大断面深埋黄土隧道锚杆作用效果的试验研究

 黄土隧道系统锚杆的作用效果问题一直是争论的焦点,依托正在修建的郑州—西安铁路客运专线大断面黄土隧道工程,采用现场对比试验方法对深埋黄土隧道系统锚杆的作用效果问题进行研究。为了使试验结果有可比性,选取试验条件基本相同的函谷关隧道洞身段作为试验段,分别设置有系统锚杆段45 m和无系统锚杆段45 m进行对比试验。对比试验的测试项目有：拱顶沉降、拱脚沉降、水平收敛、围岩压力、初支钢架应力及锚杆轴力等。试验结果表明：有系统锚杆段与无系统锚杆段的拱顶沉降和水平收敛基本相等;两者的土压力和钢架应力相差不大;锚杆轴力较小,且拱部锚杆受压,边墙锚杆受拉。综合分析后认为,拱部系统锚杆作用效果不明显,取消拱部系统锚杆可减少施工工序,加快开挖面的封闭和全断面初期支护的及早闭合,从而能更好地控制支护结构变形,并节约工程投资。     

高地应力软岩隧道中型钢与格栅支护适应性现场对比试验研究

结合正在修建的兰新铁路第二双线LXS-7标存在极高地应力的大梁隧道,系统开展型钢钢架与格栅钢架在高地应力软岩隧道支护中适应性的现场对比试验研究。现场设置型钢钢架支护段与格栅钢架支护段各20 m,通过现场试验及三维数值仿真模拟,对施工过程中的围岩位移、初支钢架应力、围岩-初期支护接触压力进行对比分析,结果表明：(1)在高地应力软岩隧道支护中,型钢钢架对沉降及水平位移的约束作用较强,但支护后期变形呈现台阶式增长趋势,支护设立2个月后仍无明显收敛趋势。相应地,支护结构承受了较大的围岩压力,试验断面围岩-初期支护接触压力最大值为336 kPa,钢架应力较大;二衬施作后围岩变形仍在增加,对二衬结构会有一定影响。(2)格栅钢架属于柔性支护,初期支护设立一周后拱顶累计变形达350 mm,可较好地释放高地应力区围岩应力与变形,但支护内力及变形急剧增加无法收敛。(3)为更好地控制围岩变形,在格栅支护设立一周后增设工字钢套拱作为后期刚性支护,围岩变形曲线呈现明显收敛趋势,洞室变形稳定至446 mm。断面围岩-初期支护接触压力实测最大值为190 kPa,有效地控制支护的变形与格栅应力。(4)试验表明,现场采用“先柔后刚”的支护原则,即先架立格栅后加设套拱对高地应力软岩隧道进行支护,可有效控制软岩大变形及支护内力,结构合理。经济性分析也表明,此支护形式具有较好的经济性,是一种可适用于高地应力软岩隧道的支护结构。     

黄土隧道浅埋偏压洞口段套拱结构受力监测与分析

为了解黄土隧道浅埋偏压洞口段套拱结构的受力状况,对刘家坪2号隧道洞口段套拱基底应力、钢架应力、混凝土应力及拱顶下沉进行施工监测,并对监测结果进行分析。结果表明:浅埋偏压情况下,套拱两侧基底应力分布不均匀,拱顶填土引起基底应力急剧增长,仰拱施作后基底应力趋于稳定;套拱钢架受力复杂,有拉有压,且值很大,仰拱开挖引起钢架应力急剧增长,钢架在套拱支护结构中发挥了强大的支护作用;冬、夏季温差引起套拱混凝土应力随时间(季节)的变化呈现拉、压交替变化,夏季出现最大压应力,冬季出现最大拉应力,且压应力较小,拉应力较大,多处测点都超过了C25模筑混凝土设计轴心抗拉强度;套拱拱顶下沉主要由洞顶填土施工和仰拱开挖引起。     

水下浅埋小间距隧道型钢拱架受力性状的监测及分析

湘江大道浏阳河隧道是我国第一座用矿山法施工的水下浅埋小间距公路隧道,隧道采用台阶法开挖,初期支护大量采用全环布设的型钢拱架.隧道支护拱架的受力性状是支护体系稳定的关键控制因素之一.通过对施工现场钢拱架的应力和位移的测试,基于大量的实测数据,对拱架的受力性状开展研究.结果表明:型钢拱架在拱顶和仰拱底的应力较大;下台阶开挖...     

浅埋偏压小净距黄土隧道初支拱架选型

黄土隧道设计中初期支护拱架的选型问题是目前争论的焦点问题之一.以格栅和型钢两种类型的支护结构为研究对象,采用数值模拟的方式,重点分析了浅埋偏压小净距黄土隧道洞周特征点土体位移,并结合两种支护结构下围岩塑性区大小和支护结构内力,得出格栅支护时的特征点土体位移略大于型钢支护,实测值也证实了该结论的可靠性;而支护结构内力则相反,且两种支护结构下的围岩塑性区相差不大,因此建议在浅埋偏压小净距黄土隧道初期支护设计中宜采用格栅支护措施.     

高强钢筋格栅在Ⅴ级围岩隧道中的支护效果研究

与普通钢筋相比,热处理高强钢筋具有强度高、延性好、强屈比高等力学性能优势,然而在铁路软岩隧道中能否用高强钢筋格栅来代替型钢拱架尚需要进一步研究。该文依托成兰铁路柿子园隧道,选取条件基本相同的60m典型Ⅴ级围岩段为试验段,对高强钢筋格栅和型钢钢架支护时的围岩与初支接触压力、拱架应力及洞周位移进行实测对比分析,分析了高强钢筋格栅在软岩隧道中的支护效果。研究表明:(1)φ22mm高强钢筋格栅支护抗弯刚度较小,呈现出柔性支护特点;(2)高强钢筋格栅与混凝土结合性能好,二者协同工作效果好,能够更好的控制支护内力,围岩压力与隧道变形;(3)高强钢筋格栅强度等级高,能提供更高的支护强度安全储备。高强钢筋格栅在软岩隧道中展现出很好的适用性。     

深埋隧道软弱围岩支护体系受力特征的试验研究

 软弱围岩由于强度低、稳定性差、变形持续时间长等特点,在隧道施工中常引起大变形、崩塌等破坏现象,导致初支结构强烈变形甚至破坏,严重影响隧道施工和安全,是隧道建设中遇到的主要难题之一。通过对贵阳-广州铁路天平山隧道试验段锚杆轴力、围岩压力及钢架应力的监测,分析各支护构件的受力特征。研究结果表明：对于初期变形速率较大的软弱围岩,锚杆轴力多呈中间大、两端小的分布型式,且轴力变化历时长,不易稳定;在同等地质软弱围岩条件下,型钢钢架的围岩压力比格栅钢架增大70%～90%,型钢钢架的应力分布较均匀,支护效果要优于格栅钢架。     

黄土隧道初期支护结构受力特性研究

为研究黄土隧道初期支护结构受力特性,对刘家坪3号隧道的初期支护结构进行受力监测,监测项目包括钢架应力和喷射混凝土应力。监测结果表明喷射混凝土应力均为压应力,且分布不均。格栅拱架内、外侧均为压应力,分布不均。采用有限元分析软件对隧道施工过程进行了数值模拟分析,计算结果和实测结果较为一致。     

黄土隧道锚杆受力与作用机制

 为探讨黄土隧道锚杆作用效果及机制,对陕西省吴堡-子洲高速公路上3座黄土隧道中的48根锚杆应力进行现场测试和统计分析,结果发现：黄土隧道在钢架支护条件下,拱部系统锚杆受压且应力值较小;拱脚处锁脚锚杆以受拉为主,锁脚锚杆应力普遍大于拱部锚杆应力。从土体的变形和锚杆与土体的锚固效果2方面分析黄土隧道拱部系统锚杆的力学状态,分析认为隧道开挖后,浅埋黄土隧道拱部发生整体沉降,锚杆并不存在锚固段;深埋黄土隧道开挖后土体产生较大塑性区,目前以“短而密”原则设计的系统锚杆也不存在锚固段;锚杆与土体采用水泥砂浆或药卷式锚固剂黏结效果差,因而黄土隧道锚杆锚固力不大;锚杆锚固于初期支护上,并伸入土体中,从内部约束土体变形,在初期支护施作后,相对于土体的后续变形,拱部系统锚杆受到土体向下的摩阻力,相当于桩承受负摩阻力,因而拱部系统锚杆受压。综合以上分析表明,在黄土隧道中,钢架支护条件下的系统锚杆支护效果不明显,可以取消。工程实践证明,钢架支护条件下黄土隧道取消系统锚杆,可减少施工环节,更有利于隧道施工安全和结构稳定,可缩短工期和降低工程造价,有着特别显著的社会经济效益。     

隧道开挖围岩土压力拱效应分析

采用弹塑性理论应力反馈算法,研发材料本构模型子程序,将土的应力路径本构模型嵌入大型有限元软件ABAQUS,通过对三轴压缩和三轴拉伸试验条件的数值模拟,验证了子程序的精度。利用二次开发后的ABAQUS对隧道开挖过程进行了三维有限元分析,从不均匀变形、应力重分配、应力路径和地表沉降规律四个方面研究了由重力引起的大主应力改变产生的土压力拱效应。研究结果表明:隧道开挖过程中,围岩土体中的应力路径变化非常复杂,并受几何位置和开挖进程影响;隧道埋深较浅时,土压力拱作用至地表,尚未完全发挥支撑作用,表现为隧道上方土体的整体沉陷变形;隧道埋深较深时,土压力拱的作用未影响至地表,充分发挥了支撑作用,表现为隧道上方土体的塌落变形;土压力拱的作用范围受隧道埋深影响不大,约为隧道半径的3倍。     

黄土隧道地基湿陷变形评价方法探讨

 隧道穿越自重湿陷性黄土地层时,可能遭受浸水作用下地基湿陷变形的附加作用而产生结构破坏。针对隧道衬砌结构的湿陷性黄土地基,结合隧道围岩及地基的自重湿陷变形特征,首先,提出浅埋隧道围岩压力、衬砌结构自重荷载构成基底压力和隧道两侧基底面分布土层自重共同作用下地基土的附加应力计算方法,以及考虑地基土自重应力的湿陷压缩应力计算方法。其次,在基本物性与构度、构度与结构压缩屈服应力、孔隙比和初始孔隙比比值与压缩应力和结构压缩屈服应力比值关系的基础上,建立自重湿陷系数和湿陷系数的计算方法。依据大厚度自重湿陷黄土场地不同埋深范围黄土具有不同自重湿陷系数门槛值的特征,得到了场地的自重湿陷变形和隧道地基的湿陷变形的计算方法。最后,通过数值计算分析,模拟隧道地基湿陷变形不同沉降差作用下衬砌结构应力场和塑性域发展,随着不均匀湿陷变形的增加,隧道衬砌结构塑性区范围不断增大,并结合铁路路基沉降控制标准,建议隧道地基湿陷变形0～5 cm为一级、5～10 cm为二级、大于10 cm为三级。     

黄土公路隧道浅埋段管棚注浆支护机理及监测分析

为了探讨管棚注浆法在黄土公路隧道浅埋段中的支护机理和实际应用效果,对某黄土公路隧道右线出口段进行了地表沉降、拱顶下沉和水平收敛等的施工监测;在对现场监测数据进行分析的基础上,得出黄土公路隧道洞口浅埋段在管棚支护作用下拱顶下沉、水平收敛、地表沉降等的变化规律。研究结果表明:管棚注浆法能够显著抑制浅埋黄土地层的变形和拱顶下沉,减少隧道初始支护结构的变形和受力,避免浅埋黄土地层开挖中塌方现象的产生,保证了施工安全,为进一步分析黄土地区管棚注浆法的支护机理提供了参考依据,同时也为今后西北地区黄土公路隧道管棚注浆法的设计和施工提供了优化数据。     

垂直节理影响的黄土隧道洞口段稳定性分析

通过模拟节理发育位置和数量的不同,在考虑隧道洞口段上覆土层厚度及洞周土体含水量变化的条件下,对黄土隧道洞口稳定性进行了计算分析。计算结果表明:在隧道洞口宽度范围之内,节理在拱顶中部时对拱顶沉降的影响较小,节理位置越偏离中部,拱顶沉降越大。节理位置位于隧道洞口段某侧时,节理发育一侧土体的相对剪应力水平和屈服区域面积均大于另一侧,说明节理对隧道洞口段有不利影响。当节理在洞顶两侧同时出现时,土体塑性区沿着节理面迅速发展,拱顶中部土体被节理充分切割,形成危险滑体。     

大断面地铁车站新奥法施工监控量测

基于某大断面车站施工,结合地下工程开挖施工监控量测,围绕周边位移、拱顶下沉以及钢格栅与钢拱架应力量测,进行了大断面隧道施工监控量测分析与结果处理,分析指出,当受到施工条件的限制,常规量测方案很难实施时,可适当采用可行的施工监控量测变通的方法。     

大断面黄土隧道沉降突变段施工处理技术

结合郑西线贺家庄隧道沉降突变段的施工处理情况,阐述了预留核心土法开挖黄土隧道施工工艺、大断面黄土隧道施工技术措施及应注意的问题,指出大断面黄土隧道施工中应加强监控量测,重视气候及地质对隧道施工的影响。     

郑西客运专线铁路张茅隧道近饱和黄土体初期支护应力变形特征研究

 黄土的特性是其工程性质受含水量的影响很大,郑西客运专线铁路张茅隧道穿越含水量20%的近饱和黄土体,施工难度大。通过系统分析张茅隧道的施工地质条件,确定具有针对性的隧道开挖步序。针对施工需要快速封闭开挖面的特点,结合隧道断面规模特征,研究三维非接触变形观测方法,对开挖后初期支护的拱顶下沉和两壁收敛等特征变形量进行现场长期测试;结合布置在初期支护上的土压力盒与表面应变计的测试,对初期支护的土压力特征和表面接触力特征进行研究,获得近饱和黄土体在三台阶七步开挖条件下的变形和应力特征,总结出该类开挖施工方法下黄土隧道初期支护的极限变形量指标特征,为类似工程提供参考。     

冻融引起黄土隧道洞口段应力变形分析

通过试验获得了原状黄土冻融后的强度参数,并利用有限元方法分析了冻融对黄土隧道洞口段应力及变形的影响。分析结果表明,在冻融作用下,覆土厚度和冻融次数均会对拱顶位移和拱顶上部土体水平压应力产生影响。覆土厚度越大,隧道在开挖和经历冻融后,拱顶沉降也越大;且冻融第1次后对拱顶沉降影响最大。拱顶上部土体水平压应力最大值随覆土厚度的增加而增大;距拱顶较近土体的水平压应力随冻融次数增加逐渐减小,距拱顶较远土体的水平压应力值随冻融次数增加逐渐增大。     

大断面黄土隧道施工关键技术

通过对穆村1号大断面黄土隧道的施工,分析了砂性新黄土隧道施工的风险性,并制定了相应的施工方案及预防措施,介绍了环形开挖预留核心土法黄土隧道施工的关键技术,以推广该方法的应用。