隧道预切槽法合理支护时机及管片接头结构研究

预切槽法是隧道暗挖施工的一种超前支护工法,此工法可大幅度降低地表沉降量,对隧道围岩土体及地表建(构)筑物影响较小。采用室内试验和数值模拟的方法,针对浇筑预切槽管片所用混凝土的前期强度、合理支护时机以及预切槽管片接头处合理的接茬方式进行了研究。研究结果表明,按C30配比的混凝土养护1.5~2 h时即具有6 MPa以上的抗压强度,满足拆模要求;粘接介质对管片环向位移的约束效果明显,环氧树脂可作为优良的管片粘接剂;榫槽式接头榫头角度α的理想范围为55°~70°,综合考虑预切槽工艺的可操作性,榫槽式接头深度B的理想范围为6~8 cm。

预切槽法在浅埋暗挖下穿公路段隧道工程中的应用

院随着地下空间应用的日益广泛,隧道工程项目对地表沉降量的要求逐渐提高。因此,为保证地表沉降量能得到有效控制,满足复杂地层条件下的施工要求,保证隧道施工安全,可以应用预切槽法。鉴于此,文章即以某隧道下穿机场高速公路的浅埋暗挖段项目为例,对预切槽法在浅埋暗挖下穿公路段隧道工程中的设计进行深入分析,并结合具体情况探讨预切槽法应用的可行性。通过最终的效果来看,预切槽法在浅埋暗挖段的应用具有较强的可靠性和安全性。

预切槽对钻孔内撑式破岩的定向引导机制研究

在非爆破岩石开挖当中,有时需要精准控制破裂面的延伸方向,以便实现破裂面的定向控制。对于钻孔内撑式破岩,室内试验表明,预制切槽可有效控制破裂面的延伸方向,是实现破裂面定向控制的有效手段之一。针对预切槽对岩石破裂面定向控制的深层次机理,采用MIDAS GTS NX对此问题进行模拟分析。模拟结果表明,当孔口设置预切槽后,在预切槽端部出现了明显的应力集中现象,且集中后的最大主应力为拉应力;在预切槽端部最先产生张拉裂缝,且张拉裂缝的方向与预切槽方向相一致;张拉裂缝形成后,裂缝的尖端也出现了与预切槽端部相同的应力集中特征,从而引导裂缝沿着预切槽的方向进一步扩展并最终形成预期的宏观破裂面。

隧道预切槽机及其施工方案探讨

介绍了隧道预切槽施工技术的特点,在预切槽机取得阶段性研究试验成果的基础上,提出预切槽机和超前混凝土支护的施工工艺、施工作业循环组织、机具配套方案.

隧道预切槽施工法与机械

传统的钻爆法全断面隧道施工作业程序是钻孔、爆破、开挖、出碴、锚喷支护、衬砌二次支护 ;预切槽法则是周边切槽、注浆支护、开挖、出碴、二次支护。

预切槽链刀切削温度场分布特性

为了研究预切槽设备切削过程中链刀的温度场特性,基于传热分析理论,运用了ABAQUS软件建立链刀切削岩土介质的有限元模型,对其温度场进行瞬态仿真,研究不同切削速度以及切削深度下链刀的温度场分布。同时,在链刀切削性能测试试验台开展链刀切削岩土试验,并利用红外线温度测温仪对链刀切削温度进行测量,以验证预切槽链刀的温度分布特性。仿真结果表明:切削岩土时,在刀刃前方和下方温度变化明显,刀尖部分温度最高,整个温度场由刀尖部分向刀内梯度减少;当切深一定时,速度越大,刀尖处的温度越高;当切削速度一定时,切深越大,刀尖处温度越高;切削岩土过程中,对一定速度不同切深下链刀前刀面和后刀面的温度分布进行对比。对于前刀面,温度的增量随着切深的增加而减少;对于后刀面,温度变化基本保持线性增加。

预切槽法在浅埋暗挖下穿公路段隧道中的设计

研究目的:机械预切槽法因其结合盾构的盾壳保护开挖理念和新奥法处理复杂地层的自由灵活理念,在土砂等极软弱围岩地质条件、城市特殊复杂环境近接施工或以上因素复合形成的复杂困难工程条件下具有显著的优势,可以较好地保障隧道施工的安全,同时也是机械化施工的一种很有发展潜力的隧道施工方法。本文结合福平铁路新鼓山隧道下穿福州机场高速公路的浅埋暗挖段,对隧道预切槽法施工在软弱地质下浅埋暗挖下穿通过道路的城市环境应用进行设计与分析,提出该方法的可行性。研究结论:(1)预切槽法可以应用于浅埋暗挖、下穿道路等特殊隧道段落的施工;(2)在浅埋、软弱、近接等特殊条件下,预切槽法形成的预筑拱作为超前措施,较常用的管棚等技术手段,对控制地表沉降、保证施工安全有更显著和可靠的作用,具有更大的安全性;(3)本研究结论可为类似工程条件的隧道设计提供借鉴。

机械预切槽法施工机械结构详析与模型设计

针对目前国内机械预切槽法缺乏相应基础理论与设计方法相关研究的现状,以土力学与盾构机械设计为基础,提出了一套预切槽机械设计方法.采用模块化分解的方法分析研究了预切槽机械9个子结构的功能及关键技术,通过地层切削相似性原理提出了链锯切入地层断面所需的推出机构推力与链锯的掘削扭矩两个重要参数的计算方法,并针对北京地质参数根据设计方法完成了预切槽施工机械模型的设计.设计结果总结了相关的技术难点,可以为未来进行预切槽施工机械的研制提供理论基础与设计参考.

中心轴式预切槽机械在大断面黄土隧道中的应用试验

黄土是一种特殊的第四纪陆相松散堆积物,具有强度低、变形大、自稳能力差的特点,我国大断面黄土隧道的建设通常采用三台阶七步开挖法、CD法、CRD法、双侧壁导坑法等,存在施工工序多、施工进度慢、变形量难以控制、临时支护用量大、对各小断面支护结构的连接工艺要求高等问题,研究适合软弱围岩隧道机械化施工的工法非常必要。预切槽法由于具有控制地层变形能力强、施工速度快的特点,受到国内隧道界的再次关注。2013年,中铁重工集团研制成功了国内第一代中心轴式预切槽机械。为了掌握预切槽机械切灌过程性能及预衬砌的受力变形特性,进行预切槽机械在黄土隧道中的工业化试验。研究认为:(1)研制的中心轴式预切槽机械在黄土地层切割成槽能力良好,但在切灌一体化方面尚需要深入研究;(2)由于限制了地层的变形,预衬砌承受的地层压力较大。(3)预切槽法对切槽脚部地基的承载力要求较高,预衬砌脚部是拉应力集中区域,实际施工中要进行合理加固。

机械预切槽法施工过程中槽内混凝土相关问题研究

机械预切槽法结合了盾构的盾壳保护开挖理念和新奥法处理复杂地层自由灵活的理念,在预筑拱的保护下可以进行下部隧道大断面开挖。这种方法在土砂等强度极低场合以及近接施工方面具有显著的优势,是一种很有发展潜力的隧道施工方法。文章结合当前预切槽法试验中槽内混凝土喷灌困难这一难题,在资料调研及计算分析基础上,论述了预切槽法对槽内混凝土强度及其它性能的特殊要求,计算得出双线大断面黄土隧道切槽内混凝土8h抗压强度应达到12 MPa,研究提出要解决槽内混凝土难以喷灌的问题,需要改进传统的喷混凝土设备,同时要优化混凝土配比并进行切槽混凝土的室内试验和现场取芯试验对比。

预切槽设备切刀不同布置方式下切削特性研究

研究目的:为研究不同刀具布置方式下预切槽设备的切削特性,本文利用有限元软件建立四种刀具布置方式的刀具切削仿真模型,对不同刀具布置方式下多刀切削破岩过程进行模拟,分析不同刀具布置下的切刀破岩水平载荷和切刀破岩比能耗。研究结论:(1)链刀切削岩土时,垂直推进阻力远小于水平推进阻力;(2)在四种布刀方式中,当贯入度为6 mm时,方案a切刀所受平均水平载荷最小,为485 N,方案b切刀所受平均水平载荷最大,为548 N;(3)方案b切刀所受平均载荷分布最为平均,方案a和方案d中切刀所受水平载荷分布较为不平均;(4)总体上,在贯入度分别为4 mm、6 mm、8 mm时,方案a的比能耗最小,方案b的比能耗最大,比能耗随贯入度的变化规律并不明显;(5)综合考虑,方案a最好,此方案已经在预切槽设备上初步试验,切削性能良好;(6)本研究成果可为隧道预切槽设备切刀的布置方式研究提供借鉴和参考。

预切槽机上单把切刀的切削载荷特性

为了研究预切槽机上切刀在开挖过程中的受载特性,建立了单把切刀水平推进载荷计算模型,并运用LS-DYNA软件模拟单把切刀切削岩土的过程,分析不同切削深度及刀刃角对切刀水平推进载荷的影响规律.结果表明:切刀水平推进载荷远大于垂直载荷,水平载荷随着切削深度的增大而增大;相同切削深度下,切刀水平载荷随刀刃角的增大而增大,刀刃角从80°增大到125°,各个切削深度下水平载荷平均增大30.7%;切刀比能耗随着刀刃角的增大呈先减小后基本不变的趋势,在刀刃角为110°时,切刀切削效率最高,且切刀比能耗随着切削深度的增大而减小.

预切槽法开挖黄土隧道预衬砌支护参数研究

研究目的:随着我国交通建设的发展,迫切需要解决软弱围岩隧道机械化施工的问题,本文以洪亮营大断面黄土隧道为依托工程,采用数值模拟方法分析不同条件下预衬砌的整体安全性,通过对预衬砌的支护参数进行分析,以期为后续类似工程的设计与施工提供参考。研究结论:(1)钢拱架间距对预衬砌整体安全系数有显著影响,间距越小,安全系数越高;(2)不同的预衬砌拱脚处理措施,对预衬砌整体安全系数影响较大;(3)由于切槽采用分段施工,各段接头部位的安全系数较低,当预衬砌局部弱化程度超过50%时,预衬砌的整体安全系数不能满足安全要求;(4)本研究以洪亮营大断面黄土隧道实际工程为依托,获取了预衬砌在不同的埋深、不同的钢拱架间距、不同的拱脚处理措施以及不同的预衬砌局部弱化程度条件下的整体安全性,可为预切槽法隧道在今后的工程设计和施工中提供指导作用。

预切槽法开挖黄土隧道掌子面稳定方式研究

本文介绍了软弱围岩隧道的变形特点及控制措施,对软弱围岩隧道的掌子面稳定性进行分析,包括失稳形式、破坏机理,并提出掌子面加固措施。此外,结合预切槽法黄土隧道试验段实例,利用有限差分软件FLAC3D建立模型,研究三种不同的掌子面加固方法对围岩变形以及预衬砌受力的影响。结果表明:全断面预加固可有效控制围岩变形且减小预衬砌所受的拉应力,与预加固且留核心土方式相比,预衬砌的拉应力值相差不大且都在允许的范围内。在实际工程中考虑预切槽法结合大断面机械施工,建议采用全断面预加固的方式。

预切槽法黄土隧道锁脚微型桩合理布置方式研究

预切槽法开挖隧道能够很好地控制地表沉降,适用于包括黄土在内的软土地层,但如何约束预衬砌的墙脚是预切槽法亟待解决的问题。本文依托洪亮营隧道,首先通过数值模拟方法,论证了约束墙脚可以提高预衬砌结构安全度,并选择锁脚微型桩来加固墙脚;之后基于桩基承载机理,提出刚度分配法,确定了桩的受力、最佳打设角度和最优间距。研究表明：加强墙脚的约束,可以提高预筑拱结构在拱腰和拱顶的安全系数,减小拱顶的沉降;T76S桩能够满足锁脚要求,锁脚桩与竖直方向之间的角度在20°-50°时桩的受力最为合理。

预切槽刀具切削岩土介质特性研究

为了研究预切槽刀具对两种典型岩土介质的切削特性,文章采用颗粒离散元法建立刀具切削岩土介质的仿真模型,分析刀具切削两种不同岩土介质的动态过程、受力以及能耗变化等特性。研究结果表明:切削软土时易在刀刃前方发生堆积效应,受力发生在整个前刀刃上,而切削软岩时刀具受力几乎只发生在刀尖上;切削两种岩土介质时刀具所受水平力远大于其垂直力,切削软岩相比切削软土时受力波动更为剧烈,裂纹数目增长趋势也存在差异;随切深和刀前角改变两种岩土介质的破坏范围和破坏形式均发生转变;切削两种岩土介质的受力随切深增加而增加,随刀前角增加而减小,但对于软土,切深必须大到一定程度后刀前角对刀具受力才有显著影响,切深相比刀前角对刀具受力影响更大;切削两种岩土介质的切削比能耗随切深增加而减少,随刀前角增加也减少且减少幅度越来越大。

拱架式预切槽施工机械在黄土隧道施工中的应用

隧道预切槽施工技术在国外应用比较广泛,但在我国应用还较少。针对黄土地质专项研制了国内首台拱架式预切槽机,并在黄土隧道进行了施工试验。通过施工试验,掌握设备定位、分区切灌、设备行走、施工作业组织等关键技术,并提出应用改进及优化措施。试验结果表明切槽系统工作状态和设备切削、喷灌功能满足设计及施工试验要求,为预切槽同步切削喷灌一体化研究提供了数据支撑和研究方向。

预切槽和TBM机械滚刀的新型联合破岩模式研究

传统机械-岩体相互作用的破岩模式已经无法大幅提升隧道掘进机(tunnel boring machine,简称TBM)的掘进效率,新型破岩技术及其破岩机制逐渐被重视。在不改变现有TBM主体结构的前提下,通过开展3种不同岩性有无预切槽试样在侧向约束条件下的TBM常截面滚刀压头贯入试验,研究预切槽对TBM机械滚刀破岩效果的影响规律,结果表明:(1)预切槽可降低岩样破碎时压头的法向荷载,与不切槽相比,有预切槽的岩样破碎时法向荷载降低44.13%~53.05%,岩石单轴抗压强度越低,法向荷载降低比例越大;(2)预切槽深度对岩样破碎时法向荷载的影响存在临界值,超过临界值后,预切槽深度对岩样破坏行为影响减弱。基于此,提出了预切槽+TBM机械滚刀破岩的新型联合破岩模式,并探讨了可实现预切槽的新型破岩技术。联合破岩模式能够突破破岩效率瓶颈,对TBM装备升级和重大工程项目建设具有重要意义。

预切槽技术及其应用中的关键技术问题

随着我国隧道建设的大发展,面临的复杂地质和环境问题以及劳动力紧张问题也越来越突出。预切槽法是一种独特的施工技术,是介于浅埋暗挖法和盾构法之间的一种方法,它和浅埋暗挖法配合可以形成复杂地质和地面环境下的新型隧道施工技术。采用此法可大大提高施工的机械化水平,同时可有效地控制地表沉降。文章论述了预切槽工法的机械组成、控制地层变形的基本原理以及应用中的关键技术问题,相信这种工法必将以其良好的控制地层变形能力和灵活性重新得到重视。

机械预切槽法开挖软土隧道地层变形研究

软土中的机械预切槽法是超前支护的一种,在预筑拱的保护下可以安全高效地开挖隧道。在隧道力学和弹塑性理论的基础上,利用自行开发的三维程序,分析了机械预切槽法与常规全断面法开挖隧道时引起的地层变形。计算结果显示:机械预切槽法形成的预支护作用在控制地层变形方面较常规全断面法具有明显的优势,预切槽法可以减少隧道施工对地层变形的影响范围和影响程度,可以用于对地表沉降控制较严格地区的隧道施工。