西延高铁长大复杂隧道建造关键技术

针对新建西延高铁隧道数量多、地质条件差、施工环境复杂等特点,采取理论分析、室内试验、现场监控量测、数值模拟以及专家咨询等手段,展开典型长大复杂隧道建造关键技术研究,形成了较为完整的西延高铁隧道建造关键技术,主要包括:浅埋软塑黄土隧道变形控制技术、全断面大型机械化配套快速掘进技术、缓倾层状围岩隧道特殊支护技术、微弱振动非爆掘进技术和机械化作业空间布设调整技术措施等,推动软弱围岩隧道机械化、信息化、智能化建造技术升级,为西延高铁安全顺利施工提供重要保障和支撑。

软塑黄土层对浅埋黄土超大断面隧道围岩变形的影响

为解决在建西延高铁洛川隧道长大距离穿软塑黄土层施工中存在的问题,进行围岩变形数值模拟分析,建立三台阶预留核心土法施工模型,软塑黄土层分布在拱顶、边墙、拱底时,不同层厚(1、3、5 m)对拱顶下沉及拱腰收敛变形产生影响,结合监控量测数据提出合理的变形控制措施。研究结果表明:(1)对软塑黄土层不同分布以及不同厚度工况下围岩位移进行对比,发现软塑黄土层的存在增大了围岩位移,软塑黄土层分布较其厚度影响更明显,当软塑黄土层位于隧道拱顶上方且厚度为5 m时,影响最大。(2)浅埋软塑黄土隧道在超前管棚作用下,围岩竖向位移与水平位移相较于无管棚超前支护时位移减小,在穿软塑黄土层施工时要及时做好防护。(3)拱顶下沉及拱腰收敛随开挖均呈断崖式急剧变形、持续缓慢变形和变形趋于平稳3个阶段。因此,实际施工时应及时开展开挖初期急剧变形阶段的变形控制,并加强围岩监控量测。

软塑黄土隧道设计技术优化研究

针对软塑黄土隧道存在围岩软弱、含水率高、自稳能力差等工程难题,依托南窑隧道对软塑黄土地层物理力学参数和支护结构内力分析,从洞口工程、支护设计、隧道降排水、基底处理、施工工法这五个方面优化设计思路和处治方法,为软塑黄土隧道工程设计提供项目参考。

黄土塬区高铁隧道软塑基底袖阀管注浆技术加固特性研究

袖阀管注浆技术以其造价低、净空受限小、加固效果好等优点广泛应用于沿海、沿江软基处理工程中;然而,黄土塬区高铁隧道软塑基底加固机理及静、动荷载作用下力学响应特性研究仍相对较少。依托银西铁路黄土隧道软塑基底加固实际工程项目,建立袖阀管注浆加固黄土塬区高铁隧道软塑基底数值模型,通过针对黄土地区隧道现场结果的对比分析,验证本文所建立的数值模型的准确性与可靠性;续而,着重开展静、动荷载作用下未加固地基与加固后地基的力学响应特性,并对加固效果进行对比分析。研究结果表明,仰拱中心点在袖阀管注浆加固前/后沉降值分别约为100 mm和0.18 mm;袖阀管注浆后基底极限承载力提高了67%;动荷载作用下袖阀管注浆加固后土体振动明显减弱,且随着加载幅值、加载频率、加载时间的增大而增大。

银西高铁董志塬地区黄土工程特性分析研究

研究目的：银川至西安高速铁路在平面上自南而北纵贯被誉为“天下黄土第一塬”的董志塬，在纵断面上因上塬下塬自下而上和自上而下两次贯穿董志塬巨厚原生黄土层，董志塬地区黄土的工程特性成为该段银西高铁建设的重点控制因素。本文通过对银西高铁董志塬段大量综合勘探试验资料的统计分析研究，阐明董志塬段的黄土工程特性和存在的主要工程地质问题，提出合理的应对措施，以期为黄土塬地区铁路建设提供借鉴。研究结论：（1）董志塬原生黄土层分布巨厚，达150-200m，其中表层湿陷性黄土厚15-23m，具Ⅱ-Ⅳ级自重湿陷性；（2）银西高铁董志塬段黄土的物理力学性质存在明显的南北差异及垂直差异：越靠近北部，黄土的天然含水量越低，塑性指数越小，湿陷性越敏感，湿陷等级越高；深度越大，黄土的孔隙比越小，天然密度越大；（3）黄土湿陷性、软塑状黄土及黄土冲沟的地质灾害是银西高铁董志塬段存在的主要工程地质问题，通过合理的地质选线和工程处理措施可以有效地加以解决；（4）该研究成果可为黄土塬地区其他工程建设提供工程经验借鉴。

银西高铁软塑黄土隧道地表降水试验研究

银西高铁驿马一号隧道穿越黄土含水层,洞身黄土以软塑为主,施工中出现了渗涌水、隧底软化、黄土含水率增高、掌子面失稳、围岩稳定性变差等问题。为解决隧道施工中遇到的难题,首次在软塑黄土隧道中开展了地表超前降水试验研究。结果表明,地表降水能够疏干洞身范围内的地下水,减小股状涌水的风险,降低洞身地下水压力;降水后黄土含水率由34.4%降到27.2%,液性指数从0.84降到了0.6,改善了黄土的物理性质,提高了黄土的围岩稳定性;洞内监控量测结果表明,地表降水后隧道拱顶沉降累积量和变形速率明显降低,地表降水效果明显。

软塑黄土地区隧道仰拱热力响应特性现场试验

能源隧道是基于地源热泵技术的一种集隧道防冻、取暖于一体的绿色、经济且高效的浅层地温能利用技术。依托银西高铁黄土地区隧道,在隧道仰拱内铺设换热管,实测了换热系统进/出口水温及仰拱的温度、应力等变化规律,初步探讨了不同输入功率条件下,软塑黄土地区隧道在地源热泵系统运行过程中的热力响应特性及隧道结构热响应规律。研究结果表明,输入功率为0.5 kW和1.0 kW时,仰拱温度升幅分别约为4.2℃和7.1℃;随着水温升高,仰拱温度在较短时间内变化不明显,当热传播路径稳定后,最终均呈现为线性关系;温度变化引起的隧道仰拱轴向应力增量大于环向应力增量,输入功率为0.5 kW和1.0 kW时,轴向应力分别是环向应力的1.15倍和1.29倍。

地下水对董志塬黄土隧道工程性质的影响分析

地下水对新建隧道工程具有诸多不良影响,通过现场调研和资料整理,对董志塬区黄土地层性质和地下水分布特征进行系统总结,分析董志塬地下水对银西高铁隧道工程的影响。结果表明:(1)董志塬区黄土物理力学性质随地层岩性、位置和地下水位变化存在一定的差异性,含水率和液性指数从塬边南部向塬边北部依次减小,孔隙比和压缩模量从塬边南部向塬边北部依次增大;(2)董志塬区地下水位埋深在塬心浅而塬边深,北塬地下水位埋深略比南塬深;含水层厚度则在塬心比较厚,而向塬边逐渐减小;(3)董志塬区地下水对银西高铁黄土隧道工程的主要不良影响有:引发黄土湿陷性;形成软塑状黄土;导致隧道管涌、涌水、塌方、冒顶事故等。

Q2软塑黄土二元地层大断面隧道变形特征及现场监测分析

依托银西高铁上阁村隧道,基于室内试验、数值计算、现场监测、等手段,分析"上硬下软"二元地层下隧道围岩位移演化规律,揭示隧道围岩变形特征。结果表明:随着软塑黄土层的下移,拱顶累积沉降量逐渐减小并趋于稳定。当软塑黄土分布于边墙时,围岩软弱,软塑黄土变形量大,变形时间长。当软塑黄土分布于隧底时,隧底围岩隆起值及下台阶水平收敛较大。随着隧道穿出软塑黄土层,净空收敛逐渐减小并趋于稳定。

银西高铁特殊地层隧道修建技术研究与应用

银西高铁是我国穿越黄土地层最厚和穿越黄土地层段落最长的有砟高速铁路,线路需穿越黄土古土壤层、红黏土膨胀地层、软塑黄土夹层带及高含水率黄土层等各类特殊软弱地层,特殊地层给隧道建设带来极大困难。基于理论分析、模拟试验及现场验证等方法,对复杂黄土隧道的结构设计、支护措施、软塑黄土改良技术及施工工法等关键技术展开研究并取得相应成果。实践证明,这些成果的应用极大保障了隧道工程的顺利进展,同时也提升了我国高速铁路隧道的建设水平。关键技术成果可为类似工程提供参考和借鉴。

水平旋喷在饱和粉细砂围岩中的应用

水平旋喷利用高压射流浆液破碎围岩并通过旋转搅拌将水泥浆与围岩充分混合搅拌,形成柱状固结体,解决注浆无法达到充分渗透处改善围岩的目的。文章通过分析水平旋喷桩施工难点及适用地质条件,并介绍孔口止水装置在旋喷施工中的应用,以及解决跑浆塌孔断桩现象,为软流塑饱和粉细砂围岩提供有效的施工参考。

软塑状土质隧道施工技术

通过对神延铁路羊马河隧道 DK437+ 60 0～ DK437+ 682长 82 m、七楞山隧道DK42 8+ 5 5 0～ DK42 8+ 4 71长 79m的软塑状黄土、羊马河隧道 DK438+ 349～ + 380长 31 m土质隧道塌方段的施工 。

富水黄土隧道施工过程围岩水分迁移规律研究

为了给富水黄土隧道施工提供指导,依托银西高铁上阁村隧道,通过现场监测得到典型断面上覆软塑黄土层隧道水分迁移的基本规律;通过室内试验建立了围岩孔隙比与围岩渗透系数、围岩含水率与围岩强度的关系式,利用FLAC^(3D)内嵌的FISH语言进行相应编程,对土体单元赋予动态渗透系数,实现了流固耦合作用下的隧道开挖模拟,并结合现场监测数据验证了该数值模拟的可靠性,最后基于16种工况的模拟结果,揭示了上覆软塑黄土层距隧道拱顶不同距离下隧道开挖卸载过程中围岩水分迁移规律。结果表明:在开挖扰动下隧道上覆软塑黄土层中水分由黄土层底部向隧道临空面迁移,最终累积于隧道底部,且水分迁移始于掌子面开挖,滞后于初支封闭;当拱顶与软塑黄土层底部距离0 m≤h≤4 m时(h为隧道拱顶与软塑黄土层底部间距),位置水头和压力水头的变化引起洞周水分迁移,水分迁移速度快、迁移量大,隧道仰拱封闭前,水分易侵入临空面;当5 m≤h≤8 m时,位置水头的变化引起洞周水分迁移,水分迁移速度慢、迁移量小;当h>8 m时,无明显水分迁移;当0 m<h≤4 m时,各部位含水率稳定值均较高,仰拱及拱脚约为28%,拱腰及拱顶约为25%,含水率呈上小下大分布;当4 m<h<8 m时,随着h增加,各部位土体含水率稳定值开始减小;当h≥8 m时,随着h增加,各部位含水率稳定值基本相同且保持不变。

基于实测数据的穿越软塑黄土层大断面隧道围岩与支护动态作用机制

选取软塑黄土层分布于隧道拱顶、洞身和隧底3组典型断面开展实测研究,分析了软塑层影响下的围岩变形特征、支护结构力学特征及其差异性,提出了基于实测数据确定支护特性曲线的方法,揭示了软塑黄土层影响下的围岩与支护动态作用机制,给出了相应的防控理念及措施。分析结果表明:隧道围岩变形由大到小依次为软塑黄土层分布于拱顶段、洞身段和隧底段;软塑黄土层分布于拱顶段支护结构拱肩和边墙脚、洞身段拱腰及其以下位置、隧底段拱部和仰拱承受较大围岩压力作用;支护结构承受主要荷载来压方向不同、围岩应力随开挖步序释放率不同及地下水渗流路径不同是3组断面支护结构应力存在差异的直接原因;软塑黄土层分布于拱顶和洞身段时,围岩超前应力释放率约为35%,上台阶开挖支护结构力学性能迅速恶化,软塑黄土层分布于隧底段时,下台阶开挖软塑黄土层对支护结构将产生显著影响;针对上述3类工况,提出的强支护、控侧压和防突沉的防控理念及超前帷幕注浆、大锁脚和基底袖阀管注浆等施工控制措施可有效避免施工灾害的发生。

软塑黄土二元地层隧道变形特征及监测分析

当隧道斜向上穿越软塑黄土夹层时,隧道拱部逐渐脱离软塑黄土层,使得围岩处于"上硬下软"的二元地层状态。由于软塑黄土含水率高、稳定性差、承载力低,使得大断面隧道在这种二元地层下的变形特征不尽相同。本文依托银西高铁上阁村隧道,基于室内试验、数值计算、现场监测等手段,分析"上硬下软"二元地层下隧道围岩位移演化规律,揭示隧道围岩变形特征。结果表明:随着软塑黄土层的下移,拱顶累积沉降量逐渐减小并趋于稳定;当软塑黄土分布于边墙时,围岩软弱,软塑黄土变形量大,变形时间长;当软塑黄土分布于隧底时,隧底围岩隆起值及下台阶水平收敛较大;随着隧道穿出软塑黄土层,净空收敛逐渐减小并趋于稳定。

隧道穿越软塑性黄土地段施工技术研究

隧道通过软塑黄土层及地下水影响段,开挖后土体遇水迅速软化,导致掌子面稳定性变差,施工进度缓慢,易发生变形和隧道塌方等工程事故。为保证隧道在软塑黄土层及地下水影响段的施工安全,消除可能造成的工程病害,以西银客专上阁村隧道穿越软塑黄土层及地下水影响段施工为例,现场采用地表降水、地表深孔注浆、洞内帷幕注浆、基底注浆加固等工程辅助措施,有效地解决了施工时遇到的黄土裂隙和裂隙水等问题,极大提高了围岩稳定性,确保隧道安全、快速通过软塑黄土层。

软塑性黄土隧道斜井挑顶施工技术研究

隧道斜井与正洞交叉口挑顶施工是工程质量与安全控制的薄弱环节.文章针对银西高铁上阁村隧道斜井与正洞交叉口的沉降变形问题,结合软塑性黄土地层水敏性高、承载能力低等特点,分析了交叉口挑顶过程中出现支护变形过大的原因,提出了'抗压衬砌+门架'支护措施,并开展了现场实际工程应用.监测结果表明'抗压衬砌 +门架'支护措施有效地控制了斜井挑顶施工拱部沉降变形,避免了交叉口薄弱段突发坍塌的风险,适用于软塑性黄土地层隧道斜井与正洞交叉口挑顶施工支护,研究结果对类似工程具有一定的借鉴与指导意义.