基于可靠度理论的隧道洞门结构计算软件开发

铁路隧道洞门结构按概率极限状态法设计时,需考虑墙身抗压、抗裂、抗倾覆、抗滑移及地基承载力5种极限状态。为评定洞门结构可靠性,需对不同极限状态下的可靠度指标或承载力极限状态进行计算。传统方法一般采用手算并结合MATTLAB、ANSYS、EXCEL等软件进行计算,其计算效率低,实用性不高。针对以上问题,文章基于Visual Basic平台,开发了基于极限状态法的隧道洞门结构计算软件。该程序实现了洞门结构5种极限状态的可靠度指标和承载力极限状态的快速计算功能,并提供了3种可靠度指标计算方法,包括JC法、分位值法与蒙特卡洛法,软件计算结果可写入Excel模板文件,大大提高了隧道洞门结构计算效率。通过与手算结果对比,验证了该软件计算结果的准确性。     

高速铁路交叉隧道动力学问题研究综述

文章针对高速铁路交叉隧道的分类和组合型式进行划分,分别阐述了其存在的关键动力学问题,并通过广泛的相关文献调研,总结了高速铁路交叉隧道在列车振动、空气动力效应以及地震震动等方面的研究现状与不足;指出了今后的研究重点:(1)考虑隧道结构、地层参数以及邻近交叉隧道的结构特征,建立高速列车-轨道-交叉隧道为一体的三维精细化分析模型,并用其开展定量安全评价;(2)开展车隧气动结构效应研究,提出保障隧道结构安全的工程措施,进而建立考虑列车气动荷载与其他动力荷载叠加作用下交叉隧道的安全性评估方法;(3)进行全方位的高速铁路交叉隧道地震动力响应研究,揭示交叉隧道结构本身的动力特性,提出相适应的抗震设计方法;(4)引入混凝土和岩石动力损伤本构关系,建立能考虑材料动态损伤的计算模型,以对结构在长期反复动力作用下的动力响应特性及其累积损伤效应开展深入研究。     

半荷载结构法检算浅埋(偏压)隧道结构之探讨

浅埋和偏压隧道在隧道规范和设计手册中都列有荷载计算公式.对于整体式衬砌,多年来均用荷载结构法进行结构检算,计算中不考虑施工支护受力,当前的标准图均按此法编制.近年来,锚喷支护的使用日益普及,尤其在浅埋和偏压地段锚喷的厚度大、强度高,投入费用大,其作用已不可忽视.文章提出的半荷载结构法,采用规范规定的荷载,可考虑锚杆加固后的围岩以及锚喷初期支护受力,与以往的荷载结构法相比较,认为采用半荷载结构法更加稳妥和合理.     

破碎围岩大跨公路隧道结构健康度评价方法研究

目前关于大跨隧道结构在松动荷载作用下的受力变形与损伤演化机理研究相对较少,缺乏运营期隧道结构的健康度评价体系与预警标准,不利于掌握隧道结构的安全状态。针对上述问题,文章通过建立二维及三维数值分析模型,研究了Ⅳ级、Ⅴ级围岩下大跨隧道结构在松动荷载下的受力变形特性,并依据变形及破损特征,建立了5级评价体系与3级预警标准。研究结论为:(1)拱部松动荷载作用下大跨隧道的破坏过程分为四个阶段,分别为设计荷载下的弹性受力阶段、拱部松动荷载下的弹性受力阶段、结构开裂后的塑性工作阶段及加速变形破坏阶段;(2)设计荷载下,采用荷载规范计算方法与三维数值模拟方法得出的隧道变形基本一致,验证了数值计算的可行性。通过数值计算,得出Ⅳ级围岩下结构极限承载力为734 kPa,拱顶沉降6.75 cm,边墙收敛1.56 cm。Ⅴ级围岩下结构极限承载力为812 kPa,拱顶沉降10.47 cm,边墙收敛4.06 cm;(3)以拱顶开裂、局部压屈、拱顶拱腰压屈、拱腰压屈达到衬砌厚度的1/3、钢筋拉断为关键节点,以结构受力、拱顶沉降、边墙收敛为评价指标,建立了Ⅳ级、Ⅴ级围岩下大跨隧道的健康度评价体系及预警标准。     

水下隧道复合式衬砌水压特征研究

水下隧道无论在施工期还是运营期,时刻都处于有无限水源补给且水头恒定的水体下,因此水压是水下隧道衬砌结构设计的主要荷载之一。文章通过理论分析、模型试验和对厦门海底隧道现场实测数据的分析,研究了水下隧道复合式衬砌的水压特征。研究表明:(1)仅在考虑隧道排水时,注浆圈才能发挥减小对衬砌水压的作用。随注浆厚度增加,衬砌水压减少,且注浆效果越好,衬砌水压降低越明显,而相应注浆圈分担的水压也就越高,但是注浆圈厚度的无限增大对减少衬砌水压作用甚微,合理的注浆厚度在3~8 m范围内;(2)随着初期支护抗渗性的加强,衬砌水压明显增加。设计时必须考虑初期支护承受一定的水压。初期支护水压主要取决于注浆层与初期支护渗透系数的比值;(3)不论注浆水平如何,不论初期支护、二次衬砌渗透系数如何,二次衬砌水压折减系数的大小关键取决于进入初期支护的水量能被多大程度地排出,即取决于隧道排水量与进入初期支护水量的比值。在确定二次衬砌水压时,还应考虑初始渗流场的影响。研究可为水下隧道和高水压山岭隧道的结构设计提供参考。     

黄土公路隧道结构设计与施工中的若干问题

针对黄土公路隧道结构设计和施工中的理论研究滞后于工程实践的现实情况,结合白虎山隧道、新庄岭隧道、土家湾隧道三座黄土公路隧道衬砌结构力学性状研究成果,提出了以黄土公路隧道拱顶中心线侧压力系数为判据的深、浅埋界定的新方法,指出应结合黄土特性及埋置深度进行隧道衬砌设计,不宜按计算摩擦角或围岩类别确定隧道的围岩压力;设计时除进行荷载计算外,还应根据工程地质条件,经工程类比及综合研究后确定衬砌结构。应根据不同的地质条件确定设计原则和施工方法,例如,地质条件较差地段应采用微台阶或分区微台阶法施工,而不采用侧壁导洞法或双侧壁导洞法;在取得同等支护效果的条件下应加强初期支护;在湿陷性黄土地区应特别注意水的处理。     

大直径盾构隧道双层衬砌管片结构计算

目前,大直径盾构隧道的运用日益增多,常用的盾构隧道多为单层衬砌结构。鉴于单层衬砌管片结构存在一些缺点,双层衬砌管片结构的设计与使用逐渐引起人们的注意。文章针对大连地铁5号线跨海段盾构隧道双层衬砌结构,运用Abaqus软件并考虑围岩压力、地震荷载作用、溶洞以及施作方式对于结构的影响,计算分析不同工况下盾构隧道双层衬砌管片结构的变形以及受力特征。研究结果表明:基本荷载下结构受力的主体为初衬,二次衬砌的作用应更多考虑为耐久性和安全储备。地震荷载作用下二次衬砌结构内力显著增大,相对于基本荷载,初衬内力增幅为8.57%～44.1%,二次衬砌内力增幅为123.6%～332.4%,二次衬砌结构将在抵抗地震等偶然荷载作用时发挥较大作用。地震荷载作用下溶洞对双层衬砌结构内力及变形影响很大,相对基本荷载工况,初衬内力增幅为11.0%～216.5%,二次衬砌内力增幅为192.4%～353.1%,轴向变形增幅为58.9%～81.34%,水平向变形增幅约为143.6%。因此,建议对溶洞进行合理加固,以保证隧道安全。     

对《JTGD70-2010公路隧道设计细则》结构计算部分条文的修改意见

隧道结构问题的复杂性决定了目前隧道设计依然是以经验类比法为主,结构计算分析为辅。由于隧道的荷载和结构计算原理的研究难度较大,比较复杂,导致《JTGD70-2010公路隧道设计细则》中结构计算方面存在的一些问题没有得到及时发现与修正。文章针对细则中深埋连拱隧道围岩松散压力计算方法、初期支护与二次衬砌计算模型的拱脚约束方法、钢拱架与喷射混凝土进行强度校核时弯矩仅由钢拱架承担等方面存在的问题,进行了分析与探讨,并提出了相应的修改意见,建议在下一版细则修订时,使其更加完善,从而更好地用来指导隧道结构计算与设计。     

水底隧道衬砌背后水荷载作用形式及大小研究

随着我国水底隧道的修建,地下水的作用形式及衬砌背后水荷载大小的确定已亟需解决。文章以某水底隧道为工程背景,采用有限差分软件FLAC3D对水-土(岩)分算、水-土(岩)合算、流固耦合地下水封堵、自由排水等四种工况进行分析研究,通过四种工况数值计算结果的比较,得出了一些有价值的结论,可以为设计者提供参考,以优化水底隧道的设计。     

地震时跨断层海底管道的屈曲分析

地震时,考虑海底管道与土介质的相互作用,对将跨断层海底管道作为薄壳结构时的断层位错反应进行分析计算.利用Ansys分析软件,将管道模型简化为四节点薄壳单元结构, 土介质简化为弹塑性弹簧,建立管土相互作用的有限元分析模型,进行分析计算.根据计算结果以及海底管道屈曲校核准则描绘出管道破坏等级范围分布图.最终得出结论:地震时在大位移断层运动作用下,海底管道存在明显的屈曲变形,在屈曲变形较大处,海底管道发生断裂.     

高水压富水山岭隧道设计浅谈及工程实例

通过对地下水渗流场的理论分析,结合宜万线齐岳山隧道高水压富水地段现场具体处理情况,得出高水压富水隧道设计应注意的主要原则:"以堵为主,限量排放"是高水位富水隧道设计应遵循的基本原则,限量标准应根据隧道区域内具体情况类比确定;地层注浆是实现限量排放的主要方式,确定注浆加固圈范围时应确保注浆帷幕体自身的稳定;排水系统是衬砌结构设计中不可缺少的一部分,在完善可靠的排水系统下,衬砌结构承受的外水荷载能较大幅度地进行折减。     

浅埋黄土隧道土石分界高度对初期支护结构安全性的影响分析

为获得浅埋黄土隧道土石分界高度对初期支护结构安全性的影响,文章以临县隧道为工程背景,采用数值模拟的方法研究了浅埋土石分界高度及土石分界面位置对隧道初期支护结构安全性的影响。结果表明:土石分界致使隧道初期支护结构安全系数发生突变,分界面倾斜时安全系数分布不对称。同一种埋深条件下,随着土石分界面位置的下移,土石分界面以上部分偏压减弱,分界面以下的部分偏压增强。同一界面深度条件下,隧道初期支护结构左右断面偏压情况随着埋深增加而增大。当土石分界面分别位于隧道上导坑和中下导坑、分界面倾角为10°时,可通过增加20%隧道左侧荷载或减小20%右侧抗力系数来进行荷载计算。     

类矩形盾构隧道装配式衬砌结构设计参数研究

以曲墙曲拱的类矩形断面形式设计两车道拼装式盾构隧道衬砌,考虑地层抗力系数、覆土厚度、设计荷载等因素的影响,建立类矩形盾构隧道衬砌的梁-弹簧模型。结合昆明地区典型地质剖面,分别对均质环模型和梁-弹簧模型进行内力计算,验证计算模型的合理性。研究结果表明:随着地层抗力系数的增加,衬砌结构弯矩及剪力逐渐减小,轴力逐渐增大,改善了管片结构的受力状态。     

泥炭(质)土地层盾构隧道结构力学行为研究

文章以昆明泥炭(质)土地层地铁盾构区间工程为依托,对隧道结构周边不同地层分布及组合工况其影响盾构隧道管片衬砌结构的内力分布规律进行了研究;在此基础上,选用最不利荷载工况,采用改变地层抗力系数的方法模拟泥炭(质)土地层扰动,对泥炭(质)土不同扰动程度下盾构隧道管片衬砌结构力学行为进行了深入研究,得出了盾构隧道结构内力随泥炭(质)土扰动程度的变化规律。研究成果可直接指导昆明泥炭(质)土地层地铁区间盾构法隧道的设计,同时为软土地层盾构隧道的设计提供指导。     

基于地震波法测定岩体弹性抗力系数

围岩弹性抗力系数是隧道结构设计的重要参数,其原位测试具有难度大、费用高的特点。基于此,文章提出一种根据隧道地震波反射法进行超前地质预报实测的围岩地震波波速计算其弹性抗力系数的方法。首先根据实测地震波波速计算围岩的动弹性参数,然后利用前人得出的岩体动、静弹性参数关系计算围岩的静力学参数。以此为基础计算围岩的弹性抗力系数。文章以赣龙汀州隧道为例,采用上述方法获得了该隧道Ⅲ、Ⅳ级围岩的弹性抗力系数,分别为0.54~1.19 GPa/m和0.24~7.6 GPa/m。计算数值与我国《铁路隧道设计规范》中Ⅲ、Ⅳ级围岩的弹性抗力系数吻合,这说明根据地震波反射法进行超前地质预报所获得的围岩地震波波速确定围岩弹性抗力系数是一种可行的方法。     

大断面跨海盾构隧道结构设计与参数分析

为获得精细、合理化的大断面盾构隧道结构设计方法,文章依托某大断面跨海隧道工程,对其结构选型和结构参数进行了分析。从管片拼装方式与分块、管片连接方式、管片材料等方面,分析了管片结构的选型方法;从计算模型的选取、计算工况与荷载的确定、参数的选取、计算结果等方面,分析讨论了管片横断面和隧道纵向结构的数值模拟计算方法及其适用性。结果表明:采用梁-弹簧模型、均质圆环模型计算管片横断面时所得的内力分布并不相同,在实际设计中应以前者计算结果为主,后者进行复核;在地基变化剧烈处,盾构隧道易出现较大的纵向弯矩和管片环间剪力,可通过采用设置变形缝、硬岩破碎等方式予以处理。     

管棚超前支护在平顶直墙隧道中的优化设计

管棚法作为浅埋暗挖隧道的一种辅助工法在防止隧道塌方、控制地层位移方面发挥着重要作用.管棚设计需要确定两个基本参数--间距、截面尺寸.而管棚的设计理论还不够成熟.文章引入土拱原理可以计算管棚的最大间距;而对于截面尺寸.提出在弹性地基梁法的基础上,考虑隧道开挖影响并结合增量法进行计算较为合理.同时认为,两个基本参数的相互影响必须综合考虑,假定管棚直径进行间距设计,应根据管棚受力分析进行校核,通过多次循环假定、计算、校核以得到较为合理的管棚设计参数.     

考虑围岩软化与膨胀对松动围岩压力的影响研究

传统围岩松动压力计算理论不能考虑膨胀土隧道增湿软化和膨胀效应引起的应力增量。文章以南京平山软弱膨胀土隧道为工程背景,对松动围岩压力的计算方法进行改进,基于太沙基理论将围岩强度软化、增湿膨胀的影响加以考虑,进而提出一种新的围岩压力数值计算方法——"极限平衡数值法"。文章运用有限差分软件FLAC3D分析了围岩在增湿软化、膨胀前后应力变化情况,并分析了隧道埋深、降雨影响深度和围岩膨胀率的影响效果。结果表明:围岩松动压力可以通过"极限平衡数值法"得到,且其大小受围岩软化、膨胀特性影响显著;随着降雨影响深度以及围岩膨胀率的增大,松动围岩压力逐渐增大;适用于膨胀土隧道松动压力计算公式中的修正系数的大小与降雨影响深度以及围岩膨胀率成正比,与隧道埋深成反比。     

基于一维土层地震反应分析轨道交通区间隧道横向反应位移法的抗震设计

反应位移法作为一种较合适的地下结构拟静力抗震分析方法,其等效动荷载的确定对地下结构抗震结果的影响较大。借助一维土层地震反应分析,获得土体在地震动荷载作用下的动力反应,从而取得地下结构顶底标高处产生最大相对变形时刻的荷载参数,并以此作为确定反应位移法等效动荷载的依据。结合上海轨道交通圆形区间隧道工程实例,阐述了具体抗震分析过程,可为地下交通隧道结构的抗震设计提供借鉴。     

高水压单线铁路隧道二次衬砌水压设计限值研究

随着我国高速铁路建设的快速发展,深埋长大山岭隧道的修建数量明显增加,隧道遭遇高水压的问题也更为突出。如何合理地进行高水压隧道的衬砌设计,是目前隧道工程界重点关注的问题之一,其中二次衬砌水压预测及设防等级的确定是制约设计的关键环节。文章通过对已建典型高水压隧道的分析及理论计算,研究了高水压隧道二次衬砌水压设计的限值。研究表明:(1)高水压隧道衬砌的设防等级应有一个上限;(2)二次衬砌厚度取值以不超过1 m为宜,继续增大厚度对提高结构安全性效果不明显;(3)单纯通过提高混凝土强度来达到提高二次衬砌结构承载力的目的并不是很理想,高水压隧道二次衬砌合理强度等级以取C40~C50为宜;(4)从衬砌安全性综合考虑,高水压隧道抗水压的最大限值以取1.2 MPa为宜,不宜过大。当实际预测水压超过此值时,应采取综合措施将衬砌水压调整在合理范围内。