极端环境隧道建造面临的主要问题及发展趋势

聚焦艰险山区、深水海域与城市敏感区3类极端环境,全面梳理和总结了在此环境下隧道建造面临的主要问题、相关技术突破和未来发展趋势。针对艰险山区中极高地应力、高地温、高海拔以及活动断裂带等极端条件,总结分析围岩和隧道的变形机制、破坏机制及防护措施,并指出未来可通过大数据、机器学习等手段建立更精准的预测模型,以实现隧道建造过程的实时监控和风险评估;针对深水海域中高水压、高烈度地震、强侵蚀环境等极端条件,分析多因素耦合下沉管法及盾构法隧道管片及接头的劣损和破坏机制,总结提升其力学和耐久性能的主要技术措施,并提出未来仍需针对海底隧道管片接头的防水、抗震及抗侵蚀性能开展更深入的研究,以形成完整的理论和技术体系;针对城市敏感区隧道穿越既有隧道、敏感建构筑物、地下障碍物等挑战,总结分析盾构法和顶管法施工环境响应规律、地层变形评估方法和控制技术措施,提出未来可采用机器学习等技术辅助隧道建设,以提升预测和控制的准确性,减小建设过程对城市环境的扰动。目前,相关研究成果为极端环境下的隧道工程建设提供了重要支撑,但部分技术仍需进一步在实践中完善并形成规范,以指导后续的工程建设;而随着新一代信息技术的发展,未来隧道建造必将朝着数字化、智能化、自动化的方向发展,从而保障极端环境下隧道建设的安全、绿色、高效。

山区铁路隧道工程资源环境影响效应评估研究

山区地质复杂、环境敏感、生态脆弱,致使铁路隧道建设难度大,且在资源节约、环境保护等方面面临较高要求。绿色设计作为绿色建设的先行环节,对减少隧道建设对资源环境的扰动作用,达到资源节约、环境友好的目的起关键引领作用。为定量评估山区铁路隧道工程的资源环境影响效应、衡量隧道设计的绿色程度,提出一种山区铁路隧道工程资源环境影响效应分析方法。首先,基于“驱动力-状态-响应”模型(Driving force-State-Response,DSR),以隧道设计参数为驱动力指标、资源环境状况为状态指标、隧道设计措施为响应指标,构建山区铁路隧道工程资源环境影响效应评估指标体系,并建立各指标分级标准;其次,运用一种具有自学习自调整能力的支持向量回归模型(Support Vector Regression,SVR)对隧道工程的资源环境影响效应进行评估;再次,以驱动力指标和响应指标为分析对象,运用考虑指标间关联关系及叠加效应的敏感性分析法,甄别对隧道工程资源环境影响效应优化具有重要影响的隧道设计因素;最后,以某山区铁路隧道工程为例,得到该隧道工程的资源环境影响效应值为4.7157,对应等级为较好,表明该隧道工程绿色设计水平较好,资源集约节约利用较合理、环境保护力度较大,可为其他类似工况隧道工程的绿色设计提供借鉴。此外,分析结果显示,注浆加固效果是导致该隧道工程资源环境影响效应变化最敏感的因素,其次为清污分流比例,可着重从这2个方面进行优化设计,以实现隧道工程资源环境影响效应的进一步优化。研究结果验证了本文研究方法的适用性和可操作性,可为山区铁路隧道工程资源环境影响效应评估及明确隧道工程优化设计方向提供科学依据。

西南山区铁路客运专线隧道底鼓病害变形监测研究

西南山区铁路客运专线具有高桥隧比、沿线地质条件复杂恶劣等特征,在建设和运营过程中易出现各类工程病害。文章基于某隧道底鼓变形病害,设计并开展包含围岩变形、仰拱受力和道床板沉降变形3个监测指标的隧道变形监测方案。通过对监测数据进行分析,获取隧道和围岩受力变形的演化规律,据此提出后续加密轨道几何形位静态、动态检测和衬砌结构贯通裂缝观测、实施列车降速运行等处理措施。相关研究可为该客运专线的安全运营提供有力保障,同时为类似工程隧道病害的监测和整治工作提供有益参考。

高地应力蚀变花岗岩隧道大变形特征及成因分析

西部山区某蚀变花岗岩隧道施工过程中,围岩大变形不同程度地造成喷射混凝土剥落、钢架扭曲变形、钢拱架断裂、初支变形侵限以及隧道内坍塌等。为揭示蚀变花岗岩隧道围岩大变形的孕育机理,通过岩石试验、监控量测、数值计算分析和地质综合分析等多种方法,对蚀变花岗岩隧道高地应力及大变形特征、影响因素进行探讨分析。蚀变花岗岩隧道工程区受构造影响强烈,蚀变特征显著,岩体结构疏松,蚀变花岗岩地层为大变形提供充足的物源条件。隧道现场监控量测显示发生大变形的蚀变花岗岩区段与地下水紧密相关,蚀变花岗岩中的伊蒙混石、绿泥石等亲水性矿物成分含量较高,遇水极易崩解,使得岩体抵抗变形的能力大幅降低。结合隧道地质条件和地应力测试,反演分析了隧道初始地应力场,发现蚀变花岗岩隧道以水平构造应力为主,隧道沿线多处于高地应力状态,为大变形的发生提供内动力地质条件。根据隧道开挖过程中发生的支护变形及监控量测分析,复杂地质条件对隧道设计的影响以及施工工艺与支护结构的质量是引起围岩大变形的重要主观因素。

云桂铁路总体设计及技术创新

云桂铁路为中国“八纵八横”高速铁路主通道之一“广昆通道”的组成部分,路网地位突出。根据该项目的功能定位及项目特点,结合地形地质条件、城市规划、环境敏感点、工程安全以及投资合理性等方面,分析确定合理的枢纽引入、线路走向以及重点桥梁、隧道工程方案。项目设计过程中以“系统最优、风险可控”为核心思想,开展了科技攻关和工程实践工作,取得了系列技术创新成果,具有针对性、实用性和理论性,对复杂艰险山区高速铁路建设具有重要指导意义。

某山区高速公路特长隧道特殊地质塌方涌水分析及处治

由于山区高速公路受地形条件的制约,在选线过程中常采用隧道方案穿越山岭。山区高速公路隧道地形起伏大、条件复杂,面临断层、岩溶、高地应力、瓦斯等不良地质,可能出现涌水、塌方、大变形、岩爆等地质灾害,若处治不当不仅造成安全质量事故、增大投资、影响工期、后期的运营,甚至会造成不良的社会影响。以某山区高速公路特长隧道为例,探讨复杂地质条件下公路隧道塌方涌水原因分析及处治措施。

山岭隧道施工监控量测重点地段划分探讨

根据隧道围岩与隧道支护结构的相互作用,论文梳理了隧道施工过程中因支护结构力学状态和稳定程度异常将造成支护结构变形或破坏的地段类型,主要划分为不利地形地貌地段、不良地质地段、特殊性岩土地段及隧道特殊结构部位4类。探讨了隧道施工过程中可能产生不利影响的细分段落,分析了这些重点地段的隧道监控量测工作,掌握了监控量测的工作要点,有助于更好地发挥监控量测在隧道施工中的作用。

复杂艰险山区高速铁路慢行病害特征与治理

针对我国西南复杂艰险山区高速铁路建设与运营中路基、桥梁和隧道出现导致列车运行速度减慢的病害(慢行病害),依托南昆、沪昆、西成高铁3条复杂艰险山区高速铁路运营期间监测与补充勘察资料,分析不同慢行病害的危害方式与变形破坏特征,研究高速铁路慢行病害产生的原因,提出治理方案。研究得出结论:地层岩性、地形地貌、构造应力环境、气候降雨、岩体结构条件等多重因素造成复杂艰险山区高速铁路出现路基基底上拱、斜坡桥梁位移、隧道基底上拱、隧道混凝土腐蚀等慢行病害,针对不同慢行病害提出多种治理方案。研究成果可为复杂艰险山区高速铁路工程建设、运营维护提供借鉴。

西南山区某深埋长大隧道水文地质特征及突涌水危险性分析

西南山区某隧道处于龙门山断裂带西南段内,区域地质构造作用强烈,地形地貌及岩溶水文地质条件复杂,突涌水成为制约隧道勘察设计和安全施工的重大难题。本文采用现场水文地质调查、水化学成分测试、理论分析计算等方法分析了隧道的岩溶发育程度和岩溶发育规律;依据岩溶水补径排条件,划分了工程区水文地质单元;在水文地质分区的基础上,进行了隧道涌水量预测和隧道涌突水危险性评价。研究结果表明:(1)该隧道二叠系栖霞组(P_(1)q)、奥陶系中统宝塔组(O_(2)b)为强富水性,泥盆系养马坝组(D_(2)y)、泥盆系中统观雾山组(D_(2)g)、志留系下统纱帽组(S_(2)s)、志留系下统罗惹坪组(S_(2)l)为中等富水性,晋宁澄江期斜长花岗岩(γ_(2))、震旦系下统安山岩段(Zaα)以及志留系,泥盆系地层中的砂岩和泥岩为弱富水性;(2)该隧道高危险突涌水段650 m,占比4.42%;中危险突涌水段5879 m,占比39.98%;较危险突涌水段7742 m,占比52.64%;低危险突涌水段435 m,占比2.96%。本文研究成果对西南山区铁路岩溶区高压富水隧道勘察设计和施工具有重要参考价值。

岩溶山区运营隧道突水涌沙机制及处理措施研究

为解决岩溶山区运营隧道突水涌沙难题,采用工程类比与理论分析相结合的方法,对区域地下水径流与泥沙物源进行分析,揭示岩溶山区隧道突水涌沙机制,并基于“以堵为主、限量排放”的衬砌结构设计原则,加强防排水措施。研究结果表明:1)隧道开挖阶段应确保围岩得到有效加固并形成帷幕效应,减小衬砌结构承受的水压力,兼顾水环境保护与隧道安全的双重需要;2)运营期涌水量大时可考虑设置泄水洞引排地下水,泄水洞位置应结合地下水径流来水方向、泄水洞与正线隧道的相对位置关系、泄水洞最低点与洞口位置等综合确定,并考虑重力流自然引排。

复杂艰险山区深埋隧道施工质量控制方法

为了在复杂艰险山区进行的深埋隧道工程更加牢固,应把握隧道施工的重要步骤,分析目前隧道质量问题产生的原因,有效地避开这些问题,为隧道工程提供更优秀的施工方法。在山区进行隧道建设,一要做好预应力支护,保证隧道建设的安全;二要采用“先注浆后挖”的方式,对隧道进行掘进;三要采用湿法喷射混凝土,在确保施工质量的同时,对工程项目产生一定的支撑作用,从而达到提升施工效率和安全性的目的;四要使用湿喷混凝土,使隧道稳定性更高,保障施工质量。

基于反应时间的隧道出口预告标志布设研究

针对《公路路线设计规范》(JTG D20-2017)对隧道出口与互通立交间距过短时,互通立交出口预告标志布设位置规定不明确的问题。基于UC-Win/Road软件建立出口预告标志分别布设于公路左侧、右侧和上方的3种仿真场景,并利用自主研发的动态驾驶仿真试验平台,研究3种仿真场景下左、右车道行车时对驾驶员反应时间的影响,最后基于反应时间均值、换道距离理论和驾驶员的视认特性得出预告标志的最佳布设形式和位置。研究结果表明:预告标志位于公路左侧且右车道行车时,驾驶员反应时间最长;预告标志位于公路上方且右车道行车时,驾驶员反应时间最短;驾驶员对预告标志的反应时间与预告标志在道路横断面上的布设位置显著相关;推荐在隧道入口前采用门架式支撑方式布设出口预告标志,且布设位置距隧道入口的距离不小于424~710 m。研究结果可为《公路路线设计规范》具体实施提供参考,对保障交通安全具有重要意义。

针对艰险山区隧道勘察的地空电磁法应用研究

我国的高铁网络发展迅速,但在一些复杂艰险山区的铁路隧道勘察中,技术人员几乎无法抵达线路点位完成数据采集,致使传统的地面物探方法极难开展。为解决这类问题,通过引入近些年发展的新兴物探方法——地空电磁法(Ground-Airborne Electromagnetic Method,GAEM),该方法采取地面发射、空中接收的工作模式来解决了技术人员上不去、采集不了数据的难题。本文基于某处艰险山区隧道勘察进行了地空电磁法的实验,首先总结了现阶段地空电磁法的野外工作流程及一些注意事项;然后通过对野外实测数据的处理与反演成像,成功圈定了实验测区内的城巴大断裂及一处无名断层位置,以及探明了该区域拟定隧道部分区域内的地质构造情况;最后将地空电磁法反演结果与音频大地电磁法结果及地质钻探结果对比,结果表明地质结构对应良好,验证了地空电磁方法的可靠性和有效性。案例结果证明,地空电磁法是在艰险山区隧道进行勘察的有效技术手段,为今后的艰险山区隧道勘察提供了新思路。

考虑隧道与盘山公路的多山地区路网优化设计——以烟台芝罘区中部多山地区为例

受地形限制,多山地区存在一些区域之间空间距离很近,但实际通行路线需绕行较远的问题。为提高各区域之间的交通便捷性,从整体路网规划层面研究了隧道与盘山公路协同建设问题。首先在原有路网基础上,依据出行距离最短策略,建立多山地区路网的网络模型,用以衡量原有路网下居民的出行便捷性。在此基础上,以投资额度限制为约束,以单位投资费用下居民年平均出行距离缩短值最大为目标,建立考虑隧道与盘山公路的多山地区路网优化模型,并基于遗传算法设计模型的求解方法。最后以烟台芝罘区中部多山地区路网为例,得到了隧道与盘山公路协同建设下路网优化方案,并分析了该方案下各出行路径长度降低的比例,通过敏感性分析研究了投资额度对投资效率的影响规律,为主管部门确定合理的投资额度提供参考。

山区高速公路短隧道与深路堑方案研究

山区高速公路不可避免的涉及到隧道方案与深路堑方案的比选。结合目前多数学者的研究结果来看,目前的方案比选仍然存在比选不够全面,工程实例结合不足,影响因素考虑不足等问题。因此,以云南省瑞丽至孟连高速公路为例,分别从工程造价、技术复杂程度、施工期间影响、运营期间影响以及社会效益和生态环境等五个方面进行多方面多角度地对比两个方案的优缺点,得出对应比选因素的比选结论。

高原铁路长大隧道钻爆法施工控制研究

以某高原山区铁路隧道为研究对象,采用光面爆破技术进行施工,运用现场实测的方法对光面爆破产生的施工超欠挖和振动量进行控制,研究光面爆破的施工控制效果。结果表明,光面爆破对于长大隧道穿越复杂多变的地质体而言具有较好的适应性,左线隧道的超欠挖量控制在±4 cm,而右线隧道的超欠挖量控制在±6 cm;岩体强度约坚硬,光面爆破产生的振动速度峰值越大,且振动峰值波包出现的时间越快;隧道全长范围内,不同强度和完整性的围岩体,其振动速度呈现明显的不同,在软硬过渡带及断层破碎带中,振动速度呈现显著的“下陷”;隧道同一断面位置处,光面爆破产生的振动速度最大,其次为拱腰位置,拱底位置最小,在实际工程中,建议在不良地质段有必要采取措施控制光面爆破对隧道拱顶的振动影响。

山区城市轨道交通区间隧道下穿既有铁路施工优化分析

为确保既有运营铁路的运营安全,研究山区城市轨道交通区间隧道下穿既有铁路施工方法及施工参数优化十分必要。通过施工方案比选,建立隧道下穿既有运营铁路3D数值模型,研究不同工况下铁路路基、隧道围岩的沉降规律、围岩应力的演化规律、支护结构的受力特征。在此基础上,通过不同工况方案的对比分析,选择优化施工方案。结果表明,按优化方案施工,区间隧道施工既保证既有铁路安全运营,又能提高施工效率。这可为类似工程施工提供参考。

高寒山区浅埋隧道冻胀特性及防寒措施分析

高海拔寒区隧道的建造经验相对较少,建成的隧道存在衬砌结冰、隧道开裂漏水、隧道墙体剥落酥碎等问题,隧道建设质量相对较低,功能大大削弱,且存在严重的安全隐患,导致养护工作十分困难。针对季节性寒区隧道工程,明确目前在寒区隧道研究中存在的不足,综合考虑寒区隧道中温度等因素对围岩冻胀率和衬砌约束强度的影响,有针对性地提出寒区隧道冻害防控措施。

山岭隧洞施工废水处理方法探讨

山岭隧洞施工大多位于山区,且往往是河流源头或水源保护区上游,对排放水质有较严格的要求。施工过程中会产生大量含悬浮物的废水,如爆破、机械施工,还会产生含有一定量的氨氮和石油类废水。结合某工程实例,在考虑受纳水体的排放要求和山区环境特点的情况下,对山岭隧洞施工过程产生的各类废水进行分质分流处理,本着简单易行的原则,提出了有针对性的工艺技术路线,为山岭隧洞施工废水处理方案的选择提供参考。

我国西南部山区隧道施工期支护结构力学行为特征案例分析

为研究我国西南部山区隧道施工期支护结构所面临的重大问题,将雅安-康定、汶川-马尔康高速公路的典型隧道作为案例,归纳总结施工期存在的高地应力、软弱围岩、断层破碎带、次生地质灾害等潜在危险源,通过现场实测数据深入分析不同危险源环境下支护结构体系的力学行为特征。研究结果表明:1)当隧道穿越软弱围岩时,围岩强度低、自承载能力差,接触压力、钢拱架应力均显著高于普通围岩隧道,二次衬砌分摊荷载比例显著上升;2)当隧道穿越断层破碎带时,支护结构受力需要较长时间才能稳定下来,其力学行为呈现出3阶段演化规律,前期快速降低、中期缓慢降低、后期基本稳定;3)当隧道洞口穿越松散堆积体时,坡体稳定性易受到扰动,其支护结构力学行为具有显著的偏压特性,围岩压力主要集中在深埋侧;4)高地应力与围岩强度联合控制着围岩稳定性与支护结构体系的力学行为,高地应力硬岩隧道也具有一定的流变时间效应,但由于硬质围岩的强度较大、稳定性较好,支护结构受力相对较小,安全储备较高;5)高地应力软岩隧道的围岩压力与结构受力显著升高,其支护结构力学行为在施工期便呈现出明显的流变特性,开挖约200 d后,仍然保持着缓慢增长。