不同土质围岩条件下隧底围岩脱空规律与结构受力特征研究

针对铁路隧道隧底围岩脱空病害问题,采用室内试验与数值模拟方法,探明不同土质围岩类型、隧底结构形式条件下隧底围 岩脱空演变规律,给出不同土质围岩类型条件下隧底围岩脱空类型;进而,明确不同脱空类型条件下隧底结构受力特征。研究结果 表明: 1)在相同隧底围岩类型条件下,底板结构形式比仰拱结构形式更易发生围岩脱空现象;相同隧底结构条件下,黏性土、卵石 土、砂质土3 种隧底围岩的脱空程度依次降低。2)隧底围岩脱空类型主要与围岩类型有关;卵石土、黏性土和砂质土围岩最终脱空 类型依次为多处小范围局部脱空、整体性脱空、隧底中心区域大范围脱空。3)在相同围岩脱空类型条件下,底板结构受力特征变化 比仰拱结构更为剧烈,应力集中现象更为明显,更易引发隧底结构损坏。4)随着脱空范围增大,隧底结构弯矩变化量、轴力减小量 均呈增大趋势,轴力分布逐渐呈“中间大,两端小”的不均匀分布形态。     

基于疲劳寿命的40 t轴重重载单线隧道隧底参数优化

基于疲劳寿命分析方法对几内亚西芒杜新建40 t轴重重载铁路隧道进行隧底结构参数设计优化分析。考虑不同围岩等级、轴重、结构参数以及行车速度等的多种工况,采用动力有限元方法得到列车动载作用下隧底结构疲劳危险部位的应力时程曲线即应力水平,而后根据疲劳累积损伤理论,创新性地考虑应力疲劳与材料碳化的耦合,得到了不同工况隧底混凝土结构的使用寿命。最后给出了不同围岩级别下单线有砟铁路隧底结构优化参数,探讨了轴重和行车速度对结构疲劳寿命的影响规律。     

列车荷载-地下水耦合作用下隧底围岩强度参数劣化规律研究

为探明列车激振荷载-地下水耦合作用下隧底围岩强度参数劣化特征及列车荷载、地下水压力、围岩级别对围岩颗粒流失影响规律,采用PFC 数值模拟方法分析不同影响因素对围岩颗粒流失量的影响规律,给出颗粒流失率计算公式; 探明不同颗粒流失率条件下围岩弹性模量、峰值强度劣化特征,得到劣化后强度参数计算公式。研究结果表明: 1)围岩自身完整程度、列车轴重、地下水压力三者均与围岩颗粒流失量呈正相关关系,且三者对颗粒流失影响程度依次降低; 2)颗粒流失率与列车轴重、地下水压力三者之间呈二次曲面关系,给出围岩颗粒流失率计算公式; 3)随颗粒流失率增加,围岩应力应变全曲线中弹性变形阶段逐渐减小, 塑性变形阶段逐渐扩大,全曲线特征由弹塑性逐渐向塑性转变; 4)围岩弹性模量、峰值强度均随颗粒流失率增加呈指数衰减,得到劣化强度参数计算公式。     

重载列车对隧道裂损衬砌承载性能的影响研究

为定量分析重载列车动载作用下隧道裂损衬砌裂缝的演化机制和承载性能的变化规律，采用扩展有限元与直接循环法相结合的方法模拟裂缝在列车荷载作用下的扩展路径，并通过模型试验对方法的有效性和准确性进行验证。模型试验与数值模拟的误差仅为3.7%，表明该数值模拟方法较为精确。研究发现： 1）在重载列车动载作用下，裂损衬砌仰拱处的动力响应相较于衬砌其他位置会更为剧烈，裂损衬砌仰拱处的安全系数与衬砌其他位置相比则更小，因此裂损衬砌仰拱位置为重载列车动载下的危险部位； 2）重载列车轴重对裂损隧道衬砌的动力响应影响比初始裂缝深度及车速对裂损隧道衬砌的动力响应影响更为明显，而裂损衬砌的安全性能受初始裂缝深度影响比受轴重及车速影响更为显著。     

不同埋深铁路隧道仰拱受力特征研究

以董志塬区银西高铁黄土隧道为例,对不同埋深条件下隧道仰拱的基底接触压力和钢拱架应力随时间的变化规律、空间分布特征及其差异性进行了对比研究。研究结果表明,浅埋隧道基底接触压力变化时间较深埋隧道略长;不同埋深隧道仰拱处最小基底接触压力均出现在拱底中心处,最大基底接触压力均出现在拱脚处,且同一部位浅埋隧道基底接触压力明显大于深埋隧道基底接触压力;在仰拱的同一部位处,深埋隧道钢拱架应力明显大于浅埋隧道钢拱架应力;仰拱部位钢拱架承受压应力为主,浅埋黄土隧道仰拱部位的钢拱架最大压应力出现在拱底中心,可达约12MPa;而深埋隧道拱脚部位的钢拱架压应力最大,可达26~33MPa。研究结果可为黄土隧道仰拱设计优化与施工提供参考。     

单洞双线铁路隧道仰拱施工质量控制技术研究

为有效解决和控制仰拱厚度不够、强度不足、施工缝翻浆冒泥及上拱等施工质量问题，保障隧道工程建设和运营安全，依托渝昆高铁昭通隧道工程，采用隧道扫描系统检测仰拱开挖断面，确保仰拱厚度满足设计要求；采用液压自行式整体仰拱栈桥，优化仰拱弧形模板，实现分段分层浇筑和振捣工艺，提高混凝土施工质量；采用分离式仰拱端头钢模板，预铺仰拱端头弧形带并安装橡胶背贴和中埋止水带，提高了施工缝质量，减少了施工缝翻浆冒泥现象；设置隧底纵向排水管及逆向导水管等优化隧底排水设计措施，解决了水害造成的仰拱上拱问题；制定并落实隧道仰拱施工质量管理措施。通过在渝昆高铁昭通隧道施工中采取以上措施，实现了仰拱零欠厚，仰拱混凝土强度满足设计要求，施工缝质量零缺陷。     

富水炭质板岩地层隧道底部结构破损原因分析及防治措施探讨

云南香丽高速公路穿越富水炭质板岩地段,多座隧道出现隧底结构破损,破损主要特征为隧底填充混凝土沿隧道中线纵向开裂,裂缝上宽下窄,呈"V"字形,对于隧道施工以及后期运营带来极大的安全隐患。该文以香丽高速公路典型富水炭质板岩地层隧道为工程背景,通过现场调查和数值计算分析等方法,分析隧道底部结构破损原因,提出相应的防治措施。结果表明:隧道底部结构破损主要是由于仰拱积水,隧道基底围岩遇水软化,导致隧道底部结构所受拉应力过大,出现张拉裂缝;隧道仰拱现状也对于仰拱受力不利。对于基底围岩进行加固,以及适当调整仰拱曲率可以避免隧道底部结构破损的发生。     

地震波法检测水泥混凝土路面板脱空室内试验研究

分析了地震波法检测水泥混凝土路面脱空的基本原理。借助IDTS3850振动测试仪,进行了室内混凝土脱空板振动模拟试验,记录与分析了室内不同脱空状态下水泥混凝土路面板的微地震波,初步获得了室内模拟水泥混凝土路面板在不同脱空状态下的振动特性规律。结果表明:室内板底脱空程度越严重,板体振动系统受到激励作用时产生的自然频率越低,振动时间越长,振幅则越大。     

富水大断面公路隧道水压模型试验及衬砌结构力学行为研究

为研究隧道衬砌在围岩压力及外水压力综合作用下的受力特征、结构安全性及破坏过程，采用自制的均匀水压模拟加载装置及隧道地层复合试验台架，实现对围岩压力及外水压力的分别控制加载，完成在深埋条件下不同外水压力作用下衬砌结构受力模型试验。运用ANSYS有限元软件分阶段计算衬砌在水土压力作用下的受力特征，计算各部分安全系数，并与试验结果对比分析。研究表明：采用抽真空的方法模拟外水压力时，外水压力值越大，试验结果越接近真实情况，当外水压力达到150 kPa时，其差值可控制在5%以内；在外水压力及围岩压力的作用下，墙脚及拱底分别受最大正弯矩及最大负弯矩作用，且安全系数较其他位置小；随着外水压力的增大，衬砌所受的轴力及弯矩持续增大，且增大速率基本呈线性，其中墙脚位置增长速率最快；随着荷载的增大衬砌结构墙脚最先发生破坏，墙脚裂缝发展导致衬砌结构应力重分布，最终引起拱底开裂；墙脚的裂缝导致墙脚处承受的正弯矩不断减小，拱底承受的负弯矩不断增大，安全系数不断减小；当墙脚的裂缝宽度发展至1.5~2.0 mm时，试验数据及数值模拟结果计算所得拱底安全系数降低至1.5左右，拱底不再满足承载要求，与试验中衬砌的开裂行为相吻合。所提出的模型试验方案可为类似模型试验提供参考，研究成果可为富水大断面公路隧道的设计及安全评估提供依据。     

基于改进的灰关联模型分析特定条件下水泥路面疲劳寿命影响因素

基于一种改进的灰色关联模型，建立了移动荷载作用下的水泥路面板底脱空模型，提出了板底脱空演化作用下水泥路面疲劳寿命的计算方法，分析了水泥路面疲劳寿命影响因素的影响程度。结果表明：面层板厚度的灰色关联度为0.65，动荷载的灰色关联度为0.63，说明动荷载和面层板厚度对动荷载与板底脱空耦合作用下水泥路面疲劳寿命的影响程度较高，而脱空半径、脱空深度、行驶速度和基层动弹性模量对动荷载与板底脱空耦合作用下水泥路面疲劳寿命的影响程度较小；面层动弹性模量的灰色关联度为0.05，说明面层动弹性模量对动荷载与板底脱空耦合作用下水泥路面疲劳寿命基本无影响。     

富水区城市公路隧道中隔壁法各开挖步力学特征研究

以深圳东部过境高速公路连接线工程为依托,基于应力场-渗流场耦合的数值模拟方法,研究富水区城市公路隧道中隔壁法各开挖步力学特征。结果表明:中隔壁法各开挖步骤的围岩主应力变化特征明显,隧道目标面围岩总体受压,在隧道两侧拱腰至拱脚处存在较为明显的压应力集中现象,而拱底及掌子面则出现少量拉应力集中;不同开挖步拱脚处初期支护应力最大,拱腰、拱肩和拱顶处应力量值较为接近,而拱底处应力最小;初期支护受力随隧道开挖进程变化幅度较小,初期支护具有一定的安全储备;各径向特征点水压力均呈现从注浆圈外侧至初期支护外侧逐渐减小的趋势,而各环向特征点水压力由拱顶至拱底逐渐增大;对于作用于初期支护上的水压力值,数值计算结果稍大于不考虑开挖影响的理论预测值,表明中隔壁法隧道施工各开挖步对衬砌背后水压力大小及分布规律有一定影响。     

大断面古土壤隧道围岩压力分布规律及支护结构受力特征分析——以银西高铁早胜3号隧道为例

银西高铁早胜3号隧道位于甘肃省宁县境内，为国内首条穿越古土壤地层的隧道。为研究隧道穿越古土壤地层时围岩压力分布情况及支护结构受力变形特征，通过在隧道相同里程布设压力盒、表面应变计和钢筋应力计等传感器，对围岩压力、初期支护受力变形情况进行长期现场监测，并将监测结果得到的频率值换算为力值或应变，最后对数据进行分析。结果表明： 1）对于三台阶七步开挖法，围岩压力大致经历了急剧变化-缓慢变化-平稳变化3个阶段，三台阶七步开挖的施工工法决定了相同里程先开挖一侧围岩压力明显大于后开挖一侧； 2）钢拱架呈现三维受力状态，相邻2榀拱架间轴力以受压为主，支护结构的完整程度以及与混凝土的协作关系直接影响轴力变化情况； 3）拱脚应变的最大值主要集中在上台阶和仰拱底部附近。     

下台阶含仰拱一次开挖工法仰拱早期受力研究

为明确下台阶含仰拱一次开挖工法仰拱早期的受力状态并制定相应的强度控制标准,以中条山隧道为依托工程,利用数值分析、位移-荷载反演等方法对仰拱早期在外荷载作用下的受力进行分析。下台阶含仰拱一次开挖工法中,仰拱随下台阶同步开挖,由于工法的特殊性,仰拱施作约2 h后会承受来自围岩变形、挖机及覆土自重产生的荷载。分析发现： 3个部分荷载中围岩变形压力对仰拱早期受力影响最大,围岩变形作用下最大压应力产生于仰拱拱脚位置,上填覆土及扒碴机械重力作用会减小拱脚压应力,增大拱底压应力。多种外荷载共同作用时,仰拱压应力分布形态为“W”型,最大压应力产生于拱底,为0.14 MPa。考虑预留一定安全储备的情况下,该工法仰拱施作2 h时的抗压强度控制标准可按0.2 MPa进行设计。与传统台阶法仰拱早期受力特性对比,结果证明了一次开挖工法仰拱施作采用早高强混凝土的必要性。     

列车振动荷载作用下明挖隧道施工过程中支护结构的动力响应分析

为了研究既有铁路沿线附近明挖隧道施工过程中支护结构的动力稳定性,结合FLAC3D软件分别采用列车静载和动载模型研究车致振动对周围自由场以及隧道基坑开挖施工的影响。主要结论如下:1)采用列车静载模型所得结果小于动载模型的结果;2)车致振动以竖向分量为主,振动幅度沿水平向衰减很快,在距既有线6 m范围内衰减剧烈,之后趋于稳定;3)沿竖向衰减较慢,在20 m深度范围内,沉降量基本与深度呈二次曲线关系,之后趋于稳定;4)在既有线列车荷载作用下,不同施工阶段基坑底部总体有反拱趋势,为5~8 mm;5)采用锚索支护体系可以明显减小基坑侧壁的内倾变形。研究表明,既有线的列车荷载作用在水平方向上对于拟开挖隧道无明显振动影响,在竖向上当采用围护桩和锚索支护体系后可确保明挖隧道施工过程的整体稳定性。     

富水隧道施工期及运营期衬砌结构力学特性研究

以米亚罗3号隧道为依托工程,首先通过现场实测应力监测数据,对米亚罗3号隧道施工期支护结构应力的演变规律进行了分析研究;然后进一步借助数值分析软件,对不同初始水头高度下,米亚罗3号隧道运营期间围岩和衬砌结构的力学特征进行了研究。应力监测结果表明:隧道上台阶开挖后,拱顶和拱肩处的围岩-初支接触压力、钢拱架应力和外水压力迅速增大,约在30~40d后趋于稳定;下台阶开挖后,拱腰处的接触压力、钢拱架应力和外水压力快速增长,约在30~50d后趋于稳定;随着下台阶的开挖,拱肩处的围岩-初支接触压力再度缓慢增长,而钢拱架应力则明显下降;二衬施作后,其内力快速增长,并在20d后趋于稳定。数值模拟结果表明:当初始水头高度增加时,运营期间米亚罗3号隧道的洞周位移、二衬内力和外水压力均成一定比例的增加;隧道变形主要为竖直和水平方向的挤压变形,最大位移发生在拱底;相对于无地下水的情况,地下水的存在会影响衬砌弯矩分布,导致弯矩最大截面从拱顶转移至拱脚;衬砌所受外水压力在拱底处最小,其余部位分布较为均匀;随着初始水头的增大,拱腰和拱脚背后围岩的塑性区范围会明显增加。     

蒙华铁路中条山隧道施工关键技术

针对蒙华铁路中条山隧道在施工过程中遇到的围岩软弱易风化、仰拱开挖后基底承载力不足、斜井砂砾层承压富水和隧道涌水量大等问题,介绍施工过程中所采用的软弱围岩微台阶带仰拱一次开挖快速封闭成环、铁路单线隧道二次衬砌仰拱及仰拱填充大区段、碎石换填基底加固并在基底埋设排水管以及分段截流、反坡排水等关键施工技术。主要研究结论如下:1)仰拱与下台阶一次爆破成型,减少了爆破围岩的二次扰动,能有效控制周边收敛和拱顶沉降;2)采用24 m单线隧道全液压履带式栈桥,有效减少了仰拱之间施工缝隙对接次数,提高了仰拱的整体性;3)对有水软岩地段采用碎石换填并注浆加固,起到了良好的堵水效果;4)采取分段截流,减少了反坡施工掌子面的排水量,加快了掌子面的施工进度。     

飞机动荷载作用下暗挖隧道围岩压力特性现场试验研究

目前虽然国内外地下工程已有许多隧道工程穿越公路、铁路、既有建(构)筑物等相关施工经验和教训,但穿越机场在路网规划中尚不多见,因此依托下穿机场跑道暗挖隧道工程,针对飞机动荷载作用下的围岩压力展开研究。首先根据地质条件和工程支护特点,给出监测方案;然后根据理论知识计算土压力;最后,对动、静荷载作用下暗挖隧道围岩压力的现场试验进行对比分析。研究结果表明:动、静荷载作用下试验断面的围岩压力均在允许值范围内,动载作用下断面围岩压力整体增大45%~88%。从分布形态看,动、静荷载作用下围岩压力分布都不均匀,相对而言动荷载作用下围岩压力分布更为不均,但二者均表现出:隧道拱顶、底部处围岩压力较大,拱腰处相对较小。