大断面铁路隧道室内模型试验与分析研究

为研究隧道在受压破坏时,衬砌的受力特性与变形规律,采用石膏来模拟隧道衬砌,通过在关键测点布置土压力盒、应变片与百分表,监测模型衬砌的压力、应变与位移,并对监测数据进行分析。研究结果表明:各测点的围岩压力和初衬与二衬间接触压力都以压应力为主,且应力最大值出现在左仰拱拱脚、左右拱腰与仰拱拱底的位置;模型主要受到压应变,且模型衬砌内表面更容易破坏;隧道模型拱顶的沉降最大,在施工时对拱顶沉降的监测是有必要的;当隧道受到较大压力时,很可能会造成仰拱开裂。     

滨海孤石地层盾构掘进的稳定性数值分析

孤石是风化岩残留体硬度高强度大,地层存在孤石是阻碍盾构施工的危害之一。依托厦门城轨交通4号线彭厝北站~蔡厝站区间,针对滨海孤石地层盾构掘进的稳定性进行离散元数值分析,分别研究孤石与隧道距离、隧道埋深、孤石位置及盾尾空隙对地层稳定性的影响。研究结果表明:随着孤石与隧道距离增大,地层扰动范围、拱顶衬砌压力变化及地表沉降都有减小的趋势;随着隧道埋深的增大,地层扰动范围及地表沉降都呈减小趋势,衬砌土压力整体上呈现增大趋势;随着孤石位置逐步远离隧道顶部,地层扰动范围及地表沉降都呈减小趋势,孤石位于拱肩、拱脚、仰拱底时衬砌压力产生突变;随着盾尾空隙增大地层扰动程度及地表沉降也增大,衬砌拱顶土压力呈增大趋势。     

山岭隧道水压力分布对围岩稳定性及结构受力影响研究

采用平面有限元数值模型分析透水衬砌、排水系统和墙脚排水3种排水形式下,无水压、衬砌水压力在均布和非均布时蛋形断面和圆形断面山岭隧道围岩的稳定性及结构受力特征。研究了衬砌水压力不同分布对隧道位移、塑性区和结构受力的影响规律,并对衬砌水压均布与非均布的结果进行了对比分析。分析结果表明:水压力的存在使隧道位移、塑性区范围和塑性应变最大值显著增加,对围岩的稳定性不利,特别是对结构受力的影响更加显著。水压力较大时,从围岩稳定性和结构受力来讲采用圆形断面优于蛋形断面。水压力不均匀分布时对围岩稳定性和结构受力均产生不利影响。     

干湿交替条件下膨胀围岩隧道的力学性态研究

以广西南宁膨胀土为围岩材料,制作室内膨胀围岩隧道物理模型。通过对隧道模型进行干湿循环试验,得出围岩在吸水及失水条件下的围岩应力-时间关系曲线及衬砌应变-时间关系曲线。试验认为在吸水过程中大部分测点的围岩压力都经历了增长、减小、不同速率的再增长3个阶段。衬砌变形则经历缓慢增长、急剧增长、急剧减小、微增长4个阶段;在失水过程中,从整体上可以将围岩压力变化分为两部分,即围岩失水收缩致使衬砌和围岩的接触压力下降导致围岩应力值减小以及土体收缩产生收缩应力导致应力监测值增大。并分析这种变化规律的形成机理,证明时间效应和空间效应的存在。为今后膨胀围岩隧道的结构设计和施工优化提供一定的理论参考。     

水底隧道复合式衬砌水压力影响因素分析

富水量较大的水底隧道,隧道防排水系统对于控制隧道涌水量和衬砌外水压力十分重要。采用数值计算方法,研究固定水头下水底隧道不同注浆参数、衬砌渗透系数及隧道控制排水量对衬砌水荷载的影响,并与轴对称解析解结果进行对比验证。研究结论:(1)渗透系数增加和注浆圈厚度减小都致使衬砌外水压力的增加;(2)初衬渗透性的变化对初衬外水压力的影响十分显著;(3)数值解与解析解的结果相差不大,非圆形隧道截面可利用等效半径求解衬砌外水压力和隧道涌水量的解析解,并用于隧道防排水的初步设计;(4)隧道注浆圈参数和初衬渗透系数一定时,增大控制排水量有利于减小二衬背后外水压力。     

基于有限单元法的隧道抗水压衬砌结构设计

研究目的：客运专线铁路隧道结构设计中往往会碰到水荷载作用计算难题，考虑抗水压衬砌结构设计仍然是隧道设计与研究热点之一。为检验隧道衬砌结构设计的安全性及防水性，有必要对抗水压衬砌设计结构进行内力计算。研究方法：针对金沙洲隧道特定地质条件和工程设计要求，采用基于有限单元法的荷载结构模型，对按围岩类别设计的3种隧道断面衬砌结构受力进行数值模拟。研究结果：研究得到了衬砌外水压力以及结构内力及分布特征，并验算了衬砌结构的安全系数。通过对计算结果分析验证，选出了各自围岩级别下合适的衬砌结构。研究结论：在全断面封闭排水的衬砌结构设计中，应着重考虑发挥混凝土的抗压性能；在富水区地下水头较大时。采用帷幕注浆法改善堵水圈的渗透系数，可有效降低衬砌的外水压力；选择仰拱外轮廓隅角半径、仰拱与曲边墙的连接处的半径以及仰拱厚度作为控制变量，可以改善衬砌结构受力特征。     

地形偏压连拱隧道模型试验衬砌受力研究

运用相似理论分析模型材料的选择原则,设计了能进行围岩压力、位移、衬砌变位及竖向加压测试的平面应变模型试验装置。通过1∶20比例尺寸的模型试验对地形偏压作用下连拱隧道衬砌受力和拱顶沉降的分析,表明在不同荷载下左右洞室衬砌都受压力,随着隧道上覆荷载的增大而增大,左洞最大轴力值分布于仰拱和边墙的结合部位,右洞最大轴力值分布于靠近中墙的左拱腰;试验过程中,左右洞室有被压扁的趋势,连拱隧道整体向浅埋侧移位,浅埋侧和深埋侧围岩出现被动压力和主动压力作用。     

蠕变作用下洞径对大埋深软岩盾构隧道力学特性研究

为解决大埋深软岩盾构隧道衬砌结构的稳定性问题，依托广佛环线广州南站至白云机场段工程段盾构隧道工程，采用YSJ-01-00岩石三轴压缩流变试验机对泥质砂岩试样进行了室内蠕变试验，确定了数值模拟中Cvisc模型描述隧道泥质砂岩的蠕变特性的适用性；采用数值模拟对围岩蠕变作用下大埋深软岩盾构隧道力学特性展开了探究，结果表明：蠕变过程分为逐渐衰减和稳定蠕变两个阶段，围岩蠕变会造成内力值、弯矩以及应力值增加，从而使盾构隧道管片结构变形更加严重；当洞径不同时，其产生的围岩蠕变过程中，弯矩值、轴力值、变形值、应力值的变化趋势基本相同；如果洞径持续增大，其周边的岩石产生的压力更加明显，尤其集中体现在衬砌结构(管片)上，衬砌变形程度也更大；管片衬砌外侧接触压力与洞径成正比，同时拱腰处的接触压力所受到的影响相对较大。研究结果可为大埋深软岩盾构隧道的设计和施工提供指导。     

重叠隧道上洞开挖面支护与注浆压力对下洞隧道的影响分析

以昆明地铁首期工程环城南路站—昆明火车站站区间重叠隧道为背景,研究重叠隧道施工时开挖面支护压力及注浆压力对下洞隧道的影响。采用有限元数值模拟方法,分析了土仓压力与注浆压力对地表沉降和下洞管片衬砌结构应力的影响。研究表明,注浆压力的影响更为显著,盾构掘进应保证开挖面支护压力不小于地层原始水平应力,注浆压力应控制在0.8~1.0倍地层原始应力范围内。     

3洞小净距隧道围岩压力计算方法

针对3洞小净距隧道围岩压力计算问题,基于普氏平衡拱理论,将围岩压力看作单洞隧道的基本压力与相邻隧道开挖引起的附加压力之和,提出适用于3洞小净距隧道的围岩压力计算方法;根据该计算方法研究不同岩柱厚度、开挖跨度和开挖高度对围岩压力的影响规律,并将该计算方法应用于确定八达岭长城站3洞小净距隧道围岩压力。结果表明:随着岩柱厚度的增加,围岩压力不断减小,当岩柱厚度达到某一值时,围岩压力与单洞隧道相同;岩柱厚度、边洞跨度和中洞高度变化影响整体围岩压力,中洞跨度和边洞高度仅影响各自单洞围岩压力;3洞小净距隧道的最优开挖顺序为"先边洞、后中洞",中洞围岩压力大于边洞,应力值最大点为中洞顶部。施工中应注意中洞围岩稳定,采取有效的措施对岩柱区域进行加固。     

粉细砂层富水岩溶处置方案研究

本文针对溶洞发育规模大、含水量大、水压高且邻近既有隧道,提出"溶洞高位泄水洞+溶洞超前帷幕注浆+大管棚支护"的综合施工方案,并对不同水灰比的水泥净浆进行强度试验,另添加不同比例的水玻璃进行双液浆试验,最终选定水灰比为0.8:1、水泥浆与水玻璃体积比为1:0.5的双液浆作为施工浆液。最后,通过钻芯取样以及孔内成像技术对注浆效果进行验证。研究成果可为类似铁路隧道溶洞处置提供依据。     

盾构隧道开挖过程中溶洞对围岩变形影响的数值模拟

针对大连地铁5号线某岩溶强烈发育区段盾构隧道开挖,运用ABAQUS软件建立三维数值计算模型,分析盾构掘进过程中不同方位的溶洞对隧道围岩变形的影响规律,结果表明:溶洞的存在对隧道围岩变形影响显著,隧道围岩有向溶洞存在方位倾斜的趋势;隧道开挖完成后,塑性区隧道与上部、侧部溶洞围岩未贯穿,下部溶洞产生贯穿塑性区,为掘进过程中的最危险部位。     

遂渝铁路荆竹岭隧道复杂地质段设计

研究目的：消除荆竹岭隧道发生岩溶突水引起施工灾害事故发生可能,避免过可溶岩段地下水大量漏失破坏水环境引起地表塌陷,解决隧道过巨大溶洞群、地下暗河、岩溶突泥段及石膏层膨胀腐蚀性对隧道结构强度、稳定、耐久性的影响问题。 研究方法：本着治水、环保、安全、运营救援相结合的理念,系统设置辅助坑道、特殊地质段加强超前地质预报、富水地段帷幕注浆堵水与岩溶暗河疏导排水相结合,并运用ANASYS程序数值仿真计算。 研究结果：完成隧道跨越“溶洞、暗河、突泥段”设计、石膏地层段支护结构设计、抗水压衬砌设计。 研究结论：本隧富水段、岩溶暗河段的防排水设计理念及复杂地质段设计措施,确保了隧道结构的施工、运营安全,可很好地指导今后类似复杂地质段工程设计。     

城际铁路隧道大型溶洞特征及处理技术

安顺至六盘水城际铁路茨冲一号隧道DK95+730~DK96+017段施工开挖揭示出大型溶洞群,采用溶洞形态测量、隧底岩溶物探探测、桩基地质钻探及补充调绘等综合勘察手段,查明隧道洞身及隧底大型溶洞的形态特征,以及该区域水文地质情况。提出相应的处理措施:隧道洞身采用混凝土护拱、护墙及C20混凝土加固;拱部采用“锚网喷+型钢钢架”防护;隧底采用桩筏、“横向托梁+筏板”跨越和采用C25混凝土换填或回填,并加强隧道周边引排水措施,以确保岩溶水畅通。     

牛角坪隧道左线溶洞处理施工

毛川高速公路牛角坪隧道左线施工过程中遇到溶洞,结合这一工况,研究了处理方案并予以实施：采用片石砼、隧道洞碴回填隧道底部溶洞空腔;钢筋砼板配合边墙纵梁、梁间横梁跨越溶洞;钢拱架、挂网喷射砼形成隧道衬砌轮廓;泵送砼回填边墙、拱部腔体完成溶洞施工处理。采用该方式处理溶洞,取得了较好的效果,可供相关工程借鉴。     

宜万铁路下村坝隧道大型半充填溶洞处理技术

宜万铁路下村坝隧道施工中揭示大型半充填型溶洞——"+615"溶洞,溶洞处理难度大,技术要求高,为确保施工及运营期隧道安全,在查清溶洞发育地质特征的基础上,研究安全可靠、经济适用的综合处理方案。根据溶洞发育规模、工程及水文地质条件综合考虑隧道工程修建技术特点,经理论计算、工程类比,对"+615"大型半充填溶洞提出了"拱部回填砂浆稳定危岩、隧底桩基承台结构跨越溶洞、洞身加强型复合式衬砌结构"相结合的综合处理技术。结果表明,工程实践效果较好,隧道结构安全可靠。     

深埋岩溶隧道水压力的预测与防治

研究目的:为保护洞顶水资源和环境,深埋岩溶隧道“以排为主”的设计原则巳不适应环保要求,开始尝试 “以堵为主”的防排水原则。封堵地下水会使隧道衬砌承受巨大水压灯,“以堵为主”的关键问题是预测和防治隧 道水压力。 研究方法:隧道水压力受地下水水头损失和地下水与衬砌接触面积的双重影响,据此在调整岩溶隧道水头 折减系数的基础上,分析隧道水压力模式。 研究结果:给出了用渗流水量确定隧道水压力的公式,继而讨论了基于水环境平衡的适度排水和围岩注浆 的防治原则,并给出了注浆圈和其内衬砌的水压力的计算公式。 研究结论:引用锦屏二级水电站探洞和渝怀铁路圆梁山隧道的实测资料对上述水压力公式进行检验,其计 算的隧道水压力较符合实际。     

溶洞分布对城轨交通盾构隧道影响规律研究

针对近年来广州、长沙、武汉及云贵等岩溶发育地区地铁工程现状,文章以贵阳市轨道交通3号线为工程背景,采用二维数值模型对溶洞分布影响进行模拟计算分析。经模拟计算分析,得出溶洞不同方位、不同尺寸、与盾构隧道不同净距以及在不同围岩等级中对隧道开挖洞室稳定性、隧道衬砌管片受力的影响规律,以确定贵阳市轨道交通3号线盾构施工中溶洞处理范围,为岩溶发育区城市轨道交通建设提供参考。     

地铁隧道单个圆形溶洞地基渐进性破坏模型试验研究

根据相似理论,设计平面应变模型试验系统,研究地铁隧道存在单个圆形溶洞时,在注浆压力作用下岩溶地基渐进性破坏特点。试验中采用圆柱形气囊模拟注浆压力。对逐级加载过程中土层压力的变化规律进行研究,并对加载过程中土层的位移进行讨论,绘制顶板破坏时的破裂面图。最后,根据相似系数换算成原型值,得到导致地基失稳破坏的极限荷载。     

岩溶地区某浅埋箱型隧道沉降成因及控制

研究目的:岩溶地区侧方基坑桩基施工及土方开挖过程中,浅埋明挖箱型地铁隧道结构出现突发沉降,尤其是变形缝部位沉降显著,本文通过箱型地铁隧道沿线及变形缝两侧的位移监测数据,分析隧道结构突发沉降产生的原因,并研究了浅层回灌水、深层回灌水和注浆加固等沉降控制措施的效果。研究结论:(1)支护桩施工诱发浅埋箱型隧道最大累计沉降为3. 3 mm,应重视其在岩溶地区的施工影响;(2)嵌岩工程桩施工揭露溶洞,承压岩溶水突涌桩孔,是侧方浅埋箱型地铁隧道结构突发沉降的主要原因;(3)浅层回灌水可短时间内使地层补水,抬升隧道,抑制隧道急剧沉降;长期实施深层回灌、桩基泥浆护壁施工,可维持地下水位,控制侧方隧道沉降,但存在深层回灌水可能通过岩溶裂隙或通道进入溶洞,降低回灌水补充效率的问题;(4)"双排桩+对拉钢绞线+对称开挖"有效控制隧道的最大水平位移为3. 0 mm;(5)箱型地铁隧道周围进行垂直和斜向钻孔注浆可起到加固和止水的效果,考虑到变形缝的敏感性,应实时控制注浆压力;(6)该研究成果可供类似岩溶地区浅埋箱型地铁隧道侧方基坑工程参考。