Rock Pressure on Tunnel with Shallow Depth in Geologically Inclined Bedding Strata

The method to calculate rock pressure to which the lining structure of tunnel with shallow depth is subjected in geologically inclined bedding strata is analyzed and put forward. Both the inclination angle of bedding strata as well as the internal friction angle of bedding plane and its cohesion all exert an influence upon the magnitude of the asymmetric rock pressure applied to tunnel. The feature that rock pressure applied to tunnel structure varies with the incUnation angle of bedding strata is discussed, At last, the safety factor, which is utilized to evaluate the working state of tunnel lining structure, is calculated for both symmetric and asymmetric lining structures. The calculation results elucidate that the asymmetric tunnel structure can be more superior to bear rock pressure in comparison with the symmetric one and should be adopted in engineering as far as possible.

Unsymmetrical load effect of geologically inclined bedding strata on tunnels of passenger dedicated lines

In order to study the unsymmetrical load effect in geological bedding strata for the Muzhailing tunnel on the Lanzhou-Chongqing passenger dedicated line in China, we investigated the deformation, mechanical response and pressure of the surrounding rock and the mechanical characteristics of bolts of the tunnel. The results suggest that open zones appear at arch and invert where joints open up, when layered stratum is horizontal, or when the dip angle of in- clined bedding is small. Open zones occur perpendicular to a joint. The failure mode is bending disjunction at the arch tain shear displacement, and lead to obvious geological bedding unsymmetrical load. The failure mode is shear damage. For the joint dip angle in the range of 75-90°, the failure mode is flexural crushing at the wall and vertical shear rup- ture above the arch. The restraining effect of two sides weakens for vertical dip. On the whole, shear failure instabilitytrend would occur and the tunnel collapses evenly. When the angle between the bolt and structure plane is greater than 23°, bolts can enhance the shearing stiffness of joint plane. Unfortunately, in the general purpose graph of tunnel for 250 km/h of passenger dedicated lines, the bolts have equal length and spacing. The rationale behind this is worthy offurther study. For inclined bedding, the surrounding rock pressure at the left wall is more than that at the right wall. In addition, lining is likely to be damaged at left shoulder and side wall. With the dip angle increasing, the unsymmetrical load gradually achieves symmetry. Asymmetry design for support is recommended to reduce the unsymmetrical load on lining disturbed by excavation.

Study on optimization of underlying coal bed exploited depth for tunnel

Combined with highway construction, the analysis on the relationship betweentunnel construction and coal resource exploitation was processed, which was based onthe research of rational exploitation depth of coal.3D FEM numerical analysis for tunnelexcavation was carried out according to engineering geological features of coal measurestrata in the project area.Based on the analysis of displacement and stress of the surroundingrock in the tunnel after excavation, the characteristics for displacement andstress of the tunnel support structure were analyzed when the underlying coal bed wasexploited with sublevel and full caving method.In addition, combined with the related codeand standard, the economic and safe prohibiting exploited depth of the underlying coalbed was proposed, so that a scientific basis for tunnel construction of coal measure strataand reasonable exploitation of the mineral resources in complex geological conditions canbe offered.

软硬不均地层沉管隧道碎石基床力学特性研究

为揭示软硬不均地层下沉管隧道碎石基床力学特性,通过有限元分析及理论计算,对沉管隧道纵横向地基沉降及刚度的分布规律、参数敏感性及结构纵向受力响应问题进行量化分析,结果表明:岩基段基底压力分布中间小两侧大,中间位置会出现脱空,软基段为两端小中间大,结构两端会出现脱空;岩基与软基的基底应力值较为接近,但地基刚度相差较大,岩基段为软基段的14倍;岩基段地基纵向刚度受垫层厚度、模量及预压荷载等参数影响变化大,应以岩基段垫层设计厚度作为全线的控制标准;软基段接头平均剪力约为岩基段的3倍;软硬不均地层沉管隧道碎石基床力学特性研究为沉管法隧道在复杂地质条件下推广应用提供了重要参考意义。

运营地铁盾构隧道基底沉降的影响因素分析

隧道基底沉降不仅影响地铁列车的正常运行和乘客的舒适性,严重时会造成隧道结构病害,目前的研究主要集中在长期沉降预测和单因素影响分析,非常有必要开展隧道基底沉降的多影响因素分析。以郑州地铁1号线某盾构隧道区间为工程实例,构建三维有限元数值模型,采用人工激振力模拟地铁列车竖向荷载,提取数值模拟结果的动应力和静偏应力数据,引入循环荷载作用下累积塑性应变计算公式,采用分层总和法计算得到隧道基底沉降,研究了隧道周围土层性质、道床脱空深度和地铁列车运行速度等因素对隧道基底沉降的影响,研究结果表明:数值模拟的隧道基底沉降和发展规律与现场实测结果具有较高的吻合度,验证了有限元模拟的准确性;隧道基底沉降随着周围土层砂粒含量的提高而减小;道床脱空尺寸会加剧隧道和道床板中应力集中和振动放大现象,增大隧道下卧土层的动偏应力和基底沉降;提高车速会增大基底沉降的横向影响范围;采用正交试验法、极差分析法和方差分析法得到了隧道沉降对各因素的敏感性,从大到小依次为:土层性质、车速和道床脱空,其中,土层性质为高度显著水平、车速为显著水平。研究成果对运营地铁盾构隧道的变形监测、安全评估和加固处理具有一定的参考价值。

考虑水盆效应隧道道床上浮力学特征及计算分析

围绕富水隧道道床上浮底鼓工程问题,本文探索将水盆效应引入隧道无砟道床上浮底鼓病害的研究中。首先,基于应变能和能量理论,结合结构层间接触力学条件,开展隧道道床应力和变形量推导,以验证水盆效应与道床上浮关联的合理性。其次,构建道床变形挠曲线方程和应力和最大变形量公式,得到基底0.5 m水头高度可以引起粘结失效道床上浮底鼓,并通过设定上浮临界水头值划分上浮三阶段:1)初期入渗汇水阶段;2)局部积水阶段;3)水盆上浮阶段。最后,建立不同排水状态下道床横向及纵向上浮量计算公式,形成基底水流量差、压力速率分别与上浮速率及上浮量的关系曲线,形成隧道道床上浮的最小水头高度的计算方法,以助力道床上浮控制的研究和治理措施的改进。

地铁隧道道床沉降整治研究

在软弱地层条件下,临近地铁的新建工程会引起地铁隧道位移,进而引起道床沉降、改变道床线型、影响行车安全。为研究整治这一类地铁道床结构病害,文中结合某地铁工程的实际案例,通过多方案比选,选定原位浇筑薄支墩法,并通过理论计算、调整临时支撑间距来减少整治工程量,在实现安全的、不中断运营效果的同时,也快速地完成了整治隧道结构沉降带来的道床线形病害问题,可为同类型道床病害处理提供借鉴与参考。

地铁盾构隧道整体道床渗漏水治理措施探讨

以北京市某地铁运营线路盾构隧道区间整体道床严重渗漏水为例,从环境因素和结构缺陷方面分析了渗漏水产生的原因,重点研究了道床渗漏水的串水路径;阐述了区间纵坡、水头压力、沿程阻力和造成道床渗漏水的作用规律;在结构变形和轨道线形监控、防止道床变形的前提下,提出了采用工前雷达扫描确定病害类型、范围与程度,工后雷达扫描评估注浆治理效果的措施;将系统治理过程分为泄压封缝、壁后注浆、环氧加固3个关键步骤,并给出了每个步骤的施工过程控制指标来确保注浆质量。这些措施的运用最终达到了预期的治理效果。

红层软岩地区隧洞开挖与初期支护方法研究

鉴于红层软岩地区隧洞相关围岩特性随时面临高地应力围岩挤压变形问题,其施工难度大,开挖支护方案的确定必须考虑到整个施工过程和工程长期运营的安全稳定性。以亭子口灌区一期工程狮子岩隧洞为例,结合红层软岩地区粉砂质泥岩特性对不同围岩级别的隧洞开挖与支护方案进行了研究,结果表明:施工前有效开展超前地质预报、及早判断地质情况,可以有效应对突发不良地质状况。在隧洞开挖过程中,根据超前地质预报,针对破碎围岩可以及时采取超前支护方式、增加超前小导管或小管棚等措施以加强岩体的稳定性,再逐步进行后续的系统支护施工。

Behavior of noncircular tunnels excavated in stratified rock masses-Case of underground coal mines

The amount of tunnels excavated along stratified/sedimentary rock masses in Quangninh coal mine area,Vietnam, is gradually increasing. Rock mass in Quangninh is characterized by beddings between rock layers. The behavior of stratified rock masses surrounding the tunnels depends on both the intact rock and the beddings between rock layers. The main characteristics of stratified rock masses that need to be considered are their heterogeneity and anisotropy. Depending on the dip angle of rock layers, movements and failure zones developed surrounding the tunnels can be asymmetrical over the vertical axis of tunnel. This asymmetry causes adverse behaviors of the tunnel structures. The objective of this study is to highlight convergences and yielded zones developed in rock masses surrounding noncircular tunnels in Quangninh coal mine area using a finite element method. The presence of bedding joints is explicitly simulated. The numerical results indicated that with the increase in dip angle of bedding joints, the stress asymmetry over the tunnel vertical axis increases. It gradually leads to an asymmetry of the failure zone surrounding the tunnel. An increase of rock mass quality means a decrease of rock mass sensitivity to the discontinuities. In addition,a dip angle of the bedding joints of approximately 45° could be considered as the critical angle at which the rock mass mechanism changes between sliding and bending.

红层地区高瓦斯引水隧洞施工关键技术研究

以亭子口灌区一期工程Ⅲ标金鸡梁隧洞为例,针对红层地区高瓦斯引水隧洞施工安全问题,结合红层地区粉砂质泥岩特性,分析了隧洞施工过程中采用的相应措施。结果表明:采用超前地质钻孔进行瓦斯释放与预报;利用人工检测与自动监测相结合的方式加强瓦斯监控;按照“一备一用”的要求配置以加强洞内通风;对机械设备加装车载瓦斯自动监控报警与断电系统以及尾气火花熄灭器,对隧洞用电进行“三专”“两闭锁”改造等有针对性的措施,可以时刻掌握隧洞内的瓦斯浓度变化,消除隐患,保证隧洞施工的安全,所取得的经验可为类似工程借鉴。

深中通道东侧沉管隧道碎石基础铺设施工关键技术

深中通道海底沉管隧道段长5 035 m,管节碎石基础设置V形槽,纵断面锯齿形,平面S型铺设。通过总结分析E32管节碎石基础铺设的典型施工,有效验证了用于实施东侧9个管节碎石基础的新建整平施工船机设备的适用性、可靠性、工效。通过对N2、S3、N5幅位4个角点实际平面位置与设计位置的偏差进行对比分析,得到了平面定位精度可达10 cm以内的施工结果;通过单波束自检,结合潜水员水下探摸和多波束扫测,得到了分层铺设满足±4 cm整平精度、碎石垄顶宽度不小于1.8 m的施工结果,检验了水下定位移位控制措施和GPS测控方式对碎石基础铺设精度控制的有效性。

浅埋长大输水隧洞下穿省道建设施工技术研究

云南省滇中引水工程楚雄段4标段下穿S218省道,位于省道正下方的最小埋深仅为20m。为最大程度减小隧洞施工对S218省道的影响,保证隧洞施工安全、质量和进度,提出了包括采用超前固结及洞周注浆、超前支护及加强初期支护等措施在内的浅埋长大输水隧洞下穿省道施工建设技术,并结合现场量测结果,分析了该技术的现场实施效果,以及该技术的效益情况。结果表明,该技术能提高滇中红层软岩的承载能力,同时恢复或构成完整的岩体结构,进而形成连续的结构体,有利于后期系统锚杆、锁脚锚杆加固时锚固力的传递,大幅度提高加固质量和效果,有效控制隧洞变形,同时实现较小超挖,大大提高施工效率和质量,节约项目成本。

襄阳鱼梁洲汉江沉管隧道陆域最终接头止退关键技术

为解决沉管隧道传统陆域现浇最终接头端部止退措施水下作业多、工序复杂、质量把控难等技术难题,基于襄阳鱼梁洲汉江沉管隧道陆域最终接头,开展不设独立止退构造、利用管节摩擦力止退的陆域最终接头的研究,取得以下成果:1)开展室内试验和现场试验,得到卵石基床和沉管隧道之间的摩擦因数和考虑回淤影响的卵石基床和沉管隧道之间的摩擦因数;2)研究最终接头摩擦力止退原理,首次研发采用摩擦止退型沉管隧道陆域最终接头,取消端部额外止退构造,采用预应力粗钢筋作为临时连接措施,并设置自润滑推力轴承来消除剪力。经过工程实际验证,连接措施受力及管节接头张合量均满足要求,采用摩擦止退型沉管隧道陆域最终接头安全可靠。

不同大变形等级下层理角度对层状软岩隧道的影响

为探究不同大变形等级下层理角度对层状软岩隧道的影响,依托九绵高速全线软岩大变形隧道,通过岩石力学试验确定遍布节理模型参数,基于数值模拟,探究不同软岩大变形等级(轻微、中等、强烈)下层理角度对层状软岩大变形隧道围岩及支护体系受力变形的影响,并通过现场统计的层理角度与大变形情况对数值模拟结果进行验证。结果表明:1)层理小角度(0°、15°)与大角度(90°)围岩变形、支护结构受力变形较大,随着大变形等级的增大,层理角度引起的围岩支护变化效果越明显。2)随着层理角度的增大,围岩变形从拱底逐渐转移到右拱腰。围岩变形主要发生在隧道轮廓与层理面相切位置,其中拱底及左拱脚对层理角度变化较敏感。3)初支应力偏向及节理塑性区大致与层理弱面法向一致,随着层理角度的增大,节理的剪切塑性区由拱顶、拱底转移到左拱脚、右拱肩,最终偏移到左右拱腰上下位置;相比初支压应力,初支拉应力对层理角度更敏感,垂直节理增大了张拉剪切破坏塑性区贯通的风险,但剪切破坏塑性区半径反而有可能减小。4)现场的统计规律表现为小角度与大角度大变形等级较高,层理角度为60°以下时,岩层破坏发生在拱腰及拱肩处,随着层理角度的增大,有向拱肩发展的趋势,大角度层理时岩层破坏主要发生在拱腰处。

综放工作面超前支护区自承压支护技术研究

为解决工作面回采巷道因采用超前支护装备时所需人员劳动强度大或反复承载破坏顶板等问题,以王庄煤矿8105工作面为工程地质背景,综合运用理论分析与数值模拟的手段,分析研究工作面超前段巷道变形破坏特征,基于锚注支护技术原理,提出采用注浆锚索支护代替超前单体柱支护的方式,并进行了现场试验。结果表明,采用锚注支护技术后巷道顶板未发现明显离层和裂隙发育,围岩整体性良好;超前支护范围内巷帮收缩量最大557 mm,顶板下沉量最大322 mm,巷道变形得以有效控制且处于安全合理范围内,替代了单体柱超前支护,为类似条件下综放工作面超前支护技术提供可靠的技术借鉴。

地铁振动下盾构隧道道床剥离病害演化规律研究

盾构隧道整体道床剥离病害是影响地铁行车稳定和运营安全的重要因素。为研究列车振动作用下剥离病害的演化规律,以成都地铁某区段为背景,使用有限元软件ABAQUS建立盾构隧道数值模型,根据地层情况、列车轴重及载客情况确定隧道结构受力,利用DLOAD子程序编写移动荷载实现列车动载模拟,分析列车动载作用下剥离的分布及发展规律,确定结构最薄弱位置。同时,设计剥离裂缝现场动态监测系统并用于实测,得到的实测结果与数值模拟规律一致。最后根据研究中涉及的影响因素提出了剥离病害的防治建议。研究结果表明:①列车动载作用初期的冲击荷载对道床剥离影响最大,随后在动载作用下,剥离量幅值会逐渐减小;②道床伸缩缝是结构最薄弱位置,列车动载作用引起伸缩缝处的剥离量最大;③提升道床-管片结构整体性可作为病害防治设计思路,如提升道床与管片间粘结面强度、增加锚固措施等,可减少剥离病害的发生。

基于RHT模型的层理分布与爆破损伤关联耦合性分析

在层状围岩隧道钻爆施工中,层理往往会影响爆破效果,导致超欠挖、支护结构受力与设计不符、围岩稳定性不可控等不利后果,为此,基于某白云岩隧道掌子面特征及室内试验结果,通过数值模拟手段,利用RHT模型开展层理数量及分布对岩体爆破损伤关联耦合性影响分析。研究结果表明:用“接触”方式模拟层理能较好反映应力波在层理的反射、透射等力学行为特征,在特定条件下,应力波会在层理处形成应力波叠加,使得局部岩体的应力峰值变大,产生拉伸效应并激发裂纹;当冲击荷载超过层理强度阈值时,层理会被破坏而失去反射和透射作用;利用相邻层理间距的差值ΔH与损伤占比Dp作为拟合参数来揭示层理疏密程度与岩体爆破损伤的相关性,得到拟合公式Dp=6.54−0.12ΔH;当炮孔半径为R时,层理与炮孔距离小于18.3R时,层理对岩体爆破损伤演化的影响较小,大于18.3R时,层理对岩体爆破损伤演化的影响较大。

隧道口劣化软岩顺层边坡失稳机制及防治设计

以麻路岗隧道口边坡为例,通过工程地质调查总结分析边坡失稳机制,进而提出防治设计方法,并结合监测成果对坡体的治理效果进行讨论。结果表明:洞口劣化软岩顺层边坡大桩号侧层面及坡脚缓倾坡外构造面组合、小桩号侧顺层偏压的不利条件下,坡脚形成临空;同时,受构造劣化作用,岩体层间结合差,局部发育泥化层;地下水入渗影响下,坡体及洞口发生变形破坏;坡脚反压回填是防止此类边坡进一步变形的快速、有效手段,采用抗滑桩对坡体治理后,稳定性较好。对洞口劣化软岩顺层边坡除施工前勘察外,还应进行施工阶段勘察,以调查坡体外倾结构面的发育特征与结合情况,当存在层面与其他结构面组合下坡体临空或顺层偏压时,采用抗滑桩进行支挡是有效的预加固手段。

层状软岩隧道超前支护及锚杆定向预加固研究

为探究适应大变形隧道层理特性的定向预加固方法,依托九绵高速大变形隧道,通过岩石试验确定围岩参数,在数值模拟中验证了不同大变形等级及平纵层理角度下通过调整锚杆、超前支护施作角度与小导管间距的定向加固方法效果,3种大变形等级的现场试验段隧道变形均有较明显提升,验证了该方法适用性。结果表明:(1)支护压应力来自围岩变形挤压作用,锚杆、超前支护优化影响锚杆、小导管受力进而改变支护受拉,锚杆小导管优化效果随大变形等级增加而增强;(2)平面层理下,锚杆施作角度定向加固效果显著,强烈大变形采用双层小导管时可考虑超前定向加固,不同层理角度对锚杆、超前支护优化敏感性不同;(3)纵向层理斜向下时,通过增大小导管与纵向层理夹角而进行外插角定向优化;(4)纵向层理斜向上时,寻找围岩变形随小导管间距减小变化速率转折点从而确定最优间距,大变形等级越高、纵向层理倾角越大,最优间距越小。