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浅埋黄土隧道围岩压力调控技术及效果分析

中国公路学报 2024年

作者：来弘鹏赵铭坤刘禹阳长安大学公路学院中国水利水电第三工程局有限公司长安大学建筑工程学院

为解决黄土隧道因不均匀荷载导致的支护结构安全性能降低问题，以我国已修建的27座浅埋黄土隧道的55个监测断面实测数据为基础，阐述了不同地理区划下浅埋黄土隧道围岩压力分布形态，联合数值计算和模型试验手段，揭示了浅埋黄土隧道不... 详细信息

为解决黄土隧道因不均匀荷载导致的支护结构安全性能降低问题，以我国已修建的27座浅埋黄土隧道的55个监测断面实测数据为基础，阐述了不同地理区划下浅埋黄土隧道围岩压力分布形态，联合数值计算和模型试验手段，揭示了浅埋黄土隧道不均匀荷载产生的原因，给出了隧道荷载调控技术，分析了调荷技术的实施效果。结果表明：浅埋黄土隧道围岩压力主要呈蝴蝶状分布，拱脚和拱圈60°位置普遍出现应力集中现象；围岩压力平均值为112kPa，中位数为68kPa，拱脚和拱圈60°位置对应荷载可达拱顶荷载的1.9～2.2和1.6～1.9倍；隧址区由黏质黄土、一般黄土到砂质黄土过渡，围岩压力蝶状分布愈发显著；地层不均匀沉降、破裂面不断扩展和相应位置较弱的土体强度等是浅埋黄土隧道不均匀荷载产生的主要成因，通过在隧道拱肩和拱脚一定位置施作“注浆小导管+注浆加固层”组合的荷载调控层，可实现对围岩压力的调控；调荷后的拱肩和拱脚荷载降幅约20%～30%，拱顶土体沉降变形减少10%～20%，支护结构拱顶受拉得以缓解，拱肩和边墙侧受压减弱，所提出的荷载调控技术可改善支护结构受力，达到了较好效果。

关键词：隧道工程荷载调控数理统计模型试验数值计算围岩压力

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钻爆法公路隧道防排水技术发展综述

公路交通科技 2024年第6期 156-164页

作者：晏长根欧运起李富春尹培杰来弘鹏长安大学公路学院河北省交通规划设计研究院有限公司

为研究钻爆法公路隧道防排水技术的发展趋势和未来方向，系统梳理了防排水技术的发展历程、技术要求、设计施工和维护技术等内容，并对需要关注的问题及下一步发展方向进行展望。结果表明：按照隧道建设的技术发展水平，防排水技术可划... 详细信息

为研究钻爆法公路隧道防排水技术的发展趋势和未来方向，系统梳理了防排水技术的发展历程、技术要求、设计施工和维护技术等内容，并对需要关注的问题及下一步发展方向进行展望。结果表明：按照隧道建设的技术发展水平，防排水技术可划分为圬工时代和后混凝土时代，已实现原则指导、设计优化、材料革新、施工控制、标准保障及运营维护的基本构架；中国在新修订的规范中增补了隧道渗漏水量化标准，使防水等级规定更具客观性、科学性；从防排水系统构造形式的对比情况看，控制排水型隧道能兼顾隧道衬砌水压力和维护隧道区生态平衡等多方面需求；钻爆法隧道防排水技术虽然增加了一些可维护性设计，但仍以功能性设计为主，且现有技术难以满足防排水系统的维护需求。应当注意：防排水技术是一个系统性问题，需要建立基于全寿命周期的建管养一体化防排水体系，并对防排水系统选型和控制型防排水技术进行系统性研究，通过对全寿命周期内隧道排水的环境影响进行分析评价，确定合理的防排水构造型式；另外，需加强防排水系统优化及新工艺研究，加快新型防排水材料的开发；同时要加强维护技术研究，尤其是可维护性技术和修复性技术研究。

关键词：隧道工程防排水技术综述防排水系统构造形式维护技术

长锚杆/锚索改善深埋大跨度隧道初支结构受力试验研究

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岩土工程学报 2024年第4期46卷 853-863页

作者：周阳来弘鹏王兴广孔军李志磊洪秋阳长安大学公路学院陕西西安710064 安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司安徽合肥230601 山东高速济潍高速公路有限公司山东济南250000 安徽建筑大学土木工程学院安徽合肥230601

针对深埋大跨度软岩隧道拱脚及拱顶处初支开裂、钢架变形过大问题,提出了局部增设长锚杆或锚索的支护技术,以实现对该类隧道初支结构受力的调节改善。基于课题组自主研发的隧道结构性能测试平台,对比分析了同等围岩荷载作用下系统锚杆... 详细信息

针对深埋大跨度软岩隧道拱脚及拱顶处初支开裂、钢架变形过大问题,提出了局部增设长锚杆或锚索的支护技术,以实现对该类隧道初支结构受力的调节改善。基于课题组自主研发的隧道结构性能测试平台,对比分析了同等围岩荷载作用下系统锚杆支护与多类长锚杆/锚索支护方案的初期支护结构受力变形特征,研究了不同环向间距与布设范围的长锚杆/锚索支护效果。研究结果表明:(1)常规支护时,大跨度隧道初期支护整体呈压扁趋势,拱顶内侧与拱脚外侧承受结构最大弯矩而最先开裂,仰拱内侧拉裂后模型加速变形进而引起结构整体失稳破坏;(2)4种增设长锚杆或锚索支护方案下,初支拱顶处结构安全系数分别为常规支护体系的4.59,2.12,1.96,1.80倍,拱脚处结构安全系数分别为常规支护的5.23,2.80,2.34,2.37倍;(3)在拱部120°范围以2 m环向间距布设长锚杆对初支结构内力改善效果最佳,支护点轴向强拉力产生的局部负弯矩组合效应抵消了拱顶处较大正弯矩;(4)不同位置长锚杆/锚索支护力整体呈从拱顶处至拱肩侧先减小后增大的规律。

关键词：隧道工程大跨度隧道长锚杆/锚索模型试验破坏特征支护效果

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考虑空间约束效应的隧道塑性区半径解析研究

铁道学报 2023年第8期45卷 176-183页

作者：姚毅来弘鹏张秦刘禹阳长安大学公路学院陕西西安710064 中铁第一勘察设计院集团有限公司陕西西安710043 长安大学建筑工程学院陕西西安710064

为体现围岩塑性区扩展与隧道掘进之间的动态关系,基于空间约束效应等效模型对Mohr-Coulomb准则和广义Hoek-Brown准则下塑性区半径公式进行修正。讨论空间约束效应合理等效函数的选取,给出约束范围的定量求解方法,并结合文献中3种代表性... 详细信息

为体现围岩塑性区扩展与隧道掘进之间的动态关系,基于空间约束效应等效模型对Mohr-Coulomb准则和广义Hoek-Brown准则下塑性区半径公式进行修正。讨论空间约束效应合理等效函数的选取,给出约束范围的定量求解方法,并结合文献中3种代表性岩体进行算例验证,进一步总结空间约束效应与围岩属性、隧道支护力之间的关系,最终揭示了空间约束效应的本质属性。对比考虑约束效应影响下,2个修正后的塑性区半径公式间的关联性与适用性。研究结果表明,空间约束效应决定了塑性区的发展路径,但不会影响塑性区上限值,不同围岩条件下约束范围各异,而非固定的5倍洞径。为准确预测塑性区扩展规律,应根据围岩情况选取适宜的强度准则,在岩体参数c、φ等效基础上,硬岩条件下,可任意选用Mohr-Coulomb准则或广义Hoek-Brown准则;软岩条件下,采用广义Hoek-Brown准则比Mohr-Coulomb准则计算的塑性区范围大。

关键词：隧道工程空间约束效应塑性区半径塑性区发展路径

地铁穿西安地裂缝研究进展及先盾后扩法的应用展望

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现代隧道技术 2022年

作者：来弘鹏姚毅高强康佐西安市轨道交通集团有限公司长安大学公路学院广州地铁设计研究院股份有限公司

西安地裂缝是一种几乎覆盖整个市域范围的黄土地区典型地质灾害，其蠕变活动严重危害地铁隧道安全，是地铁建设面临的一个重大技术难题。本文结合西安地铁十几年的地裂缝防治经验，从地裂缝分布及活动特征、地铁面临的危害、设防理念与... 详细信息

西安地裂缝是一种几乎覆盖整个市域范围的黄土地区典型地质灾害，其蠕变活动严重危害地铁隧道安全，是地铁建设面临的一个重大技术难题。本文结合西安地铁十几年的地裂缝防治经验，从地裂缝分布及活动特征、地铁面临的危害、设防理念与措施、设防参数、设防结构营运情况等方面进行了系统性梳理，着重分析了常规“暗挖+盾构空推”工法存在的问题，并提出了一种“先盾后扩”新型建造技术。主要结论如下：（1）地铁穿地裂缝段常规的建造工法涉及竖井及横通道开挖、CRD法人工作业、盾构空推等一系列复杂流程，设防必要性及现有建造技术复杂性之间的矛盾严重制约了西安地铁建设进程；（2）给出了“先盾后扩”新工法的建造流程、需解决的问题及工程应用前景；（3）“先盾后扩”法通过结构及工法优化，确保了盾构作业的连续性，避免盾构洞内始发及接收，进而在同等设防参数条件下减小设防断面，是实现地铁隧道便捷、低成本穿地裂缝段的一次重要探索与尝试。

关键词：地铁隧道西安地裂缝工程设防建造技术先盾后扩法

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浅埋隧道开挖引起地层位移的双极坐标求解法

交通运输工程学报 2023年第4期23卷 178-189页

作者：来弘鹏姚毅高强刘禹阳长安大学公路学院陕西西安710064 广州地铁设计研究院股份有限公司广东广州510010 长安大学建筑工程学院陕西西安710064

基于双极坐标系和Mohr-Coulomb准则,考虑剪胀特性,在Jeffery和Massinas半无限空间圆形隧道围岩应力解的基础上联立平衡方程,推导了浅埋隧道施工拱顶方向的地层位移弹塑性解,并通过Peck公式、Park公式、Loganathan-Poulos公式和实测数据... 详细信息

基于双极坐标系和Mohr-Coulomb准则,考虑剪胀特性,在Jeffery和Massinas半无限空间圆形隧道围岩应力解的基础上联立平衡方程,推导了浅埋隧道施工拱顶方向的地层位移弹塑性解,并通过Peck公式、Park公式、Loganathan-Poulos公式和实测数据进行验证,揭示了地层变形机理和既有研究之间的联系,给出了考虑地层参数和施工因素影响的经验参数(地层损失率和间隙参数)定量取值方法。研究结果表明:弹塑性解的假定条件更少,与Peck公式、Park公式的差值在2%以内,与Loganathan-Poulos公式的差值为9.5%;双极坐标求解法从弹塑性分析的角度进一步解释了地层变形机理、Peck公式和各类修正弹性公式,即浅埋隧道开挖也会引起地层弹性和塑性变形,以Peck公式为代表的经验公式法在计算地层变形时,地层损失率在不同地区和施工控制条件下的取值分别对应着不同地层参数(黏聚力、内摩擦角、泊松比、重度和弹性模量)和施工边界条件(埋深、开挖半径、支护力)下的地层弹塑性变形;以Park公式、Loganathan-Poulos公式为代表的各类修正弹性解也可近似看作通过断面椭圆化和下沉等手段的修正来抵消理想弹性解与弹塑性解之间的差值。可见,弹塑性解与既有公式结合能更好地指导现场施工。

关键词：隧道工程地层位移双极坐标系弹塑性分析剪胀变形机理

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地聚合物固化含黏风积沙土-水特征曲线

交通运输工程学报 2023年第4期23卷 128-141页

作者：陈锐陈海包卫星来弘鹏长安大学公路学院陕西西安710064

为研究地聚合物固化含黏风积沙的持水性能,采用地聚合物对含黏风积沙进行改良,基于压力板仪法测量了不同基质吸力下对应的体积含水率,绘制了相应的土-水特征曲线(SWCC)并进行了模型拟合,探讨了含黏量、地聚合物掺量、龄期和纤维长度对... 详细信息

为研究地聚合物固化含黏风积沙的持水性能,采用地聚合物对含黏风积沙进行改良,基于压力板仪法测量了不同基质吸力下对应的体积含水率,绘制了相应的土-水特征曲线(SWCC)并进行了模型拟合,探讨了含黏量、地聚合物掺量、龄期和纤维长度对固化风积沙持水性能和拟合参数的影响规律。研究结果表明:随着含黏量由20%提升到30%,风积沙试样在同一吸力下的体积含水率上升了3%左右,持水性显著提升;随着地聚合物掺量由8%提升到12%,20%和30%含黏量固化风积沙SWCC整体上移,10 kPa吸力对应体积含水率分别提升7.0%和5.9%,600 kPa吸力对应体积含水率分别提升4.3%和4.2%;而延长龄期对固化风积沙持水性能的提升较小,体积含水率变化幅度不超过1%;长度为6 mm的玄武岩纤维对固化风积沙持水性能的提升很小,但掺入长度为12 mm的纤维会导致其持水性能稍降低,两者变化幅度均不超过1%;固化含黏风积沙的SWCC具有2个陡降段,可采用分段式Van Genuchten模型拟合;双峰拟合参数能够反映试样大、小孔隙的分布,黏土仅影响大孔隙参数,而地聚合物能够影响大、小孔隙参数;扫描电镜和压汞试验结果表明地聚合物胶结产物和黏土的填充作用降低了土样孔隙率,掺入地聚合物后固化风积沙中孔隙总体积变化较小,一些大孔隙转化为小孔隙,大孔隙峰值密度由0.45 mL·g^(-1)降至0.22 mL·g^(-1),微孔隙峰值密度由0.02 mL·g^(-1)升至0.05 mL·g^(-1),孔隙平均尺寸减小;地聚合物水化产物的胶结作用导致土中产生团聚体,包裹了部分自由水并阻碍了水分流失,进而提高了固化风积沙的整体持水性能。

关键词：路基工程风积沙路基土-水特征曲线地聚合物含黏量玄武岩纤维

地铁隧道穿西安地裂缝的研究进展及“先盾后扩”法的应用展望

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现代隧道技术 2023年第1期60卷 23-33,46页

作者：来弘鹏姚毅高强康佐长安大学公路学院西安710064 广州地铁设计研究院股份有限公司广州510010 西安市轨道交通集团有限公司西安710018

西安地裂缝是一种几乎覆盖整个市域范围的黄土地区典型地质灾害,其蠕变活动严重危害地铁隧道安全,是地铁建设面临的一个重大技术难题。结合西安地铁十几年的地裂缝防治经验,从地裂缝分布及活动特征、地铁面临的危害、设防理念与措施、... 详细信息

西安地裂缝是一种几乎覆盖整个市域范围的黄土地区典型地质灾害,其蠕变活动严重危害地铁隧道安全,是地铁建设面临的一个重大技术难题。结合西安地铁十几年的地裂缝防治经验,从地裂缝分布及活动特征、地铁面临的危害、设防理念与措施、设防参数、设防结构营运情况等方面进行了系统性梳理,着重分析了常规“暗挖+盾构空推”工法存在的问题,并提出了一种“先盾后扩”新型建造技术。主要结论如下:(1)地铁隧道穿地裂缝段的常规建造工法涉及竖井及横通道开挖、CRD法人工作业、盾构空推等一系列复杂流程,设防必要性及现有建造技术复杂性之间的矛盾严重制约了西安地铁建设进程;(2)给出了“先盾后扩”新工法的建造流程、需解决的问题及工程应用前景;(3)“先盾后扩”法通过结构及工法优化,确保了盾构作业的连续性,避免盾构洞内始发及接收,进而在同等设防参数条件下减小设防断面,是实现地铁隧道便捷、低成本穿地裂缝段的一次重要探索与尝试。

关键词：地铁隧道西安地裂缝工程设防建造技术 “先盾后扩”法

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富水黄土隧道施工过程围岩水分迁移规律研究

中国公路学报 2023年第1期36卷 150-161页

作者：来弘鹏谭智鹏孙玉坤黄鹏志长安大学公路学院陕西西安710064 广州市市政工程设计研究总院有限公司广东广州510000

为了给富水黄土隧道施工提供指导,依托银西高铁上阁村隧道,通过现场监测得到典型断面上覆软塑黄土层隧道水分迁移的基本规律;通过室内试验建立了围岩孔隙比与围岩渗透系数、围岩含水率与围岩强度的关系式,利用FLAC^(3D)内嵌的FISH语言... 详细信息

为了给富水黄土隧道施工提供指导,依托银西高铁上阁村隧道,通过现场监测得到典型断面上覆软塑黄土层隧道水分迁移的基本规律;通过室内试验建立了围岩孔隙比与围岩渗透系数、围岩含水率与围岩强度的关系式,利用FLAC^(3D)内嵌的FISH语言进行相应编程,对土体单元赋予动态渗透系数,实现了流固耦合作用下的隧道开挖模拟,并结合现场监测数据验证了该数值模拟的可靠性,最后基于16种工况的模拟结果,揭示了上覆软塑黄土层距隧道拱顶不同距离下隧道开挖卸载过程中围岩水分迁移规律。结果表明:在开挖扰动下隧道上覆软塑黄土层中水分由黄土层底部向隧道临空面迁移,最终累积于隧道底部,且水分迁移始于掌子面开挖,滞后于初支封闭;当拱顶与软塑黄土层底部距离0 m≤h≤4 m时(h为隧道拱顶与软塑黄土层底部间距),位置水头和压力水头的变化引起洞周水分迁移,水分迁移速度快、迁移量大,隧道仰拱封闭前,水分易侵入临空面;当5 m≤h≤8 m时,位置水头的变化引起洞周水分迁移,水分迁移速度慢、迁移量小;当h>8 m时,无明显水分迁移;当0 m

关键词：隧道工程水分迁移数值分析软塑黄土现场试验流固耦合