高烈度地震区山岭隧道洞口减震问题的数值模拟研究

采用有限差分软件FLAC3D 3.0研究隧道洞口段的抗震设防长度和衬砌刚度对地震反应的影响,分析设置横向减震层、纵向减震层和加固围岩对衬砌结构的减震效果,并总结山岭隧道洞口减震的思路和措施.结果表明:一般进入洞内25～30 m后地震放大效应开始趋于平稳,该距离可为确定洞口抗震设防长度参考;衬砌刚度过大在一定程度上将加大震害;设置横向减震层和纵向减震层都能使地震反应明显减弱,使应力分布更趋均匀,且前者效果明显好于后者;通过设置锚杆增强围岩整体性,可有效减少作用在衬砌上的地震荷载,且对软质围岩效果更佳.最后,提出山岭隧道洞口必须综合减震,衬砌应该刚、柔平衡.     

注浆加固模式对隧道减震效果影响的数值分析

为了研究隧道不同注浆加固方式的减震效果,以西南高烈度地震区某隧道为背景,通过有限元软件对全环接触式注浆、全环间隔式注浆、局部注浆3种最常用的注浆方法进行数值模拟,重点分析了在地震荷载作用下,不同注浆模式对隧道二次衬砌内力的影响及不同位置的加速度与位移情况。结果表明:地震中的隧道衬砌开裂主要受拉力控制,其中衬砌拱脚拉力最大;注浆加固改善了隧道衬砌受力,其中全环接触式注浆减震效果显著,全环间隔式注浆效果次之,局部注浆效果不明显;注浆加固增加了衬砌刚度,使得隧道衬砌的绝对位移增加,但相对位移减小,因此注浆后的隧道不会发生较严重的错位。     

高烈度地震区公路隧道洞口段地震响应分析

根据隧道地震安全性评价报告和地勘资料,建立了三维数值计算模型并采用一致粘弹性人工边界模拟动力边界t对高烈度地震区公路隧道洞口段进行了瞬态动力计算.计算结果表明:在三向地震荷载激励下,洞口段衬砌的地震响应具有明显滞后性,衬砌以水平横向振动为主,轴向振动次之,竖向振动最弱;洞口段衬砌的拱腰部位将承受极大拉应力和剪应力,可设减震层吸收地震能量;还通过对衬砌相对位移的分析得出,衬砌横向和轴向变形都很小,衬砌稳定性尚好.     

强震区隧道洞口段减震的振动台模型试验

就山岭隧道而言,洞口段往往是震害最严重的部位。为了研究强震区隧道洞口段设置减震层的减震效果,对隧道结构进行了振动台模型试验。分别从衬砌的应变、加速度方面进行了分析,结果表明:减震层的减震作用明显。最后,对试验中的地表地震裂缝的震害进行了描述。     

隧道洞口段的抗震设防长度

运用Newmark隐式时间积分有限元法并采用粘-弹性人工边界,进行了隧道三维地震反应分析。在不同的围岩材料、衬砌类型情况下,分析了隧道洞口段衬砌应力和位移沿隧道轴线方向的变化规律以及采取注浆加固围岩方法的减震效果。计算结果表明:抗震设防长度主要与洞口段围岩性质有关,洞口段松软、破碎的围岩越长,隧道的设防长度就越长;隧道的断面形式以及洞口段临空面的存在与隧道的设防长度关系不大;在地震荷载作用下,洞口段隧道衬砌产生了很大的轴向应力;可采用注浆加固洞口段围岩的方法减小洞口段衬砌的应力和位移。     

嘎隆拉隧道断层区进洞口段轴向地震响应及抗震缝效果研究

针对嘎隆拉隧道洞口段,考虑断层影响,对衬砌设置抗震缝和不设置抗震缝2种工况进行模拟计算,对比分析得出:断层对隧道衬砌的影响主要为增加断层处衬砌的剪应力;抗震缝的设置将使隧道衬砌应力从洞口向洞内沿轴向很快趋于稳定,并将降低衬砌30%的峰值主应力;设置抗震缝后将使衬砌节段内的峰值应力均匀分布,且比不设置抗震缝的衬砌应力小,但衬砌的破坏部位将集中在抗震缝处,并有可能导致结构失稳,因此抗震缝的设置间距不宜过短,数量不宜过多。     

高烈度地震区连拱隧道洞口段抗震措施研究

以中国西南高烈度地震区某拟建连拱隧道为背景,提出隧道洞口段2种全环注浆抗震加固方案,即全环间隔注浆和全环接触注浆;并采用三维数值模拟对不同注浆形式和注浆厚度进行了研究。结果表明:连拱隧道全环注浆2种加固形式均能有效减小隧道-围岩系统的动力相互作用,从而提高隧道整体抗震性能;其中全环接触注浆效果最优,全环间隔注浆效果次之,局部注浆效果不明显;全环接触注浆厚度增大到0.5倍开挖宽度以后,注浆效果几乎不变。研究结论对公路隧道抗震设计、施工有一定参考价值。     

蕉坞小间距偏压隧道进口边坡变形处治

针对蕉坞隧道右线左侧地势较低、洞口位置地面线高度不能覆盖隧道衬砌的地质条件，采用半明半暗结构、坡脚反压挡墙、边坡小导管注浆、喷射砼及大管棚等措施进行综合治理；现场监测结果表明，洞口段边坡治理取得了满意的效果。     

玄真观隧道高地应力整治段坍塌原因分析及处理措施

玄真观隧道贯通后，由于高地应力的原因导致隧道局部衬砌开裂变形，变形段衬砌需拆换整治。拆换过程中，对围岩的二次扰动，使隧道周边围岩产生较大的松动圈，地应力反复重新分布，局部应力高度集中，应力积聚值大于围岩极限强度时发生隧道坍塌。坍塌治理中，对坍塌影响段采取了方木垛、工字钢架临时支撑及预初支背后预注浆加固，防止坍塌的继续扩大；对坍塌段采取了机械手喷射混凝土封闭岩面、工字钢架护拱、预留孔道回填混凝土、加强初支及衬砌等技术措施，取得了坍塌处理的预期效果。     

黄土隧道结构的振动台模型试验研究

为了研究黄土隧道结构在不同地震波及降雨条件下的地震响应和橡胶减震层的减震效果，按相似理论分别设计制作了缩尺比为1∶40的减震黄土隧道及非减震黄土隧道，在总降雨量50 mm，降雨强度10 mm·h^-1的条件下，分别加载近、远场地震波El-Centro波和Taft波，对比了地震波不同加速度条件下黄土隧道各测点的地震响应情况及土压力变化情况，通过减震模型和非减震模型各测点的应变变化情况分析了黄土隧道的减震效率。结果表明：在调幅和持时一致的情况下，黄土隧道结构对于不同的地震动具有明显的选择性，El-Centro地震动条件下的动力响应大于Taft地震动条件下的动力响应，说明黄土隧道结构的动力响应不仅取决于地震动的强度及持时，也与地震波的频谱特性有关，黄土隧道结构对近场地震波的响应大于远场地震波；对模型横向加载，模型各点的横向加速度和竖向加速度均有变化，横向的加速度响应大于竖向的加速度响应；拱顶位置的土压力较大，拱脚位置虽然土压力较小，但应变变化较大，应力集中现象明显；通过设置减震层可使衬砌不同部位的应变值均有所减小，且应变越大的部位减震率越高，不同工况下拱顶及拱脚的应变减震率接近50%，设置减震层不但可以减小衬砌结构的变形，而且能吸收地震能量，发挥围岩结构和衬砌结构的协同作用，减小土体的裂缝宽度及深度。     

隧道穿越倾斜煤层采空区段施工力学特征分析

为研究隧道穿越倾斜煤层采空区段时，采空区围岩的力学变化对隧道超前加固措施及支护结构的影响，采用Flac 3D软件模拟计算隧道穿越采空区的各施工阶段，分析采空区围岩施工力学特征的动态变化过程及隧道支护结构的受力特征。结果表明： 1）隧道在穿越上覆煤层采空区时，采用超前小导管注浆加固能有效阻止围岩的变形破坏； 2）中隔壁拆除后，初期支护结构承担了大部分围岩应力，拱腰及拱脚部位最小主应力值分别增加了13%、41.3%，改善了隧道结构的受力条件； 3）在采空区段锚杆轴力最大值为226 kN，发挥了很好的锚固作用； 4) 隧道穿越下伏煤层采空区时，采用填石注浆的加固改善比例为154.3%，治理措施较为合理。隧道二次衬砌结构的施作更是隧道安全的保障。     

隧道穿越活动断裂区地下结构抗震性能研究

以乌鲁木齐市轨道交通1号线为工程依托,运用有限元计算软件模拟有减震缝隧道衬砌与无减震缝隧道衬砌,对两种工况下衬砌沿隧道轴线方向位移、衬砌沿主震方向位移及衬砌最大剪力部位进行对比分析,研究了隧道结构环向减震缝对衬砌抗震性能影响规律,得出在活动断层区隧道设置减震缝能够有效地对隧道结构起到减震作用。     

丽香铁路黄山哨隧道下穿岩堆段设计施工关键技术

以下穿岩堆段的丽香铁路黄山哨隧道为工程依托，对岩堆段地表开裂及洞内初期支护边墙严重变形的问题进行研究。地表埋设6根测斜管监测地表位移情况，洞内布置3个断面进行围岩压力、钢架内力、二次衬砌内力、初期支护与二次衬砌间的接触压力、锚杆轴力量测。在分析现场岩堆段洞内外受力机制及原因的基础上，根据数值计算结果优化二次衬砌断面型式及进一步加大二次衬砌厚度及配筋。采取以下措施控制隧道岩堆段变形： 1）地表岩堆土石接触面开裂处增设截排水措施； 2）加大隧道初期支护钢架型号及加长岩堆侧边墙径向系统锚杆； 3）加大隧道边墙轮廓曲率并优化隧道二次衬砌型式为圆顺型； 4）隧道预留变形量加大至30 cm； 5）隧道二次衬砌内净空预留50 cm补强空间； 6）隧道拱部设置42小导管超前支护。现场岩堆段采取以上措施后已顺利施工通过，根据洞内外监测结果显示，结构在安全可控范围内。     

山岭隧道洞门段衬砌结构动力响应及震害机理研究

以汶川地震中遭遇严重破坏的烧火坪隧道为背景,建立三维有限元数值模型研究洞门浅埋隧道结构在地震作用下的动力响应特性。同时,为真实反映岩土体及混凝土衬砌结构在强震作用下的屈服变形及损伤破坏过程,在数值计算中引入Drucker-Prager屈服准则及混凝土损伤本构模型。根据数值计算结果对衬砌应力响应及结构损伤破坏分布特征等进行分析,并与现场震害模式进行对比讨论。研究结果表明:隧道洞门浅埋区域主要以拱腰及拱肩区域的受拉破坏为主,结构稳定性及破坏主要受第一个地震动峰值段控制;破坏程度随着隧道纵深的增大而逐渐降低,并在距离洞口约40 m处趋于稳定;隧道拱腰两侧围岩屈服破坏导致刚度降低是造成衬砌拱腰应力增大及破坏的主要原因。     

回头沟隧道偏压段压力监测结果及施工方案研究

以回头沟隧道工程为依托，对洞口偏压段进行了监测研究。结果表明:作用在初衬上的围岩压力深埋侧拱肩处最大，二次衬砌拱脚处收到的应力最大，二衬承受围岩应力的比例在21%~52%之间。     

超大跨度小净距公路隧道洞口段施工方案

以老虎山隧道为实例,对超大跨度公路隧道洞口小净距段的施工方案进行研究。结果表明:洞口段超前大管棚进洞和掌子面超前小导管加固措施能够控制围岩变形,减少对中岩柱的影响;控制左、右线先导洞掌子面之间的施工间距,并对中岩柱水平注浆小导管加固,可有效提高中岩柱的整体性与稳定性;初期支护阶段拱部最大变形量为28mm,远小于设计预留变形量,状态稳定。     

新型装配式衬砌在矿山法施工铁路隧道中的应用研究

为解决矿山法施工铁路隧道二次衬砌拱顶易出现的空洞、厚度不足、裂缝、掉块等病害，以重庆铁路枢纽东环线胡家沟隧道为依托，采用拱部预制衬砌替换现浇衬砌的方法，研究拱部衬砌预制工艺、高精度悬臂侧墙施工工艺、拱部预制衬砌运输及拼装施工工艺和拼装配套设备，并阐述装配式衬砌在施工中需重点解决的技术难题及对策，如采用高精度衬砌模板台车解决接头直线度的问题、采用全环通长定位筋解决悬臂侧墙钢筋骨架稳固的问题等，形成一套完整的新型装配式衬砌拼装技术。经现场应用表明： 1）采用“拱部预制衬砌+侧墙现浇”的装配式衬砌施工技术是可行的，可以有效解决矿山法施工隧道拱部质量缺陷问题，提高拱部衬砌质量； 2）新型装配式衬砌采用“L”型榫接头及大球形接头，大球形接头较“L”型榫接头更易控制施工质量，更易于拼装； 3）通过采用拱部预制衬砌高精度定制钢模、高精度悬臂模板台车、悬臂侧墙在混凝土浇筑过程中进行二次精调等关键技术，保证了接头施工精度，满足了拼装要求； 4）通过分析衬砌结构受力变形监测数据，得出隧道衬砌结构内力的受力变形规律； 5）新型装配式衬砌施工技术机械化程度高，施工过程中结构稳定可靠，安全性较高。     

隧道二次衬砌质量控制新技术

为解决隧道二次衬砌背后脱空、混凝土不密实、厚度不够、强度不足、施工缝开裂掉块等施工质量问题，依托在建的张吉怀铁路某隧道工程，施工中采用三维激光隧道扫描测量系统确保初期支护断面不侵限；采用激光定位和磁焊机焊接提升防水板固定效果；研发并使用新型台车分层逐窗自动布料系统，实现隧道拱墙衬砌混凝土自动分层逐窗浇筑；设置刹尖孔、拱顶安装防空洞监测装置和液位器装置，有效防治拱顶空洞；优化拱部振捣方式和施工缝施工工艺；制订并落实隧道二次衬砌质量管理新办法的技术和管理措施。通过以上措施，实现二次衬砌厚度零欠厚，拱部脱空率下降至5%以内，二次衬砌混凝土强度满足设计要求，总体施工质量得到大幅提高，为隧道施工和运营安全提供保障。     

岩溶富水区铁路隧道加厚底板结构施工力学行为研究

为研究岩溶富水区加厚底板+隧底大水沟的新型衬砌结构在开挖过程中的力学行为,利用大型商业有限元软件对中心水沟的开挖工况进行分析计算。结果表明： 1）拱脚以上设置初期支护但底板不封闭时,中心管沟距离掌子面下台阶15 m情况下, Ⅳa型衬砌段和Ⅴa型衬砌段开挖过程中隧道混凝土接近正常使用极限状态,隧道收敛及沉降值均在规范允许范围内,但隧道基底隆起量及塑性区较大; 2）中心管沟每循环开挖长度对隧道变形、基底隆起量及塑性区分布影响较小,隧道封闭时间滞后是主要影响因素; 3）中心水沟与掌子面下台阶距离最大取15 m, 2种衬砌段中心水沟每循环开挖长度取5 m; 4）Ⅴa型衬砌段采用临时支撑约束拱脚水平变形或者对隧底地基进行锚索+注浆加固。     

复合式衬砌隧道防排水设计几个问题探讨

为了防止和减少隧道渗漏水病害，通过分析复合式衬砌隧道防排水的现状和存在的主要问题，研究隧道排水量和水压力控制值分级、上下分离的防排水体系、围岩防水能力、防水层和二次衬砌混凝土整体防水效果检验评价等，并对防排水系统的设计和参数选择提出以下建议： 1）对于采用复合式衬砌的隧道，如果能满足环境保护及使用功能要求，其全隧道排水量宜控制在1.0 m3/（m·d）〖JP〗以内，二次衬砌背后承受的水压力最大宜控制在1.0 MPa以内； 2）为了减少隧道渗漏水发生的概率，并保证隧道结构的稳定，可考虑将拱、墙防排水体系和仰拱防排水体系分开设置，拱部、侧墙部位的渗水直接排入侧沟，仰拱部位的水主要通过纵向中心排水盲管排出，当水压力高时，通过与中心排水盲管连通的横向排水管将水引入新增的侧沟，并通过在横向排水管出水口安装的阀门进行限量排放； 3）通过地面隔离墙（咬和桩）、地面注浆、洞内注浆、旋喷、超前管棚、超前管幕、施作双层衬砌等措施，阻断和减小来水通道，提高地层强度和完整性，降低隧道涌水量和衬砌背后的水压力，并降低大量排水对运营和环境的不利影响。