软岩隧道初期支护沉降变形分析及控制方法

目前存在对软岩隧道初期支护变形的错误认识,造成施工成本的浪费、安全风险的增大、进度被严重制约等不利影响,所以非常有必要对隧道初期支护变形进行研究分析并控制。首先以“矿山法”工程实践证明软岩隧道预留变形量是不必设置的,再通过各种权威文献说明以容许变形来实现围岩自承的观念是对“新奥法”的曲解,是错误的,需要找出支护变形的真正原因并控制。通过总结分析隧道支护常见的6种位移及其组合,得出为控制初期支护变形需要解决支护底脚地基承载力和支护结构强度2方面问题。于是建立以“分布锚杆+钢架+喷射混凝土且系统分布锚杆模拟为具有法向和切向作用力的链杆支座的结构力学模型”,可计算出支护结构底脚应力及截面最大应力等值,由此可得出对地基承载力和支护结构强度要求的明确标准,或对改善支护底脚抗力提供数值依据。计算结果表明:系统分布锚杆能极大地降低支护结构的弯矩、轴力内力和底脚应力,从而增强支护结构的承载力和降低基底应力,使变形和沉降得以有效控制。

直接弹性抗力法及其在隧道初期支护结构计算中的应用

为更加直观地证明隧道初期支护具有单独承载能力的事实,提出直接弹性抗力法原理。直接弹性抗力法以拱(圆曲梁)和弹性地基拱(弹性地基圆曲梁)2段函数分别反映拱部支护结构脱离围岩以及侧壁支护结构压向围岩2段结构的内力及位移,能极大地简化计算过程,较为真实地反映隧道支护结构的应力状态;并结合链杆支座拱、铰支座拱模型,分别模拟实际施工的无分布锚杆影响、有分布锚杆影响但锚杆无切向力、有分布锚杆影响且锚杆有切向力3种支护应力状态,比较全面地概括隧道支护施工可能产生的应力状态,充分证明隧道初期支护具有单独承载能力的理论事实。强调“先柔后刚,先放后抗”属于概念,初期支护变形的主要原因是地基承载力不足造成沉降,锚杆锚固力和喷射混凝土早期强度等严重影响初期支护单独承载;再根据隧道支护结构各种可能的应力状态,提出对隧道初期支护结构细节设计的改进建议,如锚杆与钢架的连接、钢架之间的连接、钢架底脚的处理、锁脚管桩、型钢钢架与格栅钢架的组合结构等,通过实践证明隧道初期支护具有单独承载能力的理论。

承担全部设计荷载的隧道初期支护的设计计算方法

针对当前隧道初期支护设计存在不能承担全部设计荷载、以初期支护仰拱闭合的有利结构而不是以仰拱未闭合的最不利结构为最终设计目标而造成结构存在安全隐患以及给不出锚杆锚固力设计值和现场围岩变形很大使得采用岩体力学进行设计初期支护不具备条件的问题,提出按照"荷载-结构"的计算模型,采取结构力学力法对隧道初期支护承担全部设计荷载、对应施工"三台阶"法、对型钢钢架和喷射混凝土按变形协调条件确定各自承担荷载的比例系数、就钢架和喷射混凝土承载能力分别进行计算分析,明确在各部施工时对喷射混凝土强度以及锚杆的锚固力的要求。计算结果表明:1)采取除中心夹角60°范围外其余均匀布置分布锚杆、采用"型钢钢架+分布锚杆+喷射混凝土"支护型式的隧道初期支护完全具有承担全部设计荷载的能力,且仰拱开挖不会威胁支护的稳定; 2)应将锚杆作为支护结构的链杆支座来确定锚杆锚固力; 3)锚杆和喷射混凝土3 h的强度对支护结构的承载能力影响很大。

锁脚锚杆控制隧道初期支护沉降的原理和应用

当前软岩隧道初期支护因沉降变形量大而造成的成本消耗高问题较突出,初期支护底脚作用力与锁脚锚杆抗力不平衡是隧道初期支护沉降的主要原因,其中建立支护底脚与锁脚锚杆之间力的平衡关系是控制隧道初期支护沉降变形的重要前提。以弹性地基梁柱原理和摩擦桩原理来计算分析锁脚锚杆的内力和位移及其与地基的反力关系,以此确定锁脚锚杆的承载能力;通过分析锁脚锚杆对支护结构的柔度,确定其与支护结构的相互影响,进而建立考虑锁脚锚杆对支护结构底脚影响的支护结构力学计算模型,计算其作用于锁脚锚杆端上的作用力作为锁脚锚杆的设计依据;按照上述原理,分析了Ⅴ级围岩当前流行的?42锁脚锚管的不足,并示例计算分析了?108锁脚锚管的承载能力;最后以Ⅵ级围岩风积砂隧道施工的实例来说明“分布式”加强锁脚锚管以及锁脚锚桩控制支护沉降变形的显著效果验证技术的可行性;结论认为软岩隧道初期支护可按照“荷载—结构”原理确定围岩与支护、支护与锁脚锚杆之间的作用力与反作用力关系,达成支护结构之间力的平衡稳定以实现控制支护沉降的目的。

隧道“关门”塌方原因的力学分析及预防对策

为向施工技术管理人员解释隧道初期支护随施工的应力变化规律,进而找出发生"关门"塌方的原因,首先说明"关门"塌方发生时的施工状况,一般采取钢架+锁脚锚杆+喷射混凝土的支护结构,塌方时松散荷载已形成;然后按荷载-结构模型,在初期支护承担全部设计荷载的条件下,通过施工三台阶法对上、中、下3个断面采取结构力学力法分别进行内力计算及承载能力分析。结果表明:在围岩完全松散的极限情况下,上台阶绝对安全,中台阶基本安全,下台阶开挖尤其是仰拱开挖时塌方的风险极高。针对上述问题提出预防"关门"塌方的相应对策。结论认为采取钢架+锁脚锚杆+喷射混凝土的支护形式,支护结构处于极限应力平衡状态,很容易破坏而造成隧道坍塌。

隧道进洞施工简易力学分析方法

隧道进洞采用“导向墙+大管棚”的方法在围岩较好时,存在浪费的问题,而在围岩较差时,存在针对性不足且不够安全的问题。为了解决该问题,采取库仑土压力理论对隧道进洞施工过程中的洞口仰坡土压力进行计算分析,得出洞口端墙是稳定洞口仰坡的重要措施,控制初期支护沉降是洞口段施工的关键。以朗肯土压力原理计算出隧道各级围岩“浅埋等压”埋深,浅埋等压时隧道支护结构处于无弯矩的有利应力状态,而只有侧向荷载作用下的支护结构为最不利应力状态,计算其支护结构最大内力,得出结构的合理厚度,对于外露及接近外露的浅埋偏压支护结构部位采取以增加结构截面厚度为主的措施来应对。偏压状态的实质是正压状态下主应力作用方向的竖向偏转,将偏压初期支护的计算分析简化为正压主应力方向的偏转即可。以工程实例来对照说明“导向墙+大管棚”进洞和“棚洞”法进洞二者的优劣,证明当前隧道进洞方案有很大的优化空间,并以一个具有全、强风化花岗岩地质,具有支护结构外露的显著浅埋偏压的工程实例来验证说明上述技术的优势。本文认为以挡土墙来稳定洞口仰坡是隧道进洞的关键措施,洞口段施工的重点在于控制支护沉降,支护结构外露的浅埋偏压隧道应采取增大外露部位的支护结构刚度的处理措施。

隧道塌方与处理

就锚喷支护过程中隧道塌方事故时有发生的问题 ,从理论上对塌方的原因进行了分析。论述了采用新奥法进行锚喷支护应遵循的原则 ,并结合隧道具体情况 ,介绍了塌方处理的选定、塌方的处理过程 ,指出了其处理效果。

小断面隧洞小直径空眼中深直眼掏槽爆破技术

介绍了采用中深直眼掏槽爆破的施工方案 ,并指出几个关键性的技术问题。主要对小直径空眼中深直径掏槽爆破机理及实施办法作了详细说明。

拉平引水隧洞施工中的通风技术

介绍了拉平引水隧洞的施工过程 ,主要就隧道小断面、长距离通风方案的选择、通风参数的确定及通风机械设备的选型进行了论述。同时强调应采取适当措施以减少漏风率 。