隧道-洞口滑坡平行体系受力变形模式与计算方法研究北大核心CSCD

我国目前对隧道-滑坡工程的设计尚无可供参照的行业标准,尤其是滑坡洞口段隧道缺少相应的计算理论。文章首先以平行体系中隧道-洞口滑坡为研究对象,通过归纳总结滑坡地段隧道衬砌的病害特征,构建了相应的工程地质模型;然后将剩余滑坡推力视为导致隧道变形破坏的直接原因,通过荷载传递规律得到作用于隧道结构上的附加荷载,将其与围岩压力叠加推导出了隧道外荷载的计算公式;接着采用弹性地基梁理论,推导出滑坡推力作用下的隧道内力计算方法,从而得到隧道-洞口滑坡的受力变形模式及计算理论;最后通过模型试验对其合理性进行了验证分析,结果表明该方法与实际工程相符,能够为滑坡地段洞口隧道的设计提供参考。     

滑坡滑向与轴线正交条件下隧道衬砌内力分析

文章以西宝高速公路唐家塬隧道为工程背景,针对滑坡滑动方向与隧道轴线正交情况下的直墙拱形隧道,根据隧道与滑面的位置关系,探讨分析了作用于隧道衬砌上的滑坡推力大小和方向的影响因素。采用结构力学方法,取隧道全拱结构作为研究对象,得出滑坡滑动方向与隧道轴线正交情况下半圆拱形隧道衬砌内力分布的理论计算方法。结合唐家塬隧道工程,利用理论计算方法得出隧道衬砌的内力分布情况,并采用有限元分析软件对理论计算公式的正确性与合理性进行了验证。结果表明,该方法可作为滑坡滑动方向与隧道轴线正交情况下隧道的衬砌内力计算方法,为隧道衬砌设计与施工提供一定的参考依据。     

切向摩阻力对横穿滑坡区隧道受力变形的影响分析

将横穿滑坡变形区的隧道简化为弹性地基梁,当滑坡区内隧道段较长时,便会发生较大的弯曲变形;作为特殊的全埋式弹性地基梁,有必要研究切向摩阻力的影响。文章首先建立了考虑切向摩阻力作用下隧道的弹性地基梁计算模型,然后引入逐步修正的思想,采用传递矩阵法建立了其内力和位移的传递矩阵计算式,并编制了相应的计算程序。计算结果表明:切向摩阻力对隧道的影响范围主要集中在滑坡边界的附近区域,并使隧道的内力和位移在一定程度上均有所减小;滑坡区内切向摩阻力系数对隧道的内力和位移影响相对较小,滑坡区外切向摩阻力系数对隧道的内力和位移影响相对较大。     

昔格达组地层大断面隧道掌子面玻璃纤维锚杆加固参数研究

昔格达组地层水稳性差,遇水后岩体工程性质迅速劣化,在该地层中修建隧道易产生围岩大变形、掌子面坍塌等灾害。文章基于岩土控制变形分析法,以成昆铁路桐梓林隧道为例,采用理论分析与数值模拟相结合的方法,对昔格达组地层大断面隧道掌子面采用玻璃纤维锚杆加固的参数进行了研究,确定了锚杆的加固密度为0.65根/m~2;建立了昔格达地层隧道掌子面失稳破坏模式,由其纵向破坏深度确定了锚杆加固长度的合理取值范围为8～11 m;通过掌子面前方塑性区分布深度确定了锚杆的搭接长度为4 m。     

隧道锚开挖及承载对既有隧道的变形影响分析

为评估隧道锚开挖及承载对下方既有隧道安全性的影响，采用弹性地基梁理论建立既有隧道在隧道锚开挖及承载影响下的变形计算模型，基于Mindlin公式分别给出隧道锚开挖及承载影响下的附加荷载计算方法，提出既有隧道竖向隆起变形安全性控制标准为12 mm。以四川沿江高速宁巧隧道-隧道锚体系为例，分析既有隧道在隧道锚开挖及承载影响下的变形特征，研究表明：既有隧道变形呈“凸”形，最大变形量位于锚塞体正下方附近，且随着与锚塞体距离的增大，隧道变形逐渐减小，最终收敛；既有隧道变形量随着围岩等级的降低及隧道-隧道锚间距的减小而增大；Ⅲ、Ⅳ级围岩条件下，隧道整体处于安全状态；Ⅴ级围岩条件下，隧道变形量在隧道锚开挖过程中已超过控制值，需要采取围岩加固、结构加强等工程措施。     

复合腔体构件加固盾构法隧道的关键技术研究

目前,对于受损隧道结构最有效的补强措施是采用叠合衬砌结构形式。介绍一种采用复合材料、钢结构和水泥结构组合成新型复合腔体的隧道加固方法,并通过理论计算及试验分析,形成一套合理可行的复合腔体构件隧道加固技术。这可为类似工程提供借鉴。     

输水管道盾构隧道衬砌结构内力计算比较分析

盾构隧道衬砌内力计算的方法有多种，但各有优缺点。针对潮河输水管道盾构法隧道衬砌结构，分别采用荷载结构法中考虑土体侧向弹性抗力的匀质圆环修正惯用法和连续介质有限元法进行内力计算。通过比较衬砌管片结构内力和变形分布规律，得到了对设计有参考价值的结论。     

限阻器在高水平地应力隧道支护中的研究与应用

为解决蒙华铁路如意隧道高水平地应力岩层段初期支护因受力过大而破坏的问题,文章通过理论分析、数值模拟以及现场施工反馈等方法,并基于室内试验、地应力测试以及现场监控量测数据,对限阻耗能支护技术的工程应用方法及作用机理进行研究,结果表明:(1)针对高构造应力环境,在保证围岩自承能力不明显降低,且不明显增加松散压力的前提下,可控制地引导围岩变形、围岩能量释放分散转移的限阻高延性支护是合理可行的;(2)限阻器是一种合理有效的限阻高延性支护手段,成功解决了如意隧道高地应力水平岩层中初期支护破坏问题;(3)限阻器显著降低了结构内力,但也改变了结构的内力分布,在应用中还需进一步完善。     

背斜核部区隧道初期支护变形机理及支护对策

为了给背斜核部区隧道设计施工提供参考和技术支持,文章针对周公山隧道K8+559～K8+527过背斜段开展了专项测试。测试结果表明:测试断面拱顶部位接触压力及变形较拱腰、边墙大;对比分析测试断面和验证断面结果,接触压力有所降低,说明采用"先让后抗"、适当增大预留变形量的方案有效合理;结合隧址区地质条件,认为隧道变形由其赋存的地质环境所决定,欠合理的施工方法及各不利因素的组合是其诱发因素;变形破坏过程可概括为:"开挖—卸荷—差异性回弹变形—离层—顶板简支梁式弯折破坏"。研究结果为理论分析提供了计算参数,为后续研究提供了基础数据,积累了复杂应力条件下特长隧道的设计施工经验。     

大跨径铁路车站隧道施工力学特性研究

依托大(理)丽(江)铁路三线大跨车站隧道工程,对隧道(出口端跨度大于20 m)洞口段(48 m)进行了施工过程的三维有限元数值分析.通过对隧道围岩应力与塑性区分布状态的分析得出:大跨隧道核心土底部和边墙两侧出现了应力集中区域,拱顶部位易出现拉应力;临时横撑滞后4个循环(即8 m)可发挥作用,能够有效控制围岩应力分布形态和塑性区的发展;大跨隧道核心土塑性区完全贯通,最大塑性区出现于隧道两侧边墙中部.根据数值分析结果,在隧道应力集中区域进行注浆加固和合理的分部开挖,并从现场监控量测结果反馈出隧道围岩压力及钢拱架内力变化较小,说明隧道加固措施能够有效控制甥性区范围和减弱围岩应力集中现象.     

复合腔体及注浆技术在运营隧道维护加固中的应用

轨道交通运营隧道中多以盾构结构为主,当隧道周围土体发生超载、堆载、位移等变化时将导致隧道结构因内力过大而发生结构变形,直接危及运营隧道的安全。分析了产生隧道结构变形的因素,提出了采用复合腔体新型结构形式的施工工艺。新型结构具有构件小、重量轻、后充填等特点,尤其适合于已损伤运营隧道结构的快速维护加固。     

卸载工况下盾构隧道结构承载性能数值模拟分析

周边卸载导致的隧道横向大变形对地铁的正常运营与安全使用产生严重影响,对于隧道结构从周边卸载开始直至破坏的全过程,需要发展一种高效并能保证精度的数值模拟方法。文章首先进行不同接头刚度下衬砌环的内力及变形数值分析,表明管片接头刚度值对衬砌环轴力分布及大小影响很小,可以先使用相对简单的等刚度圆环法计算得到管片接缝处的轴力值,再将此预分析轴力值作为确定接头抗弯弹簧弯曲刚度曲线的轴力值,用三维直梁实体单元进行精细分析得到不同轴力下的管片接头抗弯刚度模型。最后将接头抗弯刚度模型参数赋给二维梁-弹簧模型中的弹簧参数,运用二维梁-弹簧法计算得到衬砌结构各级荷载下的内力和变形。该方法得到的数值模拟结果与试验结果一致,全过程数值分析表明:在侧向压力卸载过程中,接头截面处弯矩不断增大、轴力不断减小,各接头处抗弯刚度快速下降,最终结构达到破坏状态。     

深层调蓄排水盾构隧道管片接头预埋件抗拉试验三维数值模拟研究

文章基于上海市深层调蓄排水盾构隧道管片接头预埋件抗拉试验进行数值模拟,研究适用于该隧道管片接头力学性能分析的数值方法。通过应用混凝土塑性损伤模型及非线性弹簧,建立了考虑接头预埋件的复杂形状和混凝土与锚筋粘接滑移作用的三维精细化数值模型。另外,单独建立三种不同精细化程度的预埋件模型并进行简单加载,通过比较计算结果并综合考虑计算花费时间与计算精度,确定了整体模型中所采用的预埋件简化形式。混凝土与锚筋之间采用非线性弹簧约束模拟钢筋与混凝土之间的粘结滑移作用,并且建立了锚筋与混凝土之间采用绑定约束和面-面接触的对比模型,三类模型均按照试验工况进行加载,并将数值计算结果与试验结果对比。结果表明,相比较于"面-面接触模型"及"绑定约束模型",考虑钢筋混凝土粘结滑移作用的"非线性弹簧模型"与试验结果更加吻合,模型也能很好地反映结构的破坏模式,本文采用的三维精细化建模方法适用于该类纯拉拔试验。     

塌方岩体重力荷载对隧道拱圈应力状态影响的数值分析

塌方岩体的自重荷载将对隧道内力产生较大影响,对其结构受力极其不利。文章基于混凝土材料的损伤塑性理论,建立了受力变形较符合实际的公路隧道结构的非线性模型,并利用大型有限元分析软件ABAQUwsdS对所建立的模型进行计算分析,得到在塌方岩体作用下隧道拱圈的第一主拉应力、正应力和剪应力的分布规律,进而找出了隧道拱顶和拱脚出现明显裂缝的主要原因,为类似运营隧道的加固设计与施工提供了重要的基础资料。     

某隧道-滑坡体系中隧道变形侵限段换拱加固效果研究

某隧道在施工过程中遭遇滑坡侵害导致隧道结构变形,形成隧道-滑坡体系,拟在未排除滑坡变形工况下,对该隧道病害段进行换拱处理,提高隧道结构强度,控制滑面变形。文章基于该隧道换拱前后滑坡体、隧道结构的变形监测数据,研究处治措施对隧道-滑坡体系中隧道变形、滑坡变形的控制效果。结果表明：在隧道-滑坡体系中,当隧道穿越滑坡体时,对隧道病害段进行换拱加固,可有效减缓滑坡变形;引起隧道变形的根本原因是滑坡,如未对滑坡采取设防排险措施,在强降雨等不利工况下,坡体仍可能会出现变形;后期建议考虑对滑坡采取适当刷方减重、设置排水沟等措施增加坡体稳定性,确保隧道后期运营安全。     

下穿立交结构的盾构隧道围岩安全评价的均值与非均值模型

隧道围岩稳定性评估是地下工程建设与维护所面临的重要课题之一。基于此,文章从材料特性角度分别建立均值和非均值数值模型,针对沈阳地铁2号线1标盾构隧道下穿立交结构的围岩安全稳定性进行评价。其中,均值模型侧重于分析围岩变形、应力变化和塑性区分布特征,并结合实测数据对其计算合理性进行验证;非均值模型侧重于围岩体细观破坏过程,采用具有残余强度的弹塑性损伤本构模型及其破坏单元材料性质退化方法,模拟隧道围岩强度折减下的渐进破坏过程及声发射规律,并计算出整体结构安全系数。同时,借助声发射(AE)规律,探讨了类似工况下隧道围岩破坏模式,可为类似工程实践提供参考依据。     

隧道局部欠厚衬砌对结构受力影响 与加固技术研究

某高速公路隧道存在衬砌局部厚度小于设计值的情况,利用数值计算对局部欠厚衬砌进行了结构受力分析与验算,结果表明衬砌局部欠厚会造成其内力分布左右不对称,衬砌截面翼缘应力极值出现在缺陷位置。经综合比选,采用粘贴钢板方案进行了加固补强,有效避免了欠厚衬砌对结构安全带来的潜在威胁。     

盾构隧道地震响应及减震措施研究

文章提出了一种能够有效模拟盾构隧道衬砌管片动力行为的有限元计算模型,即用旋转弹簧模拟管片横向接头,而将多个管片环对应的剖面用剪切弹簧单元连接,从而模拟环间接头的多层平面应变分析模型。同时以显式形式将多次透射边界条件引入动力分析控制方程,以模拟无限域的影响。随后利用该方法对武汉长江隧道工程盾构段典型横断面进行了隧道地震响应分析,研究了不同的结构及接头参数对结构受力与变形的影响规律以及地基加固的减振效果。分析还表明,对盾构隧道周围的土体采取适当方法进行地基加固处理,能有效降低结构的内力和变形,减振效果显著。     

隧道全自动结构计算软件SDC的研发与应用

隧道全自动结构计算软件SDC具有简便、高效、实用等特点,在隧道工程的诸多领域有广阔的应用空间。文章通过工程计算实例分析,对SDC软件的实用效果进行了论证,并得出结论:对于荷载明确的隧道结构,用数值分析的方法可以精确地计算结构内力与安全系数,并以安全系数为基础对结构进行优化设计,使隧道工程更加安全、合理、经济。     

新建隧道近距离上穿既有隧道的力学分析及工程处理措施

与既有隧道相交且净距较近时,新建隧道施工破坏既有隧道结构,影响其运营安全的情况时有发生;同时也增加了新建隧道的施工难度和工程风险。文章依据深圳市丹平快速路猫公坝隧道近距离上穿越布吉供水隧洞、东部引水隧洞,三条隧道叠置的工程设计实例,运用有限差分数值计算软件FLAC~(3D)如进行三维模型数值分析,研究了新建隧道施工时既有隧道的变形及内力变化规律,提出了使既有隧道安全性得到保证的数量化指标,论述了猫公坝隧道修建过程中对既有隧道的影响和工程安全性;将数值分析结果与工程实例相结合,提出在地质条件容许的情况下,尽量避免爆破施工,如必须采用爆破施工,应严格控制既有隧道处的振动速度,采用分段微差爆破等一系列措施最大限度地降低爆破震动对既有隧道的影响;阐述了新建隧道与既有隧道之间中夹岩体的加固措施,拟定出了施工过程中既有隧道的监控量测方案,并提出了既有隧道安全一旦受到影响时的补救措施。