大变形控制一直是高地应力软岩隧道设计与施工中面临的重要难题,其中变形控制基准更是适当变形释放、减少拆除的关键因素之一.为此,依托成兰铁路高地应力千枚岩隧道,通过大量工程实践,分析软岩隧道断面型式优化、锚杆支护技术、开挖方法优化、二衬施作时机等,提出成兰铁路软岩隧道大变形控制技术.进而通过大量变形量测数据统计,分析基于施工过程的隧道变形特征,考虑隧道测量丢失位移,确定隧道预留变形量,建立基于施工过程的隧道位移控制基准.研究结果表明:基于"主动控制"的软岩隧道支护理念,成兰铁路提出"优化断面,强化锚杆,减少开挖分步,动态调整,分级控制"的软岩隧道大变形控制技术,重点优化锚杆的类型、参数及施工机械等,使锚杆快锚固,早承载.针对不同大变形等级,逐渐优化隧道断面,尽量采用大断面开挖,既可以减少围岩扰动,又可以减少空间限制对长锚杆施作的影响,从而控制围岩变形,提高施工效率,二衬作为安全储备,在初支变形稳定后施作,保证结构的长期稳定性.高地应力千枚岩隧道变形具有显著的时空效应,随着大变形等级提高,仰拱施工后变形占比增大,变形时间效应增强;虽然不同大变形等级下隧道变形量具有一定的离散性,但统计样本显著地服从正态分布;考虑测量丢失变形,以正态分布样本平均值的95％的区间估计作为隧道预留变形量限值,建议成兰铁路轻微大变形段、中等大变形段、严重大变形段和极严重大变形段单线隧道预留变形量分别为10～20、25～35、35～45、大于45 cm,双线隧道预留变形量分别为20～30、25～40、40～60、大于60 cm.考虑大变形分级和开挖方法,基于隧道施工过程建立高地应力千枚岩隧道变形控制基准,通过监控量测实时监测隧道变形,及时采用措施,可以有效防止初支侵限.

日本是世界上较早研究高速铁路隧道洞口微气压波问题以及减缓措施的国家,在新干线建设和运营过程中积累了比较丰富的工程技术经验.本文全面调研了日本新干线隧道缓冲结构设置的原则、类型,主要技术指标或参数,特别是新干线提速过程中遇到的隧道空气动力学问题和处理对策,以期对于我国400 km/h及以上高速铁路的建设提供借鉴.

目前,铁路隧道设计方法已由安全系数法向极限状态法转轨,但缺乏隧道衬砌结构极限状态法设计专用软件,衬砌设计仍需采用多软件协同作业的传统方法完成,过程繁琐,效率较低.提出基于VB6.0开发的铁路隧道衬砌极限状态法设计软件的构建思路、软件功能、软件模块及操作流程,介绍软件在铁路隧道极限状态法转轨工作中的应用成果.该软件集建模、有限元计算、配筋设计、结果显示及结果输出等功能于一体,避免了衬砌结构设计采用多个软件联合处理的繁琐操作.在铁路隧道极限状态法转轨工作中的应用表明,该软件将衬砌及明洞结构的单次设计完成时间由传统方法所需的20 min降为5 min左右,在计算效率上优势明显;衬砌及明洞结构采用极限状态法和采用安全系数法的工程投资大致相当,笔架山隧道和岐山隧道采用极限状态法较安全系数法工程投资分别节约0.73％和1.6％.

研究目的:某铁路隧道底部粉砂质泥岩蠕变导致仰拱结构持续底鼓,致使列车降速行驶,对铁路运行造成安全隐患.为较准确获取仰拱底鼓区粉砂质泥岩的蠕变参数,本文基于某隧道仰拱5年多的底鼓变形实际监测数据,建立室内岩石剪切蠕变试验与深度学习(GRNN)相融合的岩体蠕变参数确定方法,并对隧道仰拱蠕变变形进行长期预测. 研究结论:(1)铁路隧道底鼓段粉砂质泥岩具有明显蠕变特性,该特性对隧道仰拱持续底鼓变形影响较大;(2)提出了基于深度学习的隧道底鼓段围岩蠕变参数反演方法,该方法结合底鼓段长期监测变形数据,能够有效获取隧底岩体蠕变参数,解决隧道围岩蠕变参数难以确定的难题;(3)反演得到的隧底岩体蠕变参数相应的底鼓变形值与实测值拟合度较高,验证了该方法的合理性;(4)本研究成果可为隧道围岩蠕变参数确定、仰拱蠕变变形预测和底鼓治理提供理论依据.

研究目的:随着我国高速铁路发展,无砟轨道得到大量应用,近十年来部分隧道局部段落出现底鼓,其中一些隧道采取措施后变形得以控制,但有个别隧道采取措施后变形仍在持续,因此有必要对隧道底鼓变形规律、基底荷载及整治措施进行研究.研究结论:(1)《铁路隧道设计规范》中的荷载模式不适用于缓倾层状围岩底鼓段,本文提出了仰拱受力的力学模型;(2)仰拱底鼓量随着围岩变差而增大;随着仰拱跨度增加,呈现出非线性增大,跨度越大,增加的速率越快;随着隧底荷载增加,总体呈现出线性增加;随着衬砌厚度增加,呈现出减小趋势,厚度越大减小幅度越小;随着矢跨比增大而减小,矢跨比越大减小幅度越小,合理矢跨比为1/8～1/4;(3)当隧道底鼓段隧底荷载难以确定时,可通过隧底结构变形进行荷载反演;(4)预防或防治隧道底鼓,应从降低二衬仰拱结构承受荷载及提高承载能力两方面考虑,可采取加强衬砌隧底排水、适当加大矢跨比、加强仰拱结构、加强填充刚度等措施;(5)本研究成果可为分析隧道底鼓变形规律、研究基底荷载、确定整治措施提供理论依据.

在我国西部地区存在着大量地形切割强烈,重力型不良地质发育的艰险困难山区,地形条件复杂.与普通隧道段相比,洞口段坡度极大,往往存在着大量不稳定岩体,进洞十分困难,稍有不慎,极易引发次生灾害.文章结合西部艰险山区洞口特点,针对性地给出了穿越高仰边坡和岩堆、滑坡等不稳定体的典型进洞技术,供广大工程人员借鉴.

对近40年以来国内外公开发表的隧道锚杆研究论文进行统计和分析,阐述隧道系统锚杆国内外研究现状,揭示隧道系统锚杆研究的薄弱环节.研究表明,隧道系统锚杆的研究主要集中在锚杆作用效果、锚杆计算理论、锚杆设计参数和新型锚杆研发等方面.部分研究表明黄土隧道拱部系统锚杆作用效果不明显,目前国内工程界及学术界对隧道系统锚杆作用效果的认识尚不统一;在全长黏结型锚杆的力学模型及计算理论方面研究成果较多,但基于Mindlin位移解推导的锚杆轴力解析解未考虑中性点的影响;关于隧道系统锚杆的设计及计算理论研究甚少,个别学者提出的经验公式及解析公式中的输入参数大多不易获取,因此在实际工程中仍难以应用;在隧道系统锚杆的设计方面,针对临界锚固长度有一定研究,但是在系统锚杆的布置方式及系统锚杆与围岩的匹配性方面尚无研究成果,隧道系统锚杆设计主要采用经验类比法.从力学机理及理论计算方法上对隧道系统锚杆与围岩联合作用机理及承载拱的承载原理进行深入研究,同时开展新型材料锚杆及新型构造锚杆的研发是未来的发展方向.

处于倾斜层状岩体中的隧道常会产生地质顺层偏压的问题,导致隧道局部塌方、偏压变形及支护结构破坏.为探明顺层偏压隧道的破坏特征,本文采用了理论分析、数值模拟及现场实测的方法研究了顺层隧道围岩塑性区及位移场分布特征,揭示了应力分布特征、结构面分布特征与围岩破坏特征之间的关系,并针对性地提出了锚杆支护方案.研究结论表明:(1)深埋顺层偏压隧道的破坏特征主要表现在围岩将根据其切向应力方向与结构面方向夹角的不同分别发生岩层拉裂破坏、结构面剪切破坏及岩体自身破坏,不同破坏模式破坏范围不同导致了深埋顺层隧道的围岩塑性区、围岩位移等参数的分布呈现明显的偏压特征;(2)顺层偏压隧道围岩以岩层拉裂破坏及结构面剪切破坏为主,其中发生拉裂破坏的反倾侧拱腰位置附近围岩塑性区范围最广,围岩位移及洞周收敛位移最大,围岩处于极不稳定状态;(3)顺层偏压隧道应根据其偏压特征针对性的制定支护方案,对反倾侧拱腰和顺倾侧拱脚位置应采用长锚杆进行支护,但锚杆方向不应平行于结构面方向,而应呈一定角度.

为了探明小净距隧道穿越挤压性软岩地层的大变形机制,提出相应的大变形控制技术,本文采用理论分析、数值计算、现场试验等手段对这种隧道大变形的影响因素、围岩变形规律、支护受力特征等进行研究,得出主要结论如下:(1)高构造应力、陡倾围岩产状、低围岩强度、近接施工扰动等多因素的耦合作用,导致了该隧道大变形的发生;(2)后行隧道对先行隧道的卸荷扰动,一方面使先行隧道承受偏压荷载,另一方面使先行隧道中岩柱侧围岩向洞外产生弯曲破坏,主要表现在先行隧道中岩柱侧边墙位移的减小、初期支护拱部受力状态的转变、二次衬砌拱部和仰拱拉应力的增大;(3)根据围岩变形和支护受力情况,按近接施工影响程度对小净距隧道进行分区,并以此作为控制措施动态调整和工程类比的依据;(4)严格控制施工工序,避免先行隧道二次衬砌端头处于后行隧道开挖作业面之内,并根据应力分布特征调整隧道断面形状,根据岩体产状特征调整锚杆角度,根据近接扰动情况对中岩柱进行保护与加固.

风险管理是铁路建设工程项目管理的重要工作.目前,铁路工程建设过程中风险管理暴露出的问题很多,尤其是在安全风险管理方面,因此,加强铁路建设工程风险管理是十分必要的.首先,从勘察、设计和施工各阶段介绍郑万高铁湖北段隧道的风险管理概况,运用风险管理的程序和方法重点对湖北境内隧道的安全风险、自然风险和工期风险因素进行辨识;然后,通过对风险事件发生的概率和后果等级进行估计和评价,提出全部隧道的初始风险等级,并提出施工期间的风险管理等级建议;最后,根据风险等级的不同,提出选线设计时应对极高风险绕避、施工时应加强超前预报并配合大型机械化施工的风险控制对策.

研究目的:通过对行业标准《铁路隧道设计规范》(TB 10003-2016)全面修订涉及的规范适用范围、设计使用年限、围岩分级、洞口工程、隧道防排水、衬砌配筋、无砟轨道及不良地质衬砌设计等主要内容的介绍和评析,指明今后隧道设计应重视和完善的新内容,使隧道工程设计更好地适应铁路建设发展要求.研究结论:(1)修订了规范适用范围,增加了隧道跨度分类标准,补充了隧道各部分结构设计使用年限要求;(2)引入了围岩基本质量指标BQ,补充了施工阶段围岩亚分级,完善了隧道围岩分级方法;(3)完善了洞口设计规定,增加了掘进机法及盾构法隧道衬砌设计要求,修订了衬砌受力钢筋的最小配筋率及构造要求;(4)优化了隧道防水等级标准及适用范围,补充了防排水措施、隧底排水要求;(5)新增了岩溶、瓦斯、高地应力区、黄土、寒区等不良地质及特殊岩土隧道设计规定,新增了施工方法及措施内容,增加了环境保护设计规定;(6)本研究成果可为铁路隧道设计施工提供借鉴.

为支撑《市域铁路设计规范》编制,针对市域铁路隧道净空面积取值开展研究.在国内外资料调研基础上,根据现行规范对铁路隧道净空面积的规定,针对市域车辆尺寸及性能、隧道内接触网悬挂方式、建筑限界、防灾疏散等方面要求,确定满足基本使用功能的市域铁路隧道最小净空面积;综合相应舒适度标准下满足空气动力学效应的隧道净空面积计算结果,提出不同速度目标值下市域铁路单、双线隧道经优化后的隧道最小净空面积取值.研究成果为《市域铁路设计规范》隧道章节相关条文的编制提供了纳规依据.

Research purposes:At present,the predictions of coal and gas outburst in gas tunnel are mainly based on the conventional contact-type prediction method of coal mining enterprise,such as the comprehensive index method,the drill chip index method,etc.But there are many differences between tunnel and coal mine roadway on the aspects of the section size and construction type,the railway gas tunnels are not always able to gain the desired control effects if copying the prediction method of coal mine industry.According to the comprehensive effect hypothesis of coal and gas outburst,the BP(Back Propagation)neural network is introduced to the coal and gas outburst prediction of tunnels,by the reasonable selection of outburst evaluation indexes,and training and back judgment of neural network system,to comprehensively evaluate and predict the risk of coal and gas outburst in gas tunnel.Research conclusions:(1) According to the analysis of influential factors of coal and gas outburst of mine and gas tunnel,and based on the comprehensive effect hypothesis of coal and gas outburst,this paper proposes the new prediction method of coal and gas outburst in gas tunnel by using BP neural network.(2) The gas pressure,geological formation,depth of burial,consistent coefficient of coal,the initial velocity of gas emission,and structural fractured types of coal-body are chosen as the evaluation index to predicting coal and gas outburst in tunnel.(3) These typical coal and gas outburst samples of coal mines are applied in the BP neural network for learning and training,the back estimation results show that the neural network works well,and the trained neural network is used in coal and gas outburst prediction of the existing gas tunnels,the prediction results are consistent with the actual situation,it is confirmed that the coal and gas outburst prediction of gas tunnel by outburst samples in coal mine is feasible.(4) The BP neural network is applied for prediction of coal and gas outburst of 7 high gas tunnels in Chengdu-Guiyang high-speed railway,and it is shown that the C5 and C6 coal seams in Yujing mountain tunnel have significant outburst risk,and 6 other tunnels are without outburst risk.(5) The research achievements have important reference value and significance on the design and construction of gas tunnels.

Uniaxial compressive tests were carried out to investigate the dilatation behaviour of phyllite samples under different loading azimuths. There were four types of samples taken from the Chengdu-Lanzhou railway. The results showed that the samples generally expanded before the peak stress reached, and the dilatation behaviour was influenced by the loading azimuth and degree of anisotropy. The vertical strain rate was greater than the horizontal one before the dilatation occurred, and vice versa after expansion. When the volumetric strain of phyllite samples converted from a positive value to a negative one, three conditions existed: pre-peak stress, post-peak stress and not-converted. Besides, the probability of the conversion was related to the participation degree, the form, and the failure mode of the original cracks during the loading process. The maximum dilatation rate appeared at the moment when the axial strain reached its maximum value, and the high azimuth angle was more sensitive to the dilatation capacity. The initiation stress of the dilatation was usually low, and the difference between the loading azimuth and lithology was large. The deformation and failure process of phyllite under loading was significantly reflected by the elastic modulus and Poisson ratio which were greatly affected by the dilatancy.

The experimental tests are carried out on the strength and deformation characteristics of four typical rock samples of phyllite taken from the northem tunnels of Longmen Mountains of the Chengdou-Lanzhou Railway.The results show that the deformation of the phyllite is strongly influenced by the loading angles related to the beddings and the mineral components of the rocks as well as the confining pressure in 3-D compression.The uniaxial compressive strength of the phyllite changes with the changing of the loading angles,showing a "U" type and typical anisotropic behaviour.The anisotropic intensity of the four phyllite samples can be queued as follows:HP＞MP＞QP＞CP.Dilation appears in the rock samples generally before the peak stress of the loading,and the starting stress and the formation of rock dilatancy are related with the loading angle as well as the development degree of the beddings.In the triaxial compressive tests,both the peak strength and the residual strength of the samples along the loading axis perpendicular to the beddings are remarkably higher than those parallel to the beddings,and the differences increase with the increase of the confining pressure.The failure modes of phyllite samples with different loading angles are classified into 4 types:bedding plane slip shear failure,tension shear failure,tensile failure and composite failure.

The anchor bolt (cable) is commonly used in slope reinforcement, and the anchoring angle is a key pa-rameter of the design that affects both slope stability and engineering costs. In this paper, a calculation expression for the optimal angle of the anchor bolt (cable) used in a tunnel portal slope was proposed based on a comprehensive analysis of the effects of the anchoring angle on slope stability;the practicability of this calculation expression is ver-ified by a project case.

我国是世界上黄土分布最广的国家，总面积达63万平方公里。规划穿越黄土地区的高速铁路总长超过2000公里。本项目依托的郑州至西安高速铁路，是我国“四纵四横”高速铁路网的重要组成部分，是世界上首条穿越黄土地区的高速铁路。全长458公里，设计速度350公里/小时，共有28座黄土隧道，累计长53公里。该工程黄土隧道建设主要面临三大难题：隧道开挖面积大，长隧道多，施工安全和工期风险极高；高速铁路隧底工后沉降控制标准高，黄土地区实现难度大；浅覆土下穿既有公路和铁路的工点多，地表沉降要求严，环境风险极高。针对以上难题，要求本项目对大断面黄土隧道建设成套技术进行攻关，为郑西高铁建设提供技术支撑。

研究目的:现行铁路隧道设计规范中概率极限状态法的适用范围局限于单线铁路隧道的整体式衬砌,而我国铁路隧道的现状是双线及大跨隧道越来越多,复合式衬砌已经广泛使用,因此现行规范中的概率极限状态法无法满足隧道工程设计需要.为拓展概率极限状态法在铁路隧道设计中的适用范围,便于开展国际交流,有必要开展铁路隧道概率极限状态设计方法研究,而结构目标可靠指标是应用概率极限状态的前提和基础.研究结论:研究表明:(1)现行铁路隧道复合式衬砌通用参考图可靠性水平较高,对于钢筋混凝土衬砌、素混凝土衬砌抗压及素混凝土衬砌抗裂三种极限状态下,其对应的可靠指标均值分别为4.27、13.71和7.48;(2)国内相近规范中在结构安全等级为二级的情况下,对于延性破坏状态其目标可靠指标变化范围为3.2～4.2,对于脆性破坏状态其目标可靠指标变化范围为3.7～4.7;(3)北欧国家的目标可靠指标不区分混凝土的延性破坏或脆性破坏,在结构安全等级为二级时,北欧国家规定设计目标可靠指标取4.26,而英国的CIRIA标准规定设计目标可靠指标取值3.71;(4)综合考虑参考图校准及国内外调研结果,提出我国铁路隧道衬砌承载能力极限状态目标可靠指标,对于延性破坏和脆性破坏两种情况:当安全等级为二级时,其对应的目标可靠指标分别为4.2和4.7,当安全等级为一级或三级时,对应的目标可靠指标分别提高或降低0.5;(5)本研究成果已经成功应用于《铁路隧道极限状态法暂行规范》.

研究目的:采用带有分项系数的实用设计表达式,不仅能继承传统结构设计式的形式,而且能体现结构设计对目标可靠指标的要求,是应用可靠指标衡量结构设计安全水平的重要途径.本文根据铁路隧道衬砌结构的受力特点和材料性能,采用混凝土衬砌结构抗压、混凝土衬砌结构抗裂和钢筋混凝土衬砌结构三种极限状态设计式建立“荷载-结构”模型.研究结论:利用Monte-Carlo随机有限元的方法分析铁路隧道衬砌结构作用效应的统计特征,根据材料特性分析抗力的概率统计特征以及计算可靠指标与目标可靠指标差值最小化的原则,分析得到:(1)铁路隧道衬砌结构检算时,围岩压力分项系数为1.4,自重荷载分项系数为1.2;(2)钢筋混凝土、混凝土抗压、混凝土抗裂三种工况下的调整系数分别为1.05、1.85、2.35;(3)该研究结果可为《铁路隧道设计规范》的修订提供理论依据.