铁路隧道近接工程变形控制标准梳理及工程防护措施研究

随着交通强国战略的持续推进,人们对出行的品质要求越来越高,轨道交通已成为新型城镇化和城市化地区高质量发展的命脉。尤其是城际铁路、市域铁路、地铁等,其主要走行于城区,且以地下敷设为主,形成大量城区隧道。由于城区环境复杂,隧道工程不可避免地上穿、下穿或侧穿既有铁路、地铁、公路、城市主干道、高层建筑等对变形敏感的既有建(构)筑物(以下简称“近接工程”)。如何保障近接工程在隧道施工期间的正常使用和安全,以及如何合理确定近接工程变形控制标准,是城区隧道工程建设的重点、难点和控制点。本文按近接铁路工程、公路工程、城市轨道交通工程、地下管线等进行分类,系统梳理相关行业标准,研究提出不同环境下隧道的保护范围及要求、施工期间相关近接工程变形控制标准。同时基于控制标准,并结合工程经验,提出一套相对完善的近接工程设计、施工建议措施:勘察阶段应查明工程周边环境情况及场地地质条件;设计阶段在合理布置线路方案、预留足够安全净距的基础上,采用合理的工法和可靠的支护结构体系,设置有效的隔离、保护、加固措施;施工阶段加强超前地质预报和监控量测,并制定完善应急预案。

穿越充填溶洞隧道加固方案优化研究

在岩溶地区建设高速铁路隧道,隧道开挖过程中会遇到岩溶空腔和低承载力充填物等问题,采取超前预加固措施至关重要。文章介绍了针对大型低承载力充填溶洞的两种预加固方案,其中大管棚预加固方案使用热轧无缝钢花管进行加固,通过注浆和充填钢管的方式增强围岩强度;小导管预加固方案则通过安装小导管并进行注浆压密,提高岩体的稳定性和密封性。

特大跨度四线深埋隧道施工工法研究——以乌蒙山2号出口车站隧道为例

针对特大跨度四线铁路隧道,其开挖面积相当于6倍普通单线铁路隧道,开挖成洞难度大,尚无成功先例。以六(盘水)沾(益)铁路乌蒙山2号出口四线车站隧道工程为背景,通过数值模拟和现场监测,开展特大跨度隧道施工工法研究。研究结果表明:1)通过"撑索转换",即利用"外锚"替换"内撑",实现拱部临时支撑的安全拆除,降低拱部支护体系转换过程中的施工风险,并且突破传统软岩隧道施工中拆撑步长、跳拆等限制,提高了拆撑安全性及灵活性,同时为后续施工提供了较大的工作面。2)通过"以索代撑",即利用锚索取代临时横撑,避免临时撗撑拆除风险,使得开挖更加灵活。3)采用三台阶"撑索转换"及"以索代撑"施工工法,实现了特大跨度隧道台阶法施工。

地下隧道施工对相邻建筑物及地表沉降的影响

地下工程或地下洞室的修建会使周围一定范围内的既有建筑物受到影响,对地面产生变形。本文基于黄土地层模型,采用邓肯-张的非线性弹性本构关系,考虑了隧道施工开挖过程中的支护、衬砌的影响,运用同济曙光分析软件,对黄土场地的地下隧洞埋深及其与邻近建筑物的距离对地表沉降的影响进行了数值分析,得出了有关规律性和有益的结论,可为黄土地区的地下工程建设提供一定的参考。

不同溶洞力学模型影响的数值仿真分析

我国岩溶分布广泛,安全穿越岩溶段是岩溶隧道施工的关键。根据不同空间溶洞的影响,将岩溶对隧道影响问题分为新近溶洞和古溶洞两大类。根据此两类问题的特点,适当地简化分析问题,建立了相应的力学模型,分析有关问题。结果表明,在不同洞径条件下,新近溶洞和古溶洞对围岩应力的影响一般小于10%。

多线铁路大跨度隧道围岩压力研究

围岩荷载的确定是进行隧道工程衬砌结构设计的关键。现行铁路隧道规范中深埋隧道围岩荷载计算公式是根据单线铁路隧道施工塌方的调查统计资料建立起来的统计经验公式,多年来,对于指导单、双线铁路隧道的结构设计起到至关重要的作用,但用于指导当前三线,特别是四线铁路隧道时,就显得无能为力了。提出一种合理的适合于三线、四线甚至更大跨度的铁路隧道的围岩荷载计算方法,提出考虑围岩变形全过程的"统一围岩压力曲线",并基于贵昆铁路六盘水至沾益段增建二线上的乌蒙山2号四线车站大跨度隧道,开展现场试验,对围岩压力进行监控量测,结合统一围岩压力曲线,提出竖向围岩压力计算公式q=Kγha。

大跨度四线铁路车站隧道内轮廓研究

对于大跨度四线隧道,相比传统单、双线铁路隧道,其开挖跨度及开挖面积要大得多。一方面,为提高隧道空间的利用率、降低工程成本,其断面形式将更加扁平,开挖后的应力重分布状态恶化,增加了隧道结构设计和施工的难度。反之,单纯从受力考虑,衬砌结构宜采用近圆形的内轮廓,导致空间利用率降低,开挖量及圬工大幅度增加,势必产生浪费,增加成本。基于贵昆铁路六盘水至沾益段增建二线上的乌蒙山2号四线车站大跨度隧道,在满足建筑限界及相关作业要求条件下,在技术可行、经济合理的范围内,通过对大跨度四线隧道不同扁平率洞室的围岩应力、位移及塑性区,衬砌结构的承载力及经济性对比等进行研究,以确定经济合理的衬砌内轮廓及其扁平率范围,为特大跨度隧道衬砌内净空拟定提供参考与指导。

基于压力拱理论的大跨度隧道深浅埋划分研究

我国现行铁路隧道设计规范对深浅埋的界定采用统计法,这种统计方法没有充分考虑围岩自承载能力,统计样本数有限,统计隧道的跨度较小,其统计样本91.6%都在5~10 m宽度的隧道内取得,对于三线、四线以及更大跨度的隧道显得无能为力。基于压力拱理论,以拱顶主应力发生偏转为判据,确定隧道深浅埋临界埋深,提出拟合公式。为以后大跨度隧道深浅埋划分提供有益的参考。

4线车站浅埋隧道施工过程中锚杆受力特性研究

针对大跨大断面隧道,若按传统设计,锚杆长度及环、纵向间距等参数沿拱墙范围不变,势必产生浪费,增加成本。为了解特大跨大断面浅埋隧道分部开挖施工过程中锚杆的受力变化特征及各部位最终受力状态,以六(盘水)沾(益)铁路乌蒙山2号4线车站隧道工程为背景,采用数值模拟和现场测试方法,开展分部开挖系统锚杆轴力分布特点研究。研究结果表明:1)锚杆受力大小与部位相关,不同部位的锚杆轴力差异显著,边墙部位锚杆轴力>拱肩部位锚杆轴力>拱顶部位锚杆轴力。2)基于锚杆受力特征可知,系统锚杆可采用不等参支护。3)大跨大断面隧道采用系统锚杆不等参支护,既经济又可节省工程建设时间。

关于铁路隧道仰拱与填充整体浇筑的探讨

为探讨隧道仰拱及仰拱填充整体浇筑的可能性,解决仰拱与仰拱填充分开浇筑与整体浇筑的争论,采用数值计算手段,建立荷载-结构模型,针对填充体不设置中心沟(管)、设置中心管、设置中心沟3种情况,分析仰拱填充不同浇筑时机对衬砌结构受力性能影响差异。研究结果表明:1)当仰拱填充内不设置中心管(沟),仰拱填充与仰拱整体施作,基本不影响衬砌结构受力性能;2)当仰拱填充内设置中心管,仰拱填充与仰拱整体浇筑,对衬砌结构受力性能影响较小,但填充表面中心处拉应力较大,为分开浇筑工况的7倍以上,加之中心管上部填充体厚度较薄,对抗拉不利,易开裂破坏,仰拱不宜与填充整体施作;3)当仰拱填充设置中心沟,仰拱填充与仰拱整体浇筑,对衬砌结构整体受力较为不利,不宜整体施作。

隧道开挖对桩基影响的有限元分析

基于黄土地层情况，采用邓肯～张的非线性本构模型，运用同济曙光程序软件，建立了隧道、桩与土相互作用的二维有限元模型，讨论了黄土地层中盾构隧道开挖对邻近桩基础的影响规律。

岩溶隧道衬砌疏水型箱式隧底结构研究

近年来,黔桂、广昆、沪昆等铁路隧道运营期间发生了若干起边墙开裂、仰拱隆起、无砟道床变形等水害事件,直接影响着衬砌、轨道等结构的正常使用功能及耐久性能,严重的病害则直接威胁着铁路隧道特别是高速铁路隧道的正常运营安全。为有效降低复杂岩溶地区隧道工程的水害风险,通过调研目前铁路隧道主要水害类型,分析现行衬砌排水系统存在的问题,提出一种适用于岩溶隧道的新型衬砌结构,通过建立有限元模型,对衬砌结构受力进行对比分析。主要结论如下:(1)研究提出的“疏水型箱式隧底衬砌”,具有“隧底开挖施工方便、不良地质适宜性强、排泄路径直接、隧底泄水快、排水断面自由度高、泄水能力强”等特点,能充分满足复杂岩溶隧道受力及排水的需求;(2)同现行仰拱型衬砌结构相比,在不增加结构厚度及配筋的基础上,疏水型箱式隧底衬砌结构受力更为均衡。

黄土地层盾构隧道开挖对地表沉降影响的有限元分析

基于黄土地层,采用邓肯-张非线性弹性本构模型,考虑盾构隧道开挖过程对周边建筑物的影响,建立了盾构隧道衬砌与土体相互作用的有限元计算模型.对黄土地层中盾构隧道外径和埋深及其与邻近建筑物的距离对地表及相邻建筑物沉降的影响规律进行了数值分析,结果表明:在相同盾构外径下,地面沉降随隧道埋深的增加几乎呈线性减小趋势;在相同隧道埋深下,地面沉降随盾构外径的增加几乎呈线性增大趋势;无论盾构外径如何,隧道顶部及相邻建筑物处的地表沉降值均随隧道和建筑物水平距离与盾构外径比的增大而减小,也随隧道埋深的增大而减小.文中给出了受沉降影响较大的范围,可为地下工程施工时对周边建筑物及地基采取加固措施提供理论依据,并为西部地区的地下工程建设提供参考.

大跨度四线铁路隧道的围岩稳定性分析

采用理论分析和数值模拟手段,开展跨度对围岩稳定性的影响规律研究。结果表明,在开挖后仅出现弹性二次应力状态条件下,单纯的增加隧道开挖跨度而不改变断面形状对围岩应力状态影响不大,但若开挖后形成塑性区,则即使不改变断面形状,单纯加大开挖跨度也会大大增加塑性区半径,影响围岩稳定。通过对乌蒙山2号四线铁路隧道深、浅埋工况毛洞破坏模式的对比分析,建议浅埋工况支护以刚度要求为主,减小释放,控制沉降,深埋工况支护以强度要求为主,适当释放,变形可控。

基于应变空间硅藻质软岩的软化本构模型

三轴试验结果表明,软岩具有显著的应变软化特征。正常固结软岩表现为峰值后较缓的软化特征,而超固结软岩峰值强度后的应力-应变曲线呈陡降软化特征。应变空间表述的弹塑性理论在解决大应变和软化问题时比应力空间表述的弹塑性理论更具有优越性。基于应变空间的基本的弹塑性本构方程式,采用Mises剪切屈服准则及相关联流动法则,导出固结不排水三轴条件下的应力-应变本构关系式,并采用不同的硬化函数表达式对软岩在不同围压下的应力-应变曲线进行数值模拟。结果表明,应变空间的弹塑性理论能较好地模拟软岩应变软化特征б其中硬化函数的确定是关键问题之一。通过研究,提出了用于固结不排水状态下正常固结软岩的硬化函数形式。

成贵高铁玉京山隧道巨型溶洞顶板防护技术研究

成贵高铁玉京山隧道穿越巨型溶洞,溶洞顶板处有大直径不稳定楔形体,为防止施工过程中隧道顶部出现掉块和坍塌,提出采用涨壳式中空注浆锚杆与低预应力全黏结型锚索联合加固溶洞顶板的治理措施。采用有限元软件分别建立顶板无支护、仅设置锚杆支护及锚杆和锚索联合支护3种工况下围岩的三维数值模型,同时考虑支护滞后时顶板围岩的加固效果,通过数值模拟结果对比分析不同工况下锚杆、锚索轴力的变化规律及围岩位移、塑性区的分布规律,并提出一种有效的顶板防护措施。结果表明:1)锚杆和锚索及时支护可以有效控制顶板不稳定围岩的位移、塑性区发展,达到较好的加固效果;2)在仅设置锚杆的基础上及时施加锚索结构可以显著降低锚杆的轴力,避免锚杆因轴力太大而破坏;3)采用涨壳式中空注浆锚杆与低预应力全黏结型锚索结构对玉京山隧道溶洞顶板进行加固可以保障隧道施工安全。

多部开挖系统锚杆轴力分布特点研究

本文以乌蒙山二号四线铁路隧道为工程依托,采用数值模拟和现场测试手段,开展多部开挖系统锚杆功效及轴力分布特点研究。研究结果表明:基于依托工程施工工法和计算条件,系统锚杆轴力呈现"拱肩(①②部)>拱脚(④⑤部)>边墙(⑥⑦部)>拱顶(③部)"的分布;拱顶锚杆轴力甚小,基本未起作用;拱肩部位锚杆轴力最大,作用明显。通过跟踪相应路径的围岩变形深表比,可以得出锚杆受力与锚杆施作后实际捕获的围岩相对变形(深表比)密切相关,从某种意义上来说,锚杆轴力大小表现为"施作部位(空间)"和"施作先后(时间)"的乘积关系,施作部位决定可能的相对变形,施作时间决定实际捕获的有效相对变形,只有当两因素同时起正面作用时,锚杆轴力才会显大。现场实测锚杆轴力分布特点与数值模拟结果较为吻合,实测最大值为58.1kN。

反应位移法在铁路隧道设计中的应用

当前针对地下结构的抗震设计分析方法有很多,但各种方法均存在一定的局限性,如目前铁路隧道抗震采用地震系数法也并不能准确反应隧道的地震力响应规律。反应位移法作为日本等国家采用的抗震设计方法在地震力分析时具有一定的优越性,通过其与当前设计方法的计算对比,可以为我国铁路隧道抗震设计提供借鉴。

某高原铁路桥隧过渡段穿越不稳定斜坡体整治技术研究

对某高原铁路桥隧相连工程穿越不稳定斜坡体进行研究,分析了斜坡体失稳的原因,基于传递系数法分别计算其天然工况下和地震工况下的坡体稳定系数以判定坡体的稳定性,并求得坡体推力。结合计算结果,对该斜坡体采取抗滑桩、桩间土钉墙和桩顶锚索等综合整治措施,有效提高了斜坡体的稳定性,保证了工程安全可靠,为工程设计和施工提供了经验。

渝昆高铁特长隧道群合、分修方案比选

渝昆高铁长度大于20 km的特长隧道有两座,且两座隧道相距较近,文章对该两座隧道采用合修及分修方案分别进行了研究,对影响范围的站前、站后工程,从工程规模、工程建设、运营安全、工程投资等方面进行了系统研究比较,为渝昆高铁勘察设计阶段线路方案的确定提供了有利的支撑,对其他铁路项目建设具有较高的指导性意义。