封式储气库的设计、施工都有一定的参考价值。