基于现场试验的超大双曲面穹顶洞库支护体系研究

为解决硬岩中超大型地下工程复合式衬砌二次衬砌模筑混凝土施工困难、模板工程复杂、混凝土圬工量大等问题，以某地下储油库为依托，应用有限差分计算软件与现场原位试验的方法，对大型地下工程进行力学机制研究及支护体系优化。研究结果表明： 1）在围岩条件较好的岩体中开挖大型地下洞室，在支护参数选择合理、施工质量得以保证的前提下，使用单层喷射混凝土衬砌可提高施工效率，减少混凝土用量； 2）采用聚丙烯纤维喷射混凝土支护+低预应力锚杆的优化支护体系相较于Q系统岩石支护表所得的支护参数可更好地控制围岩变形，减少支护结构与围岩的拉应力区，达到与复合式衬砌接近的支护效果； 3）现场试验后发现优化后的支护体系在变形与应力方面可达到预期效果，穹顶最大变形约8 mm，支护结构安全可靠。     

高速铁路隧道支护参数的计算研究

为探索隧道初期支护安全系数的计算问题,并为高速铁路隧道支护参数优化提供理论依据,根据喷锚支护的性能与特点以及现代隧道力学的基本理论,建立初期支护荷载结构模型和对应的安全系数计算方法; 针对时速350 km高速铁路双线隧道提出的3种不同的初期支护方案（无系统锚杆支护、喷锚结合支护和以锚为主的支护方案）展开适应性研究,计算分析不同埋深（400 m和800 m）条件下初期支护的优化参数以及优化后的二次衬砌承载能力,在此基础上提出优化后的高铁隧道支护参数建议值,并对优化前后的安全系数进行计算与对比。主要结论如下： 1）提出了采用围岩压力代表值作为荷载结构模型设计荷载的方法,为解决设计中围岩压力不确定的问题提供了思路,且所推荐的围岩压力代表值计算方法具有安全性与经济性; 2）提出了3种初期支护计算模型,可以为初期支护构件的选择与量化设计提供一定的理论基础; 3）提出了时速350 km高速铁路双线隧道初期支护方案及优化后的复合式衬砌设计参数,并明确了不同围岩级别、不同埋深时的承载主体; 4）提出了按照不同埋深进行支护结构参数设计的建议。     

硬岩中塔柱式车站合理埋深及结构净距研究

我国地铁在北京、上海以及广州等地以砂土松散地层为主,地铁车站暗挖施工主要采用复合式衬砌结构型式。对于在中-微风化硬岩中修建地铁车站,如何充分利用围岩本身条件,因地制宜十分必要。在不同围岩条件下,对不同埋深、结构净距车站选择合适的支护结构（如锚喷支护）型式,不仅可节约成本,还可节省工期。结合青岛地铁3号线硬岩特点,采用有限差分数值软件,研究在不同埋深以及不同结构净距条件下,地铁车站开挖过程中围岩状态以及塑性区分布规律,结合三维数值模型进行节点检验,提出硬岩中地铁塔柱式车站采用不同支护结构型式的合理埋深和结构净距建议值。     

考虑时间效应的深埋小净距隧道围岩压力分析

囿于地形地貌、地质条件、选线要求等条件的限制,公路工程中常采用小净距形式的隧道,小净距隧道围岩压力是其复合式衬砌结构设计中的关键问题,但目前关于小净距隧道初支与二衬围岩压力分布及其随时间变化规律的相关研究仍较为稀缺。以龙兴岭隧道为背景,在FLAC3D平台上对4洞小净距隧道的开挖支护过程展开了细致的数值模拟,重点关注了作用在初支与二衬上的围岩压力分布。进一步考虑围岩蠕变效应,探讨了小净距隧道复合式衬砌支护结构的围岩压力及其初支/二衬荷载分担比随时间的变化规律,并与现场监测结果相互验证。结果表明:复合式衬砌支护结构围岩压力总体上关于设计中线近似呈对称分布,小净距隧道主洞(后行洞)开挖扰动引起辅洞(先行洞)二衬上围岩压力略微增大;围岩蠕变作用下,初支围岩压力随时间呈下降趋势,二衬围岩压力随时间呈上升趋势,但二者之和基本保持不变;蠕变稳定后,主洞上台阶部分(拱顶至拱腰)的二衬荷载分担比约为25%～45%,主洞下台阶部分(仰拱至边墙)的二衬荷载分担比约为20%～35%。研究成果可为小净距隧道复合式衬砌结构的设计施工及后期运维提供参考依据。     

基于流固耦合的高水压隧道支护结构研究

高水压是山岭隧道建设的重要难题之一,抗水压衬砌是隧道穿越这些区段的常用措施,其衬砌结构断面厚度远大于标准断面。衬砌厚度过大施工相对不便,施工质量不能保证,且不能及时分担水压。针对广西某隧道高水压段,采用双层初期支护和二次衬砌组成的支护结构承受高水压,减小二次衬砌厚度。为了分析双层初期支护的效果与获得基于双层初期支护的支护结构参数,利用有限差分法研究了不同防渗等级的单层与双层初期支护、不同注浆范围及不同二次衬砌厚度对围岩的变形影响和对支护结构的力学状态影响。结果表明:在相同支护体系中,喷射混凝土的不同防渗等级对围岩变形、支护应力影响不大;初期支护的防渗等级相同时,相比于单层初期支护,双层初期支护体系使围岩变形、喷射混凝土应力、二次衬砌的轴力与弯矩均减小40%以上;当拱顶以上水头为90 m且采用防渗等级为P8的双层初期支护时,径向注浆能够有效减小支护应力。当径向注浆范围超过4 m后,注浆对减小支护结构受力的效果不明显;采用双层初期支护体系,注浆范围为4 m时,二次衬砌的厚度设计为40 cm就能保障支护结构处于安全状态;径向注浆条件下,采用双层初期支护+二次衬砌的支护体系能够有效保障隧道高水压段的安全。     

单层衬砌在梨花井隧道中的应用

针对传统复合式衬砌结构在结构防水和承载机理上的问题,以单层衬砌在盘兴(盘县-兴义)高速公路梨花井隧道中实际应用为例,介绍了新型单层衬砌的结构设计参数、经济对比及受力分析等内容。单层衬砌结构在梨花井隧道中的成功应用证明,在围岩强度高、完整性好、节理裂隙及地下水不发育的情况下,单层衬砌结构相对于复合式衬砌具有变被动防水为主动防水、更能发挥围岩自身稳定性的特点,同时施工速度提高、减少了工程投资成本。     

基于围岩压力及结构力学特征测试的隧道初期支护时机探讨

台阶法施工的隧道工程,上台阶的开挖支护是关键工序,其施工效率影响整个隧道施工的进度。因此,以黔张常铁路吴家边隧道为依托,基于现场测试结果,对Ⅳ级围岩隧道上台阶的开挖进尺和初期支护时机进行了探讨,重点研究了不同开挖进尺和初期支护时机工况下围岩压力的变化特征、初期支护的内力演变特征及其安全性。通过研究得到:Ⅳ级围岩地段上台阶开挖进尺最长可到6 m,再进行相应的支护体系施作,可提高机械设备的工作效率,加快施工进度;支护结构在刚度相同的情况下,结构内力按时间分配;二次衬砌基本不承担围岩压力,只是作为安全储备。     

铁路隧道结构计算荷载问题分析讨论

铁路隧道复合式衬砌结构的计算荷载,按有关资料建议取值存在主观操作差异,设计失之指导与规范。通过进一步分析隧道工程状态,认为应规范化区别各级围岩及其级内差异和支护强度,以体现不同围岩衬砌的受力差异和平衡同级衬砌受力水平,为合理确定结构荷载提供条件;综合新奥法和传统矿山法分析,衬砌结构“远期”都承受相当的围岩压力,经结构验算和实测压力分析比较,并参考公路隧道设计细则,确定铁路深埋隧道坍方荷载按现行公式计算,Ⅱ、Ⅲ级衬砌荷载为坍方荷载的40%; Ⅳ、Ⅴ级衬砌分别为50%和70%; Ⅱ、Ⅲ级单线衬砌可视为安全储备,当跨度增加时,应全面满足构造、工程类比和结构检算要求;各级围岩侧压力系数按规范沿用,可以此统筹当前设计。建议通过系统性实测统计分析和试验研究,为进一步完善结构设计方法提供条件。     

复合式衬砌隧道总安全系数设计法修正与应用研究

为评价复合式衬砌这一整体结构的安全性，对以往所建立的复合式衬砌隧道总安全系数设计法的不合理之处进行修正，并再次分析不同铁路隧道的安全性，同时与挪威Q法支护参数进行对比，最后结合案例说明该方法在断面形式比选方面的应用。结果表明： 1）所建立的总安全系数设计法可以为初期支护和复合式衬砌的支护构件选择、量化设计和整体优化设计提供一定的理论基础。2）采用总安全系数设计法对不同铁路隧道安全系数计算的结果与现场实际施工情况、既有隧道病害情况基本相符。3）挪威Q法提出的支护参数如果用于我国时速350 km的高速铁路双线隧道，Ⅲ、Ⅳ级围岩总安全系数满足要求且较为经济，但Ⅴ级围岩安全系数偏低；采用耐久性锚杆有利于充分发挥锚杆-围岩承载拱的支护作用，从而可以减少喷层和二次衬砌的强度，提高经济性。4）总安全系数设计法可以用于隧道断面形式与支护参数的精细比选。     

公路隧道复合式衬砌结构数值计算及分析

针对榆树沟隧道工程实际情况,选取了3种不同的复合式衬砌结构类型进行数值计算,对初期支护和二次衬砌的内力、安全系数及洞周位移、拱顶下沉、围岩塑性区的分布等进行了分析,评价了衬砌结构的安全性。结果表明:对于Ⅱ、Ⅲ类围岩,上台阶及下台阶中央区的开挖为施工的关键工序;对Ⅳ类围岩,上台阶开挖为施工的关键工序;在Ⅱ类围岩浅埋条件下,拱顶下沉主要是由上台阶的开挖及下台阶中央区的开挖所引起;在Ⅲ类以上围岩条件下,拱顶下沉绝大部分是由上台阶的开挖所引起;洞周位移较小,最大值为18 mm,发生在Ⅱ类围岩浅埋拱脚处;围岩塑性区发展深度最大者,连通到地表,属于Ⅱ类围岩浅埋;Ⅲ类围岩墙脚处塑性区较大;Ⅳ类围岩塑性区较小。     

公路软岩隧道半刚性网壳锚喷衬砌新技术研究

用钢筋焊接成的格构式金属棚子作为隧道支护喷层内部的加强撑,与型钢支架一样,其架间仍是弱支护部分,难以承受较大的变形地压,所以隧道工程中通常仅用其作为施工期间的临时衬砌结构。文章设计出新型网壳喷层衬砌并进行整架结构试验,完成网壳锚喷支架工业性试验,达到用较少材料又提高喷层支撑能力与让压的目标,证明网壳锚喷支架是结构合理、工艺简单、能承受高应力的新型支架。     

喷锚支护的时间效应与空间效应

喷锚支护是新奥法构筑隧道的主要支护手段，为使喷锚支护与围岩形成共同承载结构，必须在适宜的时机及根据适当的围岩变位量来确定恰当的喷锚支护结构。     

高地应力区深埋隧道软弱围岩支护结构力学特性研究

通过对高地应力区深埋隧道上下台阶法施工过程的弹塑性三维有限元数值模拟,对初期支护锚杆、喷射混凝土、钢支撑及二次衬砌混凝土的力学特性进行了分析。结果表明：喷射混凝土拱顶、拱肩处的位移和最大主应力及拱肩处的剪应力较大,受钢支撑影响显著;隧道开挖后的应力集中对其周边1.0m范围内的锚杆轴力有很大的影响;钢支撑轴力和竖向剪断力随距掌子面距离的增大而增大;二次衬砌不同层位、不同位置处的主应力和剪应力有较大的区别。分析结论为高地应力区深埋隧道支护结构设计及其稳定性评价提供了依据。     

极高地应力软岩隧道双层支护技术

兰渝铁路两水隧道洞身主要通过炭质千枚岩软岩地层,隧道为极高地应力状态,最大水平主应力值为6.5~11.3 MPa。施工前期,隧道初期支护结构变形较大,部分钢拱架扭曲、断裂,支护结构失稳,初期支护结构侵入衬砌净空,拆换拱情况频繁发生,局部地段二次衬砌开裂。针对前期施工中出现的问题,分别开展双层初期支护和双层衬砌试验,对试验段初期支护变形、围岩压力、接触压力、钢架应力、钢筋应力、混凝土应力等进行现场试验研究,掌握试验段设计及施工参数条件下,隧道支护和衬砌结构受力和变形规律。主要研究结果如下:1)双层初期支护变形相对较小,喷混凝土应力、钢架应力、二次衬砌混凝土应力及二次衬砌钢筋应力均未超过材料的容许应力,工作状态良好;2)双层初期支护可减少绑扎钢筋的工序,不需要再另增衬砌台车,在工序组织上更加便利,工效性相对较高。     

深埋软弱破碎围岩初期支护荷载承担比重研究

为了研究软弱破碎围岩隧道联合支护各构件的作用效果,以四川省宝兴水电站引水隧洞工程为背景,采用有限差分数值计算软件对隧道围岩注浆加固圈、喷射混凝土和型钢支撑3种支护措施的围岩荷载承担比重进行了研究。通过采用固定支座等效代替某种支护的方式,设计了3种支护方案,每个方案仅采用2种支护方式,计算至平衡,提取支护反力并转化成应力,从而得到该支护结构的荷载分担比。研究表明:型钢支撑起到及时强支护作用,可有效控制围岩变形;随着时间推移,当喷射混凝土达到一定的强度后,发展为主要承载结构,喷射混凝土面层承担更大比率释放荷载,喷射混凝土承载荷载比重最大,注浆加固圈次之。计算得出宝兴水电站引水隧道型钢支撑、注浆加固圈和喷射混凝土3种支护荷载承担比重为1∶1.25∶1.6。     

基于三维数值模拟的软岩超大断面隧道施工技术优化研究

为研究超大断面隧道在软岩地层中开挖施工引起的变形情况,基于铁路设计规范和围岩分级标准对王岗山隧道穿越岩层进行围岩亚分级,通过考虑开挖方向、复杂围岩条件及断层破碎带的影响,利用ABAQUS有限元软件开展三维施工过程模拟,获得三台阶法开挖后的隧道衬砌及围岩受力及变形特征。在此基础上,提出采用更适宜控制变形的双侧壁导坑开挖法,并对其控制效果进行验证。最后,分析影响隧道衬砌和围岩变形的相关因素,得到利于控制变形过大问题的最优进尺设置参数及初期/临时支护形式。数值计算结果表明:1)双侧壁导坑法能够有效降低隧道开挖引起的衬砌及围岩变形;2)锚杆在复杂地层中能够发挥重要作用;3)循环进尺和初期支护强度均对施工引起的变形存在影响,使用新型复合管片临时支护有利于控制隧道衬砌及围岩变形;4)断层破碎带是王岗山隧道施工必须重视的关键部位,除采用合理的开挖工法外,还应辅以其他降低围岩扰动进而控制开挖变形的有效措施。     

地下工程开挖与支护的非线性分析

运用耗散结构和熵变论分析了地下工程开挖后围岩应力变化和变形的非线性过程,并进一步用熵增加解释支护对围岩稳定的作用机理。岩体在变形的过程中出现了能量释放和熵减小,如果负熵大于围岩系统的熵,系统的熵增加为负,围岩系统从无序发展到有序,直到失稳。为了维护围岩的稳定性,在围岩系统中加入锚杆、喷浆等支护作为高熵物以提高系统的熵,能减小开挖前后应变能差异。     

关于高原铁路某隧道敞开式TBM开挖直径的探讨

为探讨高原铁路某隧道不良地质条件下敞开式TBM开挖直径是否适应的问题,结合已建、在建工程存在的问题及施工数据,分析TBM法隧道初期支护变形侵限的原因,且通过对比分析工程地质数据、衬砌参数,认为不良地质条件下TBM护盾收缩及初期支护体系形成支护能力周期长是造成初期支护侵限的主要原因。预测当TBM开挖直径为10.2 m时,该高原铁路隧道TBM段Ⅲ级围岩中等及以上岩爆段、Ⅳ级围岩（节理密集带）、Ⅴ级围岩（蚀变岩）存在初期支护侵限的风险。提出如下建议： 1）设计TBM开挖直径时考虑护盾收缩量; 2）在强烈岩爆段、节理密集带、蚀变岩等情况下,采用钢管片施作初期支护以提供临时支撑,缩短支护能力形成周期,并将TBM开挖直径适当增大为钢管片安装预留空间。