预筑拱控制软弱围岩变形机理的研究

软弱围岩变形主要发生在掌子面前方,控制软弱围岩变形的关键环节是控制掌子面前方变形,即预收敛。预筑拱以其横向连续性好、施工速度快等特点在控制软弱围岩预收敛方面具有良好效果。文章通过FLAC3D建立三维数值模型,分析研究了预筑拱控制软弱围岩变形的机理。研究发现:(1)预筑拱能有效地控制隧道预收敛变形、收敛变形以及隧道上方围岩变形,围岩条件变差时预筑拱作用效果更加明显;(2)预筑拱能够有效地控制掌子面前方围岩的应力释放,从而有效地控制隧道上方坍落拱的发展范围,限制拱顶区坍落拱的分布区域,减少开挖对围岩的扰动,限制围岩应力重分布程度;(3)由于限制围岩应力释放,预筑拱所受围岩荷载比传统支护所受围岩荷载大。

基于特征曲线法的预筑拱支护特性研究

机械预切槽技术施作形成的预筑拱支护能够控制掌子面前方围岩的预收敛变形,可以有效解决软弱围岩隧道施工所面临的变形控制问题.作为一种超前预支护措施,预筑拱与围岩作用机理较为复杂,为了阐明其支护特性,基于围岩特征曲线法,对预筑拱的支护特性进行了解析研究.预筑拱预置于围岩中,忽略掌子面处围岩的应力释放等过程,给出了预筑拱作用下围岩特征曲线的计算公式并得出预筑拱作用下的围岩特征曲线.通过对比有无预筑拱作用时的围岩特征曲线,可以发现,预筑拱能够有效地改变围岩的特征曲线,具有增强围岩稳定性的能力.

预切槽法开挖隧道地层变形及预筑拱受力试验

为了明确预切槽法开挖隧道过程地层和预筑拱的力学响应,设计了1∶10大比尺三维地质力学模型试验,真实地模拟了预切槽法的切槽灌注和掌子面土体开挖过程,研究了预切槽法施工过程中地层变形及预筑拱结构受力情况。通过土体中埋设的位移、土压力及应变测点得到了洞周土压力和预筑拱的应变值,通过对试验数据的分析和与数值模型计算的对比,进一步了解地层变形的发展过程,寻找结构受力特征及施工过程的关键问题。研究结果表明:切槽混凝土灌注压力和灌注及时性对预筑拱成拱效果的影响较大;切槽及灌注混凝土过程引起的地层沉降占比较大,预筑拱形成后下部土体开挖引起的地层沉降较小,说明预筑拱可以保护掌子面超前核心土,显著减少隧道收敛变形,有效控制地层沉降;预筑拱两侧边墙和拱腰受压,拱顶主要受拉,采用素混凝土灌注的预筑拱极易发生破坏,实际工程设计施工时需要注意提高预筑拱抗拉性能。

预切槽法黄土隧道仰拱合理封闭距离研究

仰拱封闭能够有效地控制软弱围岩隧道变形。本文以洪亮营隧道为工程背景,研究在黄土隧道施工中预切槽法的合理仰拱封闭距离。利用FLAC3D数值模拟软件建立三维模型,研究仰拱封闭距离分别为15,20,25,30,40,50 m共6种工况下,隧道上方预筑拱净空收敛、结构受力变化规律以及地层变位情况。研究发现:当仰拱封闭距离为50 m时,收敛位移曲线和地层沉降曲线开始不收敛,开挖到研究断面时,预筑拱出现拉应力,并且大于素混凝土的极限抗拉强度,不满足安全性要求;当仰拱封闭距离为15,20,25,30,40 m时,开挖面通过研究断面时,拱顶沉降值分别占到总沉降值的72%,69.1%,66%,64%,52%;综合考虑地层变位和支护结构受力,应控制仰拱封闭距离在30 m内,如果施工条件允许,应尽早封闭支护结构。

预切槽法开挖黄土隧道的切槽方式研究

结合目前研制的中心轴式预切槽机械开展现场试验的需要,数值模拟研究顺序3段、5段、7段和跳跃7段切槽方式对于地层沉降、预筑拱变形及受力的影响,并在宝兰客专洪亮营黄土隧道现场进行了1环切槽及灌注混凝土试验,以测试预切槽机械的性能。结果表明:随着切槽分段数目的增加,地层沉降和预筑拱的收敛变形均逐渐减小,顺序7段切槽方式在控制地层和结构变形方面最为有利;预筑拱拱脚在4种切槽方式下均会承受较大拉应力,且超过了混凝土抗拉极限强度,其他部位拉应力均在安全范围内,因此应在拱脚处增加锁脚,并及时对预筑拱进行加固,以提高预筑拱的抗拉能力,防止其结构发生破坏;分段切槽灌注模式在黏质黄土中成槽的稳定性较好,而在砂质黄土中成槽的质量和灌注成型的预筑拱质量较差。