新建超大断面隧道与既有隧道水平净距优化研究

为了更好地研究不同水平净距下新建超大断面隧道开挖对既有隧道的影响,本文采用ABAQUS有限元分析软件模拟了水平净距为5m、10m、15m及20m下超大断面隧道开挖过程,分析不同水平净距下已建隧道围岩变形规律和支护结构力学特性,最终得出:随着新建隧道与既有隧道之间水平净距增大,既有隧道围岩竖向位移减小,水平位移增大,衬砌内力变化规律一致,衬砌拱肩及拱腰安全系数值逐渐增大,建议新建隧道与既有隧道之间水平净距不小于15m。

分岔超大断面隧道变截面衬砌台车设计及施工技术

结合厦门海沧疏港通道工程B标段分岔超大断面隧道特性,针对分岔段隧道变截面二次衬砌施工,系统地介绍了本项目分岔超大断面变截面衬砌台车设计及施工技术,通过采用不同的设计及施工技术措施,缩短台车组装时间,提高衬砌台车的利用率,提升施工效率,降低施工成本。

连霍高速杏花村1号大跨扁平超大断面隧道开挖方案研究

为研究大跨扁平超大断面隧道围岩和支护结构受力变形影响,以连霍高速杏花村1号隧道为工程背景,采用有限元软件FLAC^(3D)对V级围岩进行数值模拟,对双侧壁导坑法和三台阶四部开挖法在隧道开挖时的位移、塑性区、初期支护应力的影响规律进行了研究,提出适用于大跨扁平超大断面隧道不同地质条件下安全经济的开挖方法。对比分析结果表明:隧道开挖时,采用三台阶四部开挖法的隧道拱顶位移、临时支护结构的应力、隧道岩体周边位移较采用双侧壁导坑法大。双侧壁导坑法安全性更高,对围岩位移的控制效果更好,研究成果为今后此类工程的施工提供经验和理论指导。

超大断面隧道临近溶洞围岩突水失稳破坏特征分析

为了研究超大断面隧道临近溶洞掌子面开挖的围岩突水失稳破坏特征,本文以武深高速李洞隧道为背景,利用FLAC 3D数值模拟软件建立了数值计算模型,分别分析了围岩应力、位移、塑性区和涌水量等关键因素随隧道开挖的变化规律,研究了溶洞水压对隧道围岩稳定性的影响规律。研究结果表明:(1)当掌子面距离前方岩溶隧道小于6 m时,掌子面与溶洞之间的围岩应力最大值达到6.32 MPa,掌子面最大位移迅速增大至约200 mm;(2)当掌子面距离溶洞-18 m~-8 m时,隧道掌子面涌水量处于200 m^(3)/h以下,当掌子面距离溶洞-8 m~-2 m时,涌水量迅速增大至7371 m^(3)/h,势必发生突水事故;(3)隧道掌子面最大位移和涌水量均与溶洞水压呈指数式增长关系,掌子面开挖遇前方有溶洞应采取疏水降压以及补强掌子面岩体的措施。

泥岩地层超大断面隧道开挖工法研究

为了研究比选出泥岩地层大断面隧道最优的开挖工法,采用地层—结构法,建立了台阶法、交叉中隔壁法和双侧壁导坑法的施工数值模型,对超大断面隧道施工过程中地层位移场的时空演化规律、围岩塑性区范围分布情况进行研究,得到如下结论:(1)双侧壁导坑法开挖引起的拱顶下沉位移和洞周收敛位移较小。(2)三种工法开挖引起的地表沉降槽均为“U”型,双侧壁导坑法地表沉降位移最小。(3)三种工法开挖时衬砌后方和掌子面后方均会出现一定范围的塑性区,双侧壁导坑法塑性区深度最小。

超大断面隧道软弱破碎围岩渐进破坏过程三维地质力学模型试验研究

为研究超大断面隧道围岩随埋深逐渐增加的渐进性破坏过程,通过大型三维均匀梯度加载地质力学模型试验系统和软弱破碎围岩及其支护系统相似材料的研制,开展大跨度隧道围岩随埋深逐渐增加渐进破坏过程的大比尺模型试验,真实再现全断面和台阶法开挖段周边围岩及掌子面保留段软弱破碎围岩渐进破坏的全过程。首先,以一定范围内埋深(200～1 020 m)的双线大跨度隧道软弱破碎围岩(铁路隧道V级)为研究对象,采用铁晶粉、松香、石英砂、重晶石粉以及聚四氟乙烯棒等原料研制出具有应变软化特性的软弱破碎围岩、初喷混凝土以及锚杆等相似材料,并配以能实现精细开挖和支护施作的微型设备及其配套工艺,通过可实现三面均匀同步加载的大型三维地质力学模型试验台架模拟隧道全断面和台阶法施工的全过程,并采用光纤光栅传感器、电阻式应变计、多点位移计以及微型压力盒全程监测隧道洞壁及其整数倍洞径(0～3倍)范围内围岩的应力、位移以及近区荷载的变化信息;然后,对隧道全断面和台阶法开挖段以及掌子面保留段围岩进行超载试验,按50 m埋深等荷加载改变隧道埋深,直至隧道全断面无支护段围岩开始出现明显破裂特征,然后再按20 m埋深等荷加载缓慢增加隧道埋深,直至隧道全断面和台阶法支护段初喷混凝土大面积破坏脱落。试验结果表明:(1)在埋深不断增加过程中,隧道围岩破坏区域呈渐进扩大趋势,全断面无支护段周边围岩最早发生破坏,然后依次扩展至全断面支护段初喷混凝土和台阶法支护段初喷混凝土,最终破坏区面积顺次由大到小;(2)无支护段围岩破坏区和支护段衬砌结构破坏区均主要集中在拱顶上方区域,是衬砌结构破坏和围岩塌落荷载的主要来源,两侧边墙也存在局部破坏区,自边墙上部至拱角部位破坏程度逐渐加剧;(3)在埋深增加过程中,支护段围岩位移增长率小于无支护段,应力和荷载增长率恰相反,支护结构承载效应明显;(4)超载过程中,围岩的破坏深度不断增加,尤其是拱部呈现动态压力拱现象,据此确定顶部加固范围在理论上具有可行性。研究的方法技术及结果将对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。

超大断面隧道软弱破碎围岩空间变形机制与荷载释放演化规律

为研究不同施工工法和工艺组合条件下超大断面隧道穿越软弱破碎地层的围岩稳定性问题,以兰渝线两水隧道为背景,开展铁路双线隧道在软弱破碎地层中超大断面开挖的大比尺三维模型试验,真实再现台阶法支护开挖、台阶法和全断面毛洞施工的全过程。首先,基于现场较为破碎的千枚岩岩样基本力学参数室内试验结果,以松香、铁晶粉以及聚四氟乙烯棒等材料为原料,研制兼具低强度和弱黏结特性的软弱破碎围岩相似材料和初喷混凝土、锚杆等支护结构的相似材料,在最新研制的可实现三面均匀同步加载的大型三维地质力学模型试验台架上模拟隧道台阶法支护、全断面支护和全断面无支护施工的全过程,并采用光纤光栅传感器、电阻式应变计、多点位移计以及微型压力盒全程监测洞壁及其整数倍(0～3倍)洞径范围内围岩的应力、位移以及近区荷载的变化信息,分析不同施工过程中隧道围岩受力和变形的三维空间演化规律。研究结果表明:(1)软弱破碎低强度和流变特性使围岩变形具有更强的时空效应,同时存在掌子面挤出变形、先行位移和后方位移3个时空演化过程;(2)软弱破碎围岩变形的三维扰动深度一般在3倍洞径内,台阶法支护开挖扰动范围最小,全断面支护开挖次之,但后续长距离推进极易诱发围岩坍塌;(3)台阶法较大断面开挖有利于控制收敛变形,减少10%～25%,沉降变形则相差不大,上台阶开挖过程是拱部围岩垂向荷载的急剧释放期,下台阶开挖是边墙围岩水平荷载的急剧释放期;(4)台阶法支护开挖掌子面前方岩体扰动范围为0.5～1.0倍洞径,多属荷载集聚区,是软弱破碎围岩稳定加固的重点区域和最小边界范围;(5)隧道断面围岩整体荷载释放过程存在3个典型变化阶段,即掌子面附近荷载集聚区、前方荷载弱集聚区和掌子面后方荷载释放区,及时施作支护可有效减弱掌子面前方围岩荷载的集聚程度和荷载峰值,使荷载峰值出现的位置滞后,有利于掌子面及其附近围岩的整体稳定。

超大断面隧道侧向扩挖施工围岩力学特征研究

通过等代圆法将侧向扩挖隧道断面简化为双连通域问题,结合复变函数理论Schwarz交替法推导出了侧向扩挖隧道复应力函数的具体形式,并以深圳横龙山隧道超大异形断面(跨度29.171m,高跨比0.45)侧向扩挖工程为例,通过数值计算对单次扩挖宽度、围岩应力和位移特征展开研究。结果表明:单次扩挖宽度为4m时最为适宜,三次分步扩挖产生的二、三、四次应力状态均有不同程度的变化,最大应力和位移值出现于双洞近接施工段且主洞三次扩挖产生的平均拉、压应力值均大于扩挖洞,拱顶应力限差控制在4%以内,计算结果具有较高的精度。

客运专线超大断面隧道不同工法引起地表变形数值分析

研究目的:通过数值分析方法分析客运专线大断面隧道施工工艺、施工方案的可行性。研究方法:为研究同一围岩条件下隧道开挖而引起地表变形的特性及机理,借助于计算机技术和数值模拟计算,主要介绍了台阶法、CD法的施工工艺及施工方案、建模及计算成果等。研究结果:通过对大断面隧道开挖引起地表变形的数值模拟成果的分析,得出了在同一围岩条件下,采用不同的施工方法开挖隧道引起地表变形的特性和机理,在此基础上提出了相关的施工技术措施。研究结论:客运专线大断面隧道施工工艺繁多,各种工艺在具体应用前必须进行数值模拟计算,使整个隧道过程都处于安全可靠控制范围之内。

全风化花岗岩富水地层超大断面隧道设计技术

研究目的:在艰险困难山区,受铁路车站设置和联络线出岔影响,会出现多线车站隧道和变断面隧道,甚至形成超大断面隧道。当隧道位于软弱浅埋富水地层时,隧道建设存在以下安全风险:地形地质条件差,地下水发育,易坍塌破坏;初期支护受力大,变形控制难度大,存在变形侵限、失稳及塌方风险;隧道需采取多次开挖支护,受力转换困难,支撑拆换安全风险大。鉴于国内外软弱富水地层超大断面隧道实例不多、研究较少,本文结合实际工程,对此问题进行研究。研究结论:论文总结了国内外超大断面隧道修建技术现状,对隧道施工过程中的力学行为进行了分析,制定了隧道的超前支护措施、衬砌支护参数和施工方法,并得出如下主要结论:(1)软弱富水地层超大断面隧道修建难度大,安全风险高,造价高,需结合隧道工程的具体条件制定切实可行的支护措施和施工方法;(2)为控制软弱富水地层超大断面隧道初期支护变形和初期支护措施转换,采用大墙脚基础和多重支护措施是必要的;(3)为控制软弱富水地层变形,超大断面隧道变形及坍塌,应采取强有力的超前加固及掌子面加固措施;(4)该研究成果可为软弱地层超大断面隧道设计、施工提供借鉴。

客运专线超大断面隧道施工过程三维力学分析

客运专线上的隧道开挖断面积在150m2以上,必须选择合适的施工方法才能满足建设需要。对此,文章以Ⅳ级围岩为研究对象,根据隧道埋深的不同,对深埋情况下的台阶法和环形开挖留核心土法、浅埋情况下的CD法和CRD法等开挖方法进行了三维数值模拟;通过对超大断面隧道基本受力规律的分析比较,给出了适合于超大断面隧道的安全、经济、有效的施工方法。

裂隙岩体小净距超大断面隧道围岩非连续变形分析

由于现有隧道规范不足与设计、施工经验匮乏,裂隙岩体中小净距超大断面隧道的围岩稳定性分析与中夹岩柱变形破坏特征及其支护方案优化仍是大型隧道工程建设中遇到的棘手难题。以济南市东南二环绕城高速大岭超大断面隧道为工程依托,通过对掌子面岩体结构信息的精细化描述,获取各评定指标分布概型,并应用Monte Carlo法生成符合围岩等级评价指标分布概型的大量随机数,通过归纳统计获得隶属各围岩亚级分级的概率分布,由此对岩体质量进行了稳健评估。此外,用改进的非连续变形分析（DDARF）法对大岭隧道浅埋小净距段围岩的变形破坏规律及裂隙演化过程进行了数值模拟;以裂隙扩展破碎区贯通与否作为中夹岩柱稳定性的评定依据,分别针对无锚、有锚支护条件下的围岩稳定性状况及变形特征进行了对比分析。结果表明：无锚支护条件下,隧道后行洞开挖对先行洞的裂隙扩展及变形有一定影响,但不明显;而锚杆支护则可显著约束围岩尤其是中夹岩柱的裂隙扩展及贯通,锚杆支护条件下二次扰动后先行洞围岩的裂隙扩展情况、变形破坏特征与单洞开挖无异,且系统锚杆支护与中夹岩柱水平加长锚杆支护对裂隙演化的控制效应无较大区别。研究结果对裂隙岩体中小净距超大断面隧道围岩的支护方案优化有实际指导意义。

超大断面隧道在双层初期支护下的拆撑安全性研究

目前多线隧道及超大断面隧道的修建呈发展趋势。但在施作二次衬砌时,临时支撑的拆除将是整个结构受力转换的薄弱点,故保证拆撑过程中的结构安全具有重要意义。鉴于目前国内外关于超大断面隧道双层初期支护下的拆撑安全性分析仍缺乏系统的研究,文章结合实际工程,采用以数值分析为主,现场实测印证为辅的方式,对新考塘隧道拆撑时两层初期支护的内力演变以及各自的安全性进行了分析,初步证明了双层初期支护对于拆撑过程安全性的控制效果。研究结果表明:(1)在支护厚度和纵向一次性拆撑长度保持不变时,拆撑前后的安全系数表现为:双层初期支护下的二次初期支护>双层初期支护下的一次初期支护>单层初期支护。安全系数的变化幅度表现为:双层初期支护下的一次初期支护<单层初期支护<双层初期支护下的二次初期支护;(2)在支护形式相同时,随着一次性拆撑长度的增加,其安全系数呈现先增大后减小的趋势。根据各工况计算结果,该工程合理的一次性拆撑长度为9 m左右。

不同工法开挖超大断面隧道引起围岩变形机理分析

分析采用不同的施工方法开挖隧道引起地表变形、塑性区分布、地层分层沉降的特性和机理,提出围岩应力释放引起地表沉降是确定隧道施工工艺、工法的理论依据,该项技术在合武铁路客运专线隧道施工中得到初步应用,效果良好。

新人工填筑土地层超大断面隧道施工导致的地表沉降及其控制措施

以贵阳立体交通枢纽工程龙洞堡机场隧道工程为背景,综合运用现场测试、模型试验及数值计算方法,对超厚新人工填筑土地层超大断面隧道施工导致的地表沉降及其控制对策进行研究。基于实测的隧道拱顶沉降,根据既有的计算方法计算拱顶全部沉降;通过室内模型试验和三维数值模拟得到因地层损失引起的地表沉降占拱顶全部沉降的比率;根据拱顶全部沉降和比率计算得到隧道施工导致的地表沉降;再根据实测的地表总沉降,确定隧道施工和土体自身固结分别导致的地表沉降占地表总沉降的比例。结果表明:隧道施工导致的地表沉降是拱顶沉降的35%~36%,占地表总沉降的20%~34%,土体固结导致的地表沉降占地表总沉降的66%~80%,可见土体固结是导致地表沉降的主要因素。由此提出控制地表沉降的主要对策:通过地表钢管桩注浆加固,对土层进行改良;对拱部进行中管棚超前支护;采用大拱脚弧形导坑预留核心土台阶法开挖隧道;设置H175型钢钢架加强初期支护,二次衬砌尽可能地紧跟初期支护施作。

超大断面隧道变截面衬砌台车应力特征

以京张高铁八达岭长城站为工程依托,对超大断面隧道变截面衬砌台车的动态、静态应力进行研究,分析了截面变化对台车不同结构应力的影响规律。通过数值模拟分析台车结构的静态应力特征,利用现场监测分析台车结构的动态应力特征以及变截面对台车结构应力变化的影响规律。结果表明:台车结构静态应力和位移存在不均匀分布现象,各结构呈多变特征,部分结构出现明显的应力集中;浇筑过程中,应力呈现外侧大内部小的规律;台车浇筑区域位于支撑结构上方时应力最大,混凝土凝固过程中台车结构应力基本不变;台车截面由小至大变化时,各结构应力增大,其中拱肩丝杆是应力变化最大的构件。

桥隧相接条件下超大断面隧道的设计

在桥隧相接的条件下,为适应现场的地形地质条件,采取了将原设计的连拱隧道变更为超大断面单跨隧道的应对措施。针对这种矢跨比仅为0.35、内净空面积达327.54m2的地下结构,从设计和施工的角度,通过数值模拟,确定了支护参数和开挖工序。

客运专线超大断面隧道现场监测分析研究

石太客运专线南梁隧道喇叭口段,最大开挖跨度为23.3 m,高度为16.0 m,开挖面积为300 m2,属超大断面铁路隧道。结合南梁隧道喇叭口段工程,开展了系统、全面的监控量测,并根据实测数据,深入分析了支护压力、支护应力的规律及特征,及时将信息反馈给设计与施工,为隧道设计施工提供了技术支持。

复杂周边环境下浅埋超大断面隧道施工技术

重庆轻轨一期工程临江门车站隧道位于重庆市渝中区最繁华的解放碑商业街下 ,隧道埋置于坚硬岩层中 ,采用钻爆法施工。该隧道具有浅埋、超大断面、地面高层建筑林立、地下既有人防洞室交错、环境要求高、施工技术难度较大等特点。研究采用双侧壁导坑台阶法开挖及喷锚支护、综合微震爆破、钢模板台车全断面衬砌、监测反馈等技术 ,安全顺利建成了该隧道 ,施工效率较高 ,质量优良 ,且地表没有沉降 。

跨断层施工中超大断面隧道的稳定性

为提高超大断面隧道施工通过断层破碎带时的稳定性,以实际工程为依托,基于有限差分软件FLAC^(3D),建立三车道超大断面隧道施工通过断层破碎带的数值计算模型。提取有断层和无断层模型中的相关数据,分别计算得出拱顶沉降指标R_1和周边收敛指标R_2指标的数值,确定断层破碎带的影响区,分析了断层倾角和厚度的变化对隧道稳定性的影响。结果表明:当断层倾角从75°变化到30°时,影响范围沿隧道轴向的长度增加了3.7倍;当断层厚度从6 m增加到12 m时,影响范围沿隧道轴向的长度增加了2倍。上述量化的影响范围对穿越断层的超大断面隧道的精准设计和施工具有参考价值。