铁路隧道复合衬砌内力计算方法研究

研究目的:随着新奥法的普及,采用复合式衬砌的隧道越来越多,目前对其进行计算的方法主要分为荷载-结构法和地层-结构法。荷载-结构法通过弹簧支撑来模拟围岩对支护的约束,并不能真实的反映围岩与支护结构的相互作用;地层-结构法在围岩压力释放率的问题上存在一定的经验性。本文从复合式衬砌角度出发,以荷载作用于地层边界的模型对复合式衬砌的初支及二衬进行计算,并与传统荷载-结构法计算结果进行对比。研究结论:(1)通过对比荷载-结构法与地层-结构法的优缺点,提出了将荷载作用于地层边界的共同作用模型,即用均匀施加在四周的荷载代替围岩产生的压力,同时又用围岩自身的形变来抑制支护结构的位移,将围岩作为荷载的传递介质,充分体现了围岩和支护结构的共同作用和变形协调;(2)采用共同作用模型对铁路隧道复合衬砌的初期支护及二次衬砌进行了内力分析,并与荷载-结构法所得结果进行对比,结果说明共同作用模型更能符合新奥法的思想,在考虑围岩相互作用的同时大大减少了计算时间;(3)本研究成果为复合衬砌内力分析提供了一种新的方法。     

山岭隧道预制拼装二次衬砌结构设计及计算方法研究

为探索地铁双线山岭隧道中采用预制拼装二次衬砌结构的技术可行性,首先,提出地铁双线山岭隧道结构设计方案,其中二次衬砌采用预制拼装及错缝拼装形式;然后,研究结构内力计算方法,推荐采用荷载-结构法,并采用梁-弹簧模型来模拟预制拼装二次衬砌结构内的接头力学行为,并推荐采用5环梁-弹簧整体分析模型。结构配筋分析结果显示,在3种围岩条件下,30cm厚度预制拼装二衬结构的配筋均在合理范围之内,可实现一套模具适应不同地层情况的效果。     

大断面铁路隧道室内模型试验与分析研究

为研究隧道在受压破坏时,衬砌的受力特性与变形规律,采用石膏来模拟隧道衬砌,通过在关键测点布置土压力盒、应变片与百分表,监测模型衬砌的压力、应变与位移,并对监测数据进行分析。研究结果表明:各测点的围岩压力和初衬与二衬间接触压力都以压应力为主,且应力最大值出现在左仰拱拱脚、左右拱腰与仰拱拱底的位置;模型主要受到压应变,且模型衬砌内表面更容易破坏;隧道模型拱顶的沉降最大,在施工时对拱顶沉降的监测是有必要的;当隧道受到较大压力时,很可能会造成仰拱开裂。     

黄土地区浅埋暗挖地铁隧道围岩压力特征研究

为了解黄土地区浅埋暗挖地铁隧道围岩压力特征,得出荷载在衬砌结构各部分中的分担比例,本文以西安地铁二号线为研究对象,选取2组不同围岩条件的测试断面,开展现场测试工作。对围岩与初期支护接触压力、初期支护与二次衬砌接触压力及二次衬砌结构应力进行研究。结果表明:隧道墙脚位置初期支护与围岩之间接触压力较大,表明这二者承受大部分垂直压力;初期支护所受围岩压力随着土体强度降低而增大,且分布形式更趋于静水压力作用特点;二次衬砌作为主要支护结构承担大部分荷载,初期支护与二次衬砌接触压力随围岩土体强度降低而显著增大,二次衬砌在支护体系中作用也随土体强度降低而凸显;二次衬砌混凝土基本受压,拱腰及以上位置应力较大,仰拱处应力较小。     

高地应力软岩隧道围岩压力及二衬受力特征研究

为研究高地应力条件下软岩隧道围岩压力作用规律及二衬受力特征,依托兰新铁路第二双线大梁隧道,分别对隧道围岩与初期支护、初期支护与二次衬砌之间的接触压力进行现场监测,得出上述压力随时间变化规律和沿隧道横断面分布特征,基于实测围岩压力对隧道二次衬砌结构内力进行计算。研究结果表明:初支围岩压力和初支与二衬接触压力随时间发展呈不同变化规律;围岩压力在空间分布上表现出"两侧大、拱顶小"的侧向挤压特征;二次衬砌围岩压力分担比例平均值在45.0%~70.3%;实测围岩压力较规范围岩压力计算出的二衬内力更符合实际。     

软弱泥质页岩隧道衬砌受力特征探讨

通过对关口垭隧道泥质页岩条件下软弱地段支护系统的现场测试,得到了钢支撑、喷射混凝土和二次衬砌等支护构件的受力状况与软弱泥质页岩地质状况之间的关系,建立相应的模型,进行了三维有限元数值分析,并对测试与计算结果进行了分析。结果表明：围岩应力前期释放较快,而后期变形压力延续时间长,除钢支撑承担了较大的围岩初始释放压力外,二次衬砌也承担了较大比例的长期变形压力,为了有效地约束围岩早期的快速变形和后期的长期变形,初期支护和二次衬砌都应具有足够的强度和刚度;现行《公路隧道设计规范》所推荐的围岩松动压力计算方法,对于软弱泥质页岩隧道并不完全适用．在进行围岩类别划分时应适当降低围岩类别;施工掘进时必须控制好各工序的施工距离,尽快使初期支护体系形成封闭环,并加设锁脚锚杆等辅助措施,以便有效地改善围岩地受力状况。     

基于有限单元法的隧道抗水压衬砌结构设计

研究目的：客运专线铁路隧道结构设计中往往会碰到水荷载作用计算难题，考虑抗水压衬砌结构设计仍然是隧道设计与研究热点之一。为检验隧道衬砌结构设计的安全性及防水性，有必要对抗水压衬砌设计结构进行内力计算。研究方法：针对金沙洲隧道特定地质条件和工程设计要求，采用基于有限单元法的荷载结构模型，对按围岩类别设计的3种隧道断面衬砌结构受力进行数值模拟。研究结果：研究得到了衬砌外水压力以及结构内力及分布特征，并验算了衬砌结构的安全系数。通过对计算结果分析验证，选出了各自围岩级别下合适的衬砌结构。研究结论：在全断面封闭排水的衬砌结构设计中，应着重考虑发挥混凝土的抗压性能；在富水区地下水头较大时。采用帷幕注浆法改善堵水圈的渗透系数，可有效降低衬砌的外水压力；选择仰拱外轮廓隅角半径、仰拱与曲边墙的连接处的半径以及仰拱厚度作为控制变量，可以改善衬砌结构受力特征。     

基于Burgers蠕变模型的圆形隧道内力分析方法对比研究

以高黎贡山TBM施工的特定段圆形隧道为工程对象,基于围岩蠕变的Burgers模型,提出了隧道衬砌内力计算的地层结构分析法和荷载结构分析法,对比研究两种分析方法的异同点和特点,得出以下结论:(1)地层结构分析法能模拟地层自重应力及其重分布、隧道开挖和支护效应,并能通过蠕变的非线性迭代获得隧道衬砌内力结果,在隧道开挖后围岩蠕变的整个过程中,模拟精度较高,但计算耗时稍长;(2)荷载结构分析法不能考虑地层自重应力以及隧道开挖支护效应,建模相对简单,计算耗时短,但计算前需准备等效节点荷载,对蠕变早期的模拟精度相对较差,对蠕变中后期的模拟结果与地层结构分析法较为一致;(3)综合考虑各种因素,建议围岩蠕变下的隧道衬砌内力分析优先选用地层结构分析法。     

高地应力软弱围岩铁路隧道的衬砌压力

以关角隧道为工程背景,采用开挖应力释放率模型,研究高地应力软弱围岩地质条件下铁路隧道的衬砌压力.基于现场实测地应力和施工监测位移,根据台阶法开挖中存在的空间效应,推算未监测到的坑道周边位移和掌子面前方位移,再采用改进的BP人工神经网络模型预测隧道围岩的最终位移.利用开挖应力释放率模型获得隧道衬砌压力及应力释放规律.该规律与经典围岩特征曲线规律一致,且与工程经验和现场施工状态基本符合.采用FLAC3D软件对该段隧道开挖过程进行三维数值模拟,验证了上述方法在高地应力软弱围岩地质条件下的正确性和合理性.计算结果和模拟结果均表明:由于高地应力软弱围岩和初支效果不佳,使得关角隧道DyK307+ 900处衬砌压力较大,隧道结构处于不利的受力状态.     

基于渗漏水的隧道渗流场有限差分法分析

建立FLAC3D有限差分计算模型,模拟隧道围岩、地下水、初期支护和二次衬砌,探讨在不同的渗漏水位置和地下水位条件下隧道衬砌结构的各种内力及参数响应。数值模拟计算结果显示:当水压力较小时,拱顶渗漏水对结构影响最大;当水压力逐渐增大时,拱腰渗漏水对结构的影响逐渐显现,而且结构出现不对称的内力及参数响应,分析结果可为渗漏水病害条件下隧道结构安全评估提供判断基础。     

考虑流变特性的隧道围岩变形效应分析

为了探讨考虑流变效应情况下隧道围岩和衬砌的变形情况,从而进一步确定隧道的合理衬砌时机。首先,分析围岩的流变特性对隧道变形和衬砌抗力的影响,通过理论推导得到了同时考虑黏弹塑性的隧道围岩变形计算公式,该公式包含时间参数,可确定达到不同衬砌位移及围岩位移所需要的时间。然后,以南龙铁路隧道工程为背景,针对隧道拱顶下沉、周边收敛、围岩压力和初衬内力,开展隧道二衬合理支护时机的监测分析,得到围岩变形计算公式中的待定系数,并确定隧道衬砌的合理支护时机。将得到的结果与现场监测的结果进行对比,发现二者得到的二衬支护时机基本相同,从而验证计算结果的正确性。     

隧道衬砌水压力荷载及内力研究

通过轴对称解析计算和有限元数值计算隧道在不同衬砌渗透系数、不同注浆圈厚度、不同衬砌厚度条件下,衬砌背后的水压力、流量及衬砌内力,分析影响水压力的因素和水压力对衬砌内力的影响,轴对称解析计算和有限元数值计算结果显示水压力和流量十分接近。衬砌不透水时,水压力荷载系数不折减;在控制排水的条件下,调整衬砌渗透系数、注浆半径和衬砌厚度可以改变水压力、流量和衬砌内力。设计时正算水荷载,施工时通过监测流量反算水荷载,对水荷载设计进行检验和修正。     

Research on the Mechanical Characteristics of Primary Supporting in Deep Buried Large-section Red Clay TunnelEI北大核心

Research purposes: In the New Austrian Tunneling Method, the primary supporting has the vital function as the main structure of taking the pressure of surrounding rock. In order to study the force characteristics of primary supporting in the composite lining of deep buried large section tunnel, this paper is based on Qingyang tunnel engineering in Yinchuan-Xi'an High-speed Railway. After the on-site monitoring of the process, we can find the variation law of surrounding rock pressure on the deep buried large section red clay tunnel, steel arch internal force and concrete internal force, and analyze the internal forces and distribution characteristics of the primary supporting structure. Research conclusions:(1) The pressure of surrounding rock on both sides of the large section tunnel of red clay is greater than that in the vault and the inverted arch. (2) The internal force of primary supporting structure shows a distribution pattern of big top and small bottom, and the steel arch bears most of the surrounding rock pressure. (3) It can be considered to increase the marking of steel arch frame on the side wall and vault roof, and reduce the section area of arch frame in inverted arch, so as to make full use of materials, reduce the cost and improve the reliability of lining structure. (4) This research conclusion can provide reference for the optimization of lining design and construction organization of tunnel primary support under similar geological conditions. © 2018, Editorial Department of Journal of Railway Engineering Society. All right reserved.     

寒区隧道衬砌周边冻胀力及防治措施研究

依托祁连山高寒区隧道工程进行衬砌周边冻胀力数值分析和防治措施研究,探究寒区隧道衬砌周边冻胀力分布规律。基于有限元软件,分析围岩性质、含水率和衬砌弹性模量对冻胀力的影响,以及针对性提出寒区隧道防冻措施。研究结果表明:隧道衬砌周边的冻胀力分布不匀,墙脚附近的冻胀力最大,仰拱中心处的冻胀力最小;围岩性质越差,衬砌周边冻胀力越小,围岩从Ⅳ级变化至Ⅵ级时,最大冻胀力从1.944 MPa减少至0.502 MPa;围岩与衬砌附近的含水率越高,作用在衬砌结构上的冻胀力就越大,当围岩中含水率从10%增加至30%时,最大冻胀力从1.672 MPa增至5.193 MPa;衬砌弹性模量越大,作用在衬砌上的冻胀力越强,弹性模量从8 GPa增至32 GPa时,最大冻胀力从0.878 MPa增至1.269 MPa。最后提出高寒区隧道衬砌抗冻病害设防等级和相应的措施建议,为高寒区隧道建设提供技术支撑。     

铁路隧道十字交叉隔壁后拆式工法施工力学特性及其应用研究

厦(门)深(圳)铁路梁山隧道穿越L7富水软弱带使施工严重受阻。为确保隧道顺利通过L7富水软弱带,通过多种经济、技术比选,最终确定通过超前预加固措施改良地层条件后,采用十字交叉隔壁后拆式工法施工。阐述十字交叉隔壁后拆式工法的特点及施工工序,同传统CRD工法相比,该工法的最大特点是:"后拆式"的十字交叉临时支撑体系,确保在临时支撑体系拆除时,初期支护和二次衬砌已经同时承载,避免传统工法中因拆撑时应力释放导致的初期支护结构失稳风险,确保施工过程中的安全可靠性。然后通过数值计算和力学分析方法,对十字交叉隔壁后拆式工法在施工过程中的支护力学转换体系进行详细分析,得出以下结论:初期支护与临时支撑组成的支护体系,在开挖的每一步中,都是承载的主体,尽可能早地闭合成环;二次衬砌的闭合时机就是二次衬砌的支护时间,以初期支护极限位移的60%作为施工二次衬砌的位移指导值较为合理。     

京张高铁八达岭长城站大跨度深埋三连拱隧道设计及施工方法研究

目前三连拱隧道衬砌荷载尚无成熟的计算方法且类似工程施工经验相对较少,以京张高铁八达岭长城站为例,研究在V级围岩地质条件下,大跨度深埋三连拱隧道设计计算方法及合理的施工工序。依据普氏平衡拱理论并借鉴双连拱隧道围岩荷载计算方法,提出深埋三连拱隧道围岩荷载模型,通过建立有限元模型,分析三连拱隧道的合理施工工序。研究表明:三连拱隧道围岩压力可以看作拱部松散土压力及中隔墙所承受的压力之和;三连拱施工工序推荐采用先侧洞后中洞的工序,对于施工过程中保持围岩及支护结构体系的稳定较为有利;通过右洞围岩压力计算结果与现场检测结果对比分析,围岩压力最大相对误差在10%以内,全施工阶段监测情况一切正常,验证了解析法计算结果的合理性及施工工序的优越性。     

TBM施工隧道仰拱预制块的受力分析

运用计算软件ANSYS,采用围岩—结构模式,对TBM施工隧道仰拱预制块进行模拟动态施工的受力计算研究。计算结果表明,围岩初始应力场对仰拱受力有明显影响,随着竖向压力的增大,仰拱中心的内、外侧应力均增大;随着水平压力的增大,仰拱中心内侧应力减小、外侧应力基本不变;减小复合衬砌结构中初期支护厚度以及变刚性接头为柔性接头均会改善仰拱受力。试验数据对受力计算结果的验证表明,计算所得仰拱内力分布及变化趋势与试验结果一致。     

京张高铁八达岭长城站耐久性设计方法及措施

为了提高隧道及地下工程的耐久性,降低地下工程运营期维修养护的成本,采用系统分析法研究地下工程的耐久性机理,提出地下工程结构耐久性的计算模型及其定量化设计方法。隧道结构的耐久性取决于初期支护和二衬承载力的衰减,初期支护承载力的衰减将引起二衬荷载的增大,隧道结构耐久性的安全系数可采用二衬承载力与其荷载的比例来表示,当二衬荷载增长曲线与其承载力衰减曲线相交时,隧道结构达到承载力极限状态,此时也即为隧道耐久性的设计使用年限。八达岭长城站支护体系设计中,采用围岩长期自承载的设计理念,利用长寿命初期支护加固围岩,形成持久的围岩自承载拱,长期承担全部围岩荷载,二衬作为安全储备。同时,增加锚杆注浆保护层的厚度和密实度、设置居中定位器来提高锚杆的耐久性,采用分段高压注浆来提高锚索的耐久性,采用中低热水泥、Ⅰ级粉煤灰、多级配整形骨料、控制入模温度、优化配合比、进行保湿保温养护等措施提高二衬混凝土的耐久性,形成长寿命支护结构体系。