富水超大断面隧道开挖方法比选研究

韶新高速公路的松山隧道穿越富水区域,开挖过程中出现了明显的涌水现象。基于该隧道地质的资料,利用有限元软件FLAC 3D分别模拟全断面法和上下台阶法2种开挖方法。研究结果表明:当水压较小时,宜采用全断面开挖法;当水压力较大时,宜采用上下台阶法施工。研究结论对富水超大断面隧道开挖方法的选择具有一定的参考意义。

穿越断层隧道抗震结构性能振动台试验分析

穿越断层的隧道工程在中国高烈度地震区域已经较为普遍。针对这一问题,通过振动台模型试验研究在地震作用下减震缝、内外套管结构与不设防三种隧道结构的动力响应特征与破坏形式。通过对比在水平向地震作用下的峰值加速度与截面内力,可以看出:(1)减震缝显著降低穿越断层区结构截面内力,但结构水平加速度峰值较不设防区域则略微放大,进而有可能产生相对错动;(2)内外套管系统在穿越断层区域时,全设防区域的水平峰值加速度均有所降低,其外套管隧道在地震作用下截面受力与不设防隧道相似,进而发生破坏,但内套管隧道结构则拥有很高的生存率,保障隧道结构在大震过后仍能较好通行。为今后新型隧道抗震结构提出了设计参考。

大断面地铁车站隧道软弱围岩渐进破坏规律模型试验研究

以贵阳市地铁2号线阳明祠车站为背景,采用室内模型试验模拟大断面地铁车站施工过程中隧道塌方破坏过程,明确施工期间大断面隧道塌方破坏过程机制,对比分析围岩和路面的变形。结果表明:通过围岩重力作用模拟隧道施工过程中塌方过程,与实际塌方过程基本吻合,弥补了常规加载破坏的不足;围岩渐进破坏过程表现为裂隙出现-裂隙发展-裂隙贯通-围岩塌方,支护渐进破坏过程表现为变形缓慢增加-变形快速增加-裂缝快速发展-支护破坏;围岩渐进破坏与支护渐进破坏相互作用,共同发展;在实际施工过程中,当支护变形大幅增加时,应增加支护强度,同时还应及时注浆、打设长锚杆,以减缓围岩裂隙发展,阻断围岩渐进破坏过程。

基于凿岩台车钻进速度的隧道围岩基本质量指标计算方法

为保证隧道施工中岩体识别的准确性,针对冲击-旋转耦合式破岩的凿岩机提出1种基于钻进速度的隧道围岩基本质量指标(BQ)计算方法,包括基于钻进速度的BQ拟合计算式和钻进速度分级模式。首先,从能量角度分析冲击-旋转式凿岩机的破岩机理,推导由钻进参数和BQ值表达的凿岩机破岩功能关系计算式;其次,依托郑万高铁湖北段隧道工程获得92组样本,通过现场试验和室内试验,采集样本的钻进速度和可用于计算BQ值的岩石坚硬程度和岩体完整程度数据;最后,采用数理统计方法建立钻进速度与BQ值之间的关系,并在此基础上提出钻进速度分级模式。结果表明:钻进速度和BQ值之间具有良好的响应关系,当钻进压力一定时,可直接用钻进速度表示围岩BQ值;基于钻进速度的BQ值计算方法,包括中值拟合计算式及可覆盖95%数据的上、下限值计算式;钻进速度分级模式及选择原则可直接用于现场围岩级别的快速判定。

盾构隧道穿越桥梁桩基群的桩基托换技术研究

为探析盾构隧道穿越桥梁桩基群中桩基托换过程的受力转换机理及盾构隧道掘进对群桩基础结构的影响,文章以深圳地铁10号线盾构隧道穿越广深高速桥梁桩基群为工程背景,采用FLAC3D开展桩基托换与地铁隧道施工的数值模拟。研究结果表明:桩基托换后,桥梁荷载体系从桥面板→桩基→地基土转换为桥面板→既有桩基+托换桩→地基土,被托换桩的上覆荷载能够有效地转移到新建托换桩上;在桩基托换与盾构掘进过程中所产生的沉降变形能够提高桩端阻力与桩侧摩阻力,使得桩基结构的最大主应力有所降低;桥梁桩基沉降量以盾构隧道推进过程中由地层损失和掘进扰动产生的沉降变形为主,桩基托换所产生的沉降量占总沉降量的20%~30%;桩基沉降变形、侧向位移与主应力降低效应均主要表现在托换桩上,非托换桩变化不大;盾构隧道管片衬砌结构变形主要产生在桩基托换区域附近,且以沉降变形为主,水平位移较小。

昔格达地层隧道围岩灾变特征及致灾因子研究

研究目的:西南地区面积分布较为广阔的昔格达地层,因其遇水易泥化等特点严重影响着成昆铁路沿线隧道工程的建设,因此对其展开研究具有一定的现实与工程意义。本文对昔格达地层隧道围岩破坏形态进行现场调研,通过现场采样、室内试验、数值模拟、现场监测和理论分析等手段对昔格达地层隧道围岩灾变特征与致灾因子进行深入研究。研究结论:(1)隧道穿越昔格达地层出现灾变数量多,尤其出现拱顶沉降、水平收敛过大、仰拱隆起基底突泥和掌子面塌方等典型灾变模式;(2)昔格达地层隧道围岩含水率在0%~25%范围内时,拱顶沉降、水平收敛、仰拱隆起和掌子面挤出变形等位移变化趋势较为一致,开挖过程中随着含水率的逐渐增大,隧道围岩变形越来越明显,当含水率从25%渐变到30%时,各部位的位移变化急剧增大,含水率在30%时,隧道各部位的累积沉降值达到隧道灾变状态,因此可将含水率25%定为昔格达地层隧道灾变临界值,含水率30%定为昔格达地层隧道围岩灾变值;(3)通过建立灾变因子指标体系,构造判断矩阵并赋值,利用层次分析法确定各因子的权重,灾变源因子影响权重最大的为昔格达地层自身地质及岩体力学性质因子0.625 0,其次是水文地质因子0.238 5,水文地质因子主要为地下水指标影响最大;(4)本研究结论可为西南地区昔格达地层隧道安全快速施工提供指导。

隧道洞口浅埋段管棚超前支护开挖进尺优化

山岭隧道矿山法施工循环作业的开挖进尺对该隧道工程局部乃至整体的施工安全性、经济性有着重大影响。针对使用管棚超前支护的隧道洞口浅埋段,采用Winkler弹性地基梁计算模型,以管棚钢管挠度为控制条件进行开挖进尺优化分析。以厦深高速铁路某双线隧道工程为依托,首先进行理论计算,同时考虑工程实际确定最优开挖进尺并指导施工,随后将现场实测数据与理论解析值对比,两者有较好的一致性。结果表明,Winkler弹性地基梁计算模型可以较真实地反映管棚在洞口浅埋段软弱破碎围岩中的力学行为。

不同大变形等级的层状软岩隧道施工模型试验与数值模拟研究

为探究复杂艰险山区层状软岩隧道非对称破坏特征,提出不同大变形等级下层状软岩隧道的合理施工变形控制技术,以九绵高速公路典型层状软岩隧道为工程背景,建立针对复杂艰险山区层状软岩隧道的大变形等级划分标准,在此基础上通过模型试验和数值模拟,就不同大变形等级下施工工法和支护方式对层状软岩隧道力学行为的影响开展系列研究。研究结果表明:在应力场–层理方向耦合影响下,层状软岩隧道受力与变形空间非对称分布最不利位置位于层理面法向或切向位置,并随着大变形等级(轻微、中等和强烈)的增大,隧道非对称力学特征越明显;此外,施工工法和支护方式对不同大变形等级的层状软岩隧道变形与受力改善效果存在差异,故针对3种大变形等级的层状软岩隧道,分别提出二台阶施工+单层初支+短锚杆支护、三台阶施工+单层初支+长短锚杆支护、三台阶预留核心土施工+双层初支+长短锚杆支护的建议施工变形控制技术。

坡形浅埋隧道爆破振动效应及理论模型验证

为研究位于边坡地形和浅埋土岩复合地层条件下的山岭隧道施工爆破振动效应和振动影响范围,验证并获得准确适用的振速理论模型,以国道317线下穿县城密集区的德格隧道为依托,利用现场爆破振动监测和回归分析对4组常用理论模型进行验证,同时,通过三维数值模拟及与理论模型计算、现场实测结果的比较,围绕爆破振速、振动影响范围以及存在的爆破振动效应进行分析.研究结果表明:4组常见理论模型计算拟合度在0.15~0.86之间,其中,唐海、朱传统和周同龄理论模型公式对应不同爆心水平距离、高程差时各有优势;理论模型计算得到的爆破振动影响范围比数值计算结果更接近现场实测结果;在隧道成洞区28 m范围内爆破施工引起的“空洞效应”明显,地表垂向最大振速由起爆点处的1.98 cm/s增大到了2.23 cm/s;爆心所在横切面内顺坡向一侧距离开挖中线10~20 m范围坡面上“边坡效应”显著,最大垂向振速达1.83 cm/s之后随爆心距增大而线性减小;在逆坡向一侧5~10 m范围内随高程增加将出现“高程放大效应”,因此,上述范围内的地表建筑应作为现场监测重点并做好防震措施.

基于支持向量机的大断面岩质隧道掌子面围岩非均一性判识方法

为快速判识高速铁路大断面岩质隧道施工过程中常表现出的掌子面围岩显著非均一性特征,提出1种大断面岩质隧道掌子面围岩非均一性判识方法。依托郑万高铁5条试验隧道,采集得到掌子面围岩炮眼钻孔过程样本299份,相应形成大断面岩质隧道掌子面围岩分级样本库;分别构建基于支持向量机(SVM)和2种神经网络的大断面岩质隧道掌子面围岩分级模型,采用同样的数据对比3种模型性能;依托SVM分级模型,利用炮孔名义分级和名义分区分级名词描述掌子面围岩非均一性判识方法,并针对5条试验隧道进行判识计算,提出大断面岩质隧道支护结构的局部优化建议。结果表明:相比于2种神经网络分级模型,SVM分级模型在样本数量较少条件下的分级准确度更高,平均准确度为87.9%;更换样本后,SVM分级模型准确度依然如此,且泛化性更强;本文方法判识得到2次爆破过程中的围岩显著非均一性特征,判识结果与爆破终点掌子面实际情况基本一致,可为支护参数局部优化提供依据。

深埋软岩大变形隧道支护变形特征及承载机理研究

为解决某深埋软岩单线铁路隧道大变形问题,在隧道内设置试验段;现场测试分析隧道支护受力及变形特征,发现边墙处支护变形与其承受的围岩压力、支护刚度及围岩内部变形均不匹配,拱顶支护变形与其承受的围岩压力也不匹配;通过数值模拟及理论分析,分别计算该隧道拱顶及边墙处的围岩特征曲线,并根据隧道变形及破坏特征建立隧道支护变形失稳模型,研究支护承载及失稳机理。结果表明:软弱围岩可承担的围岩荷载比例有极限,无法通过释放围岩变形让围岩承担大部分荷载,现场测试得到工程中拱顶及边墙处围岩承担荷载比例分别为63.5%和34.7%;马蹄形断面隧道出现的大变形现象,是由于边墙支护结构刚度失效与稳定失效共同作用引起的。针对工程中出现的问题,提出将隧道断面由马蹄形改为圆形断面、预留合理变形量以及增设长锚索等大变形控制措施。采用该措施后,初支变形基本得到控制,且隧道施工进度由1~3 m·月^(-1)增至20 m·月^(-1)。

下穿黄河砂卵石地层盾构隧道管片结构受力特征现场测试

为研究砂卵石地层中管片的力学行为,以兰州地铁1号线穿黄段为研究对象,采用改良的测试传感器走线方式,对管片内力及外部水压力进行现场测试,并进行相应的数值模拟。将现场测试数据与数值模拟结果对比分析,得出如下结论:1)外部水压力及管片内力受盾构施工影响最为显著的范围为距掌子面3~5环,在此范围内应加强对受拉区的监测,并采取相应措施防止管片在施工初期破损;2)外部水压力及管片内力在距掌子面6~13环时受施工影响逐渐降低,距掌子面13环后趋于稳定;3)运用梁-弹簧模型设计管片是偏于安全的,但应充分考虑施工荷载。

砂性地层中地层损失引起的地表沉降模型试验

采用盾构法修建地铁所引起的地层损失会引发地表沉降,影响施工的安全和稳定。为研究砂性地层中地层损失对地表沉降的影响,文章开展了室内模型试验,通过埋置在地层中液囊体积的减少来模拟地层损失。试验得出,在隧道开挖过程中发生地层损失的情况下,地层损失率大小、砂层含水情况以及地下水位改变对地表横向沉降的影响规律。试验结果表明,地层损失率的增加会引起地表沉降增大;地层损失在湿砂地层中引起的沉降小于干砂地层;地下水位的上升和下降均会使地层损失引起的地表沉降增大。

围岩力学参数对小净距隧道初期支护受力影响的研究

以青岛地铁8号线胶州湾海底隧道工程为依托,研究各围岩力学参数在小净距隧道开挖过程中的重要程度。根据控制变量法选取了弹性模量,泊松比,黏聚力和内摩擦角进行数值模拟研究。运用三维有限差分模型,对泵站施工进行了模拟计算。结果表明:两侧隧道的最大主应力和周边位移随泊松比的增大而增大,随弹性模量等参数的增大而减小;隧道结构力学响应对内摩擦角的变化最敏感,对于应力方面,泊松比变化最不敏感;对于侧面竖向位移方面,黏聚力最不敏感。

富水区城市公路隧道中隔壁法各开挖步力学特征研究

以深圳东部过境高速公路连接线工程为依托,基于应力场-渗流场耦合的数值模拟方法,研究富水区城市公路隧道中隔壁法各开挖步力学特征。结果表明:中隔壁法各开挖步骤的围岩主应力变化特征明显,隧道目标面围岩总体受压,在隧道两侧拱腰至拱脚处存在较为明显的压应力集中现象,而拱底及掌子面则出现少量拉应力集中;不同开挖步拱脚处初期支护应力最大,拱腰、拱肩和拱顶处应力量值较为接近,而拱底处应力最小;初期支护受力随隧道开挖进程变化幅度较小,初期支护具有一定的安全储备;各径向特征点水压力均呈现从注浆圈外侧至初期支护外侧逐渐减小的趋势,而各环向特征点水压力由拱顶至拱底逐渐增大;对于作用于初期支护上的水压力值,数值计算结果稍大于不考虑开挖影响的理论预测值,表明中隔壁法隧道施工各开挖步对衬砌背后水压力大小及分布规律有一定影响。

列车荷载作用下联络横通道对平行交叉盾构隧道振动影响机制的试验研究

城市地铁中广泛存在由联络横通道连接形成的平行交叉盾构隧道,在列车振动荷载作用下该特殊结构段的动力响应问题更加突出。通过建立有、无横通道的2种平行交叉的盾构隧道模型,研究列车荷载作用下平行交叉盾构隧道的动力响应特征,探明联络横通道对两主隧道振动响应的影响机制,得到以下结论:联络横通道的存在将会减小列车荷载所在隧道的动力响应,其影响范围约为横通道宽度的2倍;而对于相邻的另一主隧道,当中心频程低于125 Hz时,衬砌结构的三分之一倍频程因横通道的存在而增加,且频率越低影响越大。横通道对两主隧道振动响应的影响机制在于:横通道结构的整体性和密实性远高于土体,列车行驶产生的振动波在横通道中传播的损耗低于土体,且频率越低的振动波在传递过程中损耗更快。

基于内置接头参数数组的整环衬砌模型结构分析

为在整环衬砌结构分析中正确体现管片接头参数的复杂特性,通过表格型数组将管片接头参数内置于整环衬结构分析的程序中。经迭代计算,实现了管片接头三维非线性参数在整环衬砌分析中的全面应用。研究表明:这种将接头参数和整环衬砌整合在同一程序的算法,不但结果可靠而且运算速度更快;管片接头的抗弯刚度、接缝张开量、混凝土最大压应变、螺栓拉应力都将随着拼装方式、接头位置、外部荷载而改变,不适合单一取值;该模型不仅能分析整环受力和变形,而且能评价各管片接头的安全状态。

防水密封垫布置方式对管片接头的力学影响分析

为实现管片接头的受力和接缝防水共赢,利用可模拟复杂接头特性的管片接头力学模型,分析不同位置、不同宽度、不同数量的密封垫对管片接头的力学影响,并探讨兼顾管片接头受力与密封垫防水的接头设计,给出相应改进建议。研究表明:1)对于软弱地层的管片接头,密封垫靠近接缝面中部布置可以使管片接头保持较高的抗弯刚度,降低接头混凝土压溃和螺栓受拉屈服的风险,确保管片接头的受力安全,并具有良好的接缝防水能力;2)对于硬质地层的管片接头,其密封垫靠近接缝面边缘布置或采用大宽度密封垫,并配合采用改进接缝面接触方式和改善螺栓材质等综合措施,可达到同时降低接头抗弯刚度、确保接头安全、提高接缝防水的目的。

不同接触并存的管片接头力学分析

大型管片接头接缝面趋于复杂化,使得接头受力和变形也将有复杂反应。采用能模拟接头复杂特性的管片接头力学模型,对管片接头在同一接缝面上并存的2种不同接触情况进行力学分析。研究表明:1)当外侧缝隙量适当增大时,能延缓管片接头混凝土压溃,提高接头破坏弯矩的水平,并促使破坏形式从混凝土压溃的脆性破坏向螺栓屈服的塑性破坏变化,对结构设计有利;2)当接缝面中部夹填适当厚度的局部承压衬垫时,弯矩与转角关系曲线趋于直线形,抗弯刚度水平没有明显下降,接缝张开量也没有增大,接缝面中部区域承压始终较充分,对防水有利;3)当同一接缝面上的2种接触的尺寸或材料选取不当时,会引起接头性能明显下降,需谨慎设计。

基于人眼舒适性的公路隧道照明适应曲线修正

为保障隧道安全运营,文章从驾驶员舒适性行车角度出发,采用室内试验的手段,以瞳孔面积变化速率和视觉震荡时间两项指标分析驾驶员明、暗适应时间,对已有照明适应曲线进行修正,并依据修正曲线对公路隧道照明设计标准进行修正,为隧道照明的安全性与舒适性设计提供理论支撑。结果表明:人眼最舒适色温为中色温(4000~5500 K),最舒适光源入射角度为20°;在入口段可通过修正亮度折减系数和安全停车视距对长度和亮度进行修正;在过渡段可通过修正入口段长度和亮度对过渡段长度和亮度进行修正;在出口段通过修正曲线提高出口段亮度时,需加长出口段长度,将出口段划分为3段,长度分别取6 s、4 s、4 s内行车距离。