落石冲击下单压式拱形明洞的力学响应

为进一步了解结构受力情况,为明洞结构设计提供依据,采用动力有限元方法,对客运专线双线单压式拱形明洞落石冲击下结构力学响应进行了研究.首先,以竖直下落冲击为基本工况,从落石与洞顶回填土的相互作用及运动轨迹入手,分析了结构的应力、应变、应变率、位移、速度、加速度等作用效应响应;其次,根据落石、回填土及结构间能量的转化与传递规律,结合结构及基底应力响应,阐述了回填土和混凝土填充材料对落石冲击的缓冲和对结构的保护作用机理,以及边墙形式对基底及仰拱受力的影响;最后进行了45°斜向冲击响应分析并与基本工况进行了对比.研究结果表明:所设计的明洞结构可以承受竖向700 k J的落石冲击能量,拱顶、拱肩及墙身内侧和耳墙墙址等部位是相对受力不利位置,回填方式和直墙式拱墙形式有待进一步研究优化;冲击引起的结构应变率响应介于1×10~(-3)~1×10~(-2)s~(-1),与地震引起的响应范围相同;在本研究工况下,45°斜向冲击作用效应总体上小于竖直冲击.     

落石冲击下无回填土拱形明洞结构可靠度设计

为完善拱形明洞结构可靠性设计方法,利用模型试验、数值模拟及理论分析等,结合现场实际,开展了落石冲击下无回填土拱形明洞破坏特征及失效模式、极限承载力、落石冲击荷载及极限状态表达式等的研究.首先,根据落石冲击下无回填土拱形明洞结构失效破坏特征,将结构局部失效范围部分简化为四边固支方形钢筋混凝土板结构,利用塑性极限原理按刚塑性板进行准静态极限荷载计算,得到结构极限承载力即抗力;其次,将离散元颗粒流数值模拟方法得到的落石冲击力最大峰值作为钢筋混凝土板顶部落石冲击力,通过回归分析,得到用落石重力势能的幂函数表示的落石冲击荷载表达式;再次,将得到的结构抗力与落石冲击荷载联立得到极限状态方程,利用MABLAB软件编程求得结构可靠指标,通过与目标可靠指标的比较,进行结构可靠度设计与优化;最后,利用所建立的结构可靠度设计方法,对某客专双线拱形明洞设计进行了可靠度检算.研究结果表明:当落石高度为5~15 m、落石重量为1~2 k N时,原设计明洞结构可靠指标可达到4.2;当将原设计的C35混凝土调整为C40,钢筋由HRB335调整为HRB500后,落石高度为5~20 m、落石重量为1~2 k N范围时的结构可靠指标可达到5.4以上.     

三联拱黄土隧道施工方案及力学特性研究

随着我国地铁建设的不断发展,三联拱隧道越来越多,为深入研究三联拱黄土隧道施工方案及力学特性,依托某地铁区间隧道单渡线作为工程案例,结合其工程地质情况,研究重点施工工序,并利用数值模拟分析三联拱黄土隧道力学特性。研究结果表明:采用双侧洞法进行开挖时应重点注意超前小导管施作及临时支护的间隔拆除;初期支护轴力方面,左右洞中隔墙底部出现较大拉应力,隧道左右洞及中洞的拱顶部位产生较大压应力;初期支护弯矩方面,中洞仰拱部位承受较大的负弯矩值。     

渔寮隧道围岩内部位移与支护结构受力分析

基于风化节理岩层中渔寮隧道的实测围岩应力,围岩变形以及支护结构受力等数据,结合解析公式计算以及数值模拟的结果,从围岩松动圈半径,支护结构变形与受力评价了围岩稳定性与支护效果。结果表明:渔寮隧道出口段围岩条件较好,最大围岩内部变形达7.71 mm,推测拱顶松动围圈岩厚度半径达3.1 m,拱腰、拱肩处松动圈围岩厚度大于4.0 m,锚杆轴力的分析反映出围岩松动范围内的锚杆受力较大;支护结构受力特征分析表明因隧道拱顶、仰拱处围岩变形较大而传递给支护结构的附加荷载导致其受力增加;数值计算结果显示不同工序打设的锚杆变形存在明显区别。基于围岩变形规律与支护结构受力分析结果,提出了相应的施工措施与支护结构优化意见。     

管片厚度对大直径盾构隧道受力及变形的影响

针对大直径盾构隧道分块数多、厚度与外径比值偏小的设计特点,采用相似模型试验研究了管片厚度对大直径盾构隧道结构受力及变形的影响。结果表明:增大管片厚度能够有效减小超载工况下管片的收敛变形,但随着管片厚度的增大,增加相同的管片厚度对减小收敛变形的作用逐渐减弱;管片厚度增大,可减轻拱顶和拱底部位的混凝土开裂问题,但隧道截面受力状态会由小偏心向大偏心转变,过大的管片厚度并不利于隧道结构受力;管片厚度的增加,对隧道两侧拱腰位置的内力影响最显著,拱顶和拱底次之,对其它部位内力影响并不明显。     

浅埋隧道局部存水冻胀作用机制与安全性评价

为揭示寒区隧道局部存水冻胀作用机制并提出有效的衬砌结构安全评价方法, 设计了三维地质力学模型试验, 通过设置3种积水范围冻胀试验工况, 观测冻胀过程中裂缝开展和衬砌结构受力等情况; 改进了局部存水冻胀数值计算方法, 建立了基于岩体力学法并耦合冻胀力和围岩荷载的冻胀数值模型, 对比了不同存水位置、不同局部存水厚度和不同存水范围下隧道冻胀力和结构内力的变化规律, 进一步揭示了局部存水冻胀对隧道受力的影响机制, 评判了衬砌结构的安全性。分析结果表明: 局部存水冻胀具有显著的区域性特征, 衬砌冻胀开裂发生在局部存水与非存水交界处, 冻胀力大小取决于交界处冻胀产生的应力集中效应, 衬砌裂缝多为纵、斜向裂缝; 衬砌局部存水冻胀最不利位置由优到劣依次为拱脚、边墙、仰拱、拱腰和拱顶, 衬砌受力随局部存水厚度的增大而增大, 局部存水范围的增大有利于衬砌受力均匀化; 不同部位局部存水冻胀条件下衬砌结构容许压应力比均小于1, 满足抗压检算要求; 拱顶、拱腰和仰拱容许拉应力比均大于1, 不满足抗拉检算要求, 实际工程应针对上述部位采取适当的防冻胀措施予以处治; 揭示的隧道局部存水冻胀作用机制和建立的衬砌结构安全性评价方法为寒区隧道冻害防治提供了一定理论依据。      

地震作用下隧道衬砌背后不同位置空洞影响分析

以高烈度地震区的敦煌至格尔木铁路阔克萨隧道为工程背景,采用地震动力仿真模拟的方法,研究隧道衬砌背后空洞位置对隧道结构的地震动力响应规律及影响机制,为已运营隧道病害处理提出合理建议,确保地震作用下隧道运营安全。计算结果表明:空洞的存在改变了支护结构的受力状态,当空洞位于拱顶时,拱顶和拱肩为薄弱部位;当空洞位于左拱肩时,左拱肩、拱顶和左拱腰为薄弱部位;当空洞位于左拱腰时,左拱肩、左拱脚和左拱腰为薄弱部位。由计算结果可知,当空洞位于拱顶时对隧道衬砌结构影响最大。所以在实际工程中,拱顶部位更应避免产生空洞并应及时加固治理。     

落石冲击下无回填土拱形明洞结构可靠度设计王玉锁，徐铭，王涛，王志龙，何俊男，周良

为提供一种结构可靠度设计方法，根据落石冲击下无回填土拱形明洞结构失效破坏特征，将结构局部失效范围部分简化为四边固支方形钢筋混凝土板结构，利用塑性极限原理按刚塑性板进行准静态极限荷载计算，得到结构极限承载力即抗力.将离散元颗粒流数值模拟方法得到的落石冲击力最大峰值作为钢筋混凝土板顶部落石冲击力，通过回归分析，得到用落石重力势能的幂函数表示的落石冲击荷载表达式.将得到的结构抗力与落石冲击荷载联立得到极限状态方程，利用MABLAB软件编程求得结构可靠指标，通过与目标可靠指标的比较，进行结构可靠度设计与优化.利用所建立的结构可靠度设计方法，对某客专双线拱形明洞设计进行了可靠度检算，结果表明，当落石高度为5-15 m、落石重量为1-2 kN时，原设计明洞结构可靠指标能达到4.2;当将原设计的C35混凝土调整为C40,钢筋由HRB335调整为HRB500后，落石高度为5-20m、落石重量为1-2kN范围时的结构可靠指标能达到5. 4以上.     

不良地质条件下公路隧道施工力学特性研究

为深入研究不良地质条件下隧道施工力学特性,提高隧道施工效率,保证施工安全,依托某高速公路隧道,利用现场监测、数值模拟手段研究施工过程中隧道支护结构接触压力、弯矩值、轴力值情况,并对其进行对比分析。研究结果表明:在偏压软弱地层条件下,围岩与初支间接触压力极易形成应力集中;二衬与初支间接触压力分布不均衡;右侧拱脚弯矩值较大,且分布范围较广;隧道衬砌轴力在拱顶和仰拱处均产生了应力集中。研究成果为类似工程提供了技术支持。     

浅埋富水地层防水型铁路隧道衬砌结构力学特性分析

运用荷载-结构法,计算分析了不同地下水位线对浅埋富水地层铁路隧道衬砌结构轴力、弯矩峰值大小及位置的影响。计算分析结果表明:随着地下水位的降低,衬砌结构轴力峰值不断减小;衬砌结构弯矩峰值呈现出不同程度的波浪形增大;轴力在衬砌横断面上呈“鸡蛋”式分布。当地下水高于拱顶时,隧道衬砌结构轴力和弯矩值都比较大,设计时应将水荷载作为浅埋富水地层隧道结构受力的主要荷载之一。     

落石冲击力评定的离散元颗粒流数值模拟

为使落石冲击力评定更合理、有效,以离散元模型(DEM)为理论基础,利用颗粒流(PFC)单元法研究垂直下落条件下落石对结构的冲击力,分析了落石高度、重力及回填土厚度对冲击力的影响规律.将PFC数值模拟结果与其他几种落石冲击力计算方法所得结果进行比较,结果表明:落石冲击力与落石高度及重力均呈明显的线性关系,落石冲击力随落石高度线性变化幅度与落石重力有关,而落石冲击力随落石重力线性变化幅度与回填土厚度有关;回填土厚度为0.6 m时的冲击力比无回填土时减小50%~60%,回填土厚度大于2.0 m时,缓冲幅度趋于稳定,说明回填土厚度有一个合理范围,超出时,结构总荷载会增大;离散元颗粒流数值模拟方法通过阻尼设置来模拟空气在落石下落过程中产生的作用,使得在评定大体积落石从较高高度下落时产生的冲击力更加合理.      

近水平软硬互层围岩公路隧道初期支护内力分析

将近水平软硬互层围岩等效为横观各向同性岩层,推导其密度、弹性模量、泊松比等材料参数。以广南高速公路文家垭隧道为分析对象,根据横观各向同性围岩参数建立平面应变有限元模型,结合现场测试数据分析近水平软弱围岩台阶法施工过程中初期支护的受力状态。研究表明:上台阶开挖后初期支护受轴向压力,拱顶和拱墙腰向内弯,而拱腰向外弯;下台阶开挖后,初期支护继续受轴向压力,拱顶和仰拱向内弯,拱腰和拱墙腰向外弯。研究结论与拱顶沉降和拱底隆起现象相符合。     

外圆内椭管片结构内力计算模型

为了使地铁隧道适应地层荷载的不均匀性,参考异形管片结构形式,同时兼顾制作与施工等因素,提出外圆内椭管片结构,以保证管片结构最不利位置的刚度满足安全要求,并适当降低管片其他位置的刚度,充分利用材料特性;采用刚度阶梯折算法求解外圆内椭管片的柔度系数与自由项,建立外圆内椭管片的计算模型;参照实际工程地质条件,研究外圆内椭管片的内力分布特点;利用《铁路隧道设计规范》(TB 1003—2016)对外圆内椭管片的安全性进行评价。计算结果表明:相比于等刚度管片,在相同的荷载条件下,外圆内椭管片减小了管片结构拱顶与拱底的弯矩,将最大弯矩与最大轴力转移至拱腰,在验算时重点分析管片结构拱腰处的内力能否满足安全条件即可,简化了安全验算内容;在稳定性方面,等刚度管片在拱顶、拱肩与拱腰处的安全系数分别为3.07、18.05和2.45,外圆内椭管片在拱顶、拱肩与拱腰处的安全系数分别为2.79、14.86和2.21,虽然较之等刚度管片略有降低,但仍然大于安全验算要求规定的最小值2.0,可充分发挥混凝土的材料特性;在内部空间方面,外圆内椭管片在外径与等刚度管片一致的情况下,等刚度管片的内部空间面积为22.9m2,而外圆内椭管片的内部空间面积为23.76 m2,明显大于等刚度管片面积,因此,可在不扩大外径的条件下,增加了内部空间面积,提高了内部空间利用率。      

封顶块位置对高水压通缝拼装管片结构的影响

为了探明封顶块位置对盾构隧道管片结构力学行为的影响，基于苏通GIL （gas-insulated transmission）综合管廊隧道工程，选取封顶块在拱顶和拱腰两种代表性工况，开展了高水压条件下的通缝拼装管片结构原型试验，从管片结构的变形、受力、裂纹开展情况和最终破坏状态等方面对两种工况的试验结果进行分析. 研究结果表明:不同封顶块位置对管片结构的影响总体表现为对结构整体刚度的削弱不同，其形成的刚度削弱区域抵抗指向洞外变形的能力要强于指向洞内变形的能力；封顶块位于拱腰时结构整体刚度更大，管片结构椭圆度和单点最大位移均分别减小了39.8%和38.2%；封顶块位于拱顶时结构抗弯刚度削弱明显，易出现较大的纵缝张开，而封顶块位于拱腰时管片最大纵缝张开量明显减小，仅为前者的53.3%，且连接螺栓受力减小了54.4%；封顶块位于拱腰时，管片环拱底内弧面更容易产生裂纹、开裂荷载相对更小，管片内部主筋更早进入受拉状态；封顶块位于拱顶时管片结构由于纵缝张开量较大，在较高水压的情况下破坏始于纵缝处混凝土的压剪破坏进而导致的结构失稳.      

基于随机有限元的隧道衬砌结构可靠性分析

结合广州地铁三号线大塘站~沥窖站区间盾构隧道的实际情况,采用荷载-结构模式与蒙特卡罗-有限元法,选取不同的随机变量统计特征,进行了隧道衬砌结构可靠性分析,得出了隧道衬砌各截面处的抗压可靠指标与抗裂可靠指标。研究结果表明:拱顶处的轴力对上部水压最为敏感,弯矩对侧压力系数最为敏感,工程的支护体系能够满足目标可靠指标要求,具有足够的安全储备。     

深埋隧道穿煤段围岩变形特征研究

根据某隧道穿煤段（C2煤层）的工程实例,结合围岩位移、围岩内位形、锚杆轴力和钢拱架压力等现场监测,而进行的有关隧道穿过煤段围岩-支护结构的变形特征的分析结果表明：围岩位移变形分为急剧增长、缓慢增长和趋于稳定三个阶段：受高应力与岩体结构的影响,拱顶下沉为水平收敛的3倍,且初期下沉快,下沉时间长;围岩浅部较深部变形快且大．松动圈半径为2．5m～3．0m。该研究结果为深埋隧道穿越煤段设计和施工提供了重要的科学依据。     

不同滑带角度滑坡作用下隧道衬砌结构受力特征

随着越来越多的隧道工程穿越滑坡区，滑坡与隧道相互作用过程的研究尤为重要. 为研究不同滑带角度滑坡对隧道衬砌结构受力的影响，以大（同）准（格尔）铁路南坪隧道为例，采用室内模型试验、数值模拟的方法，对0°、10°、20°、30°、40°、50°不同滑带角度条件下滑坡推力作用下隧道衬砌结构受力的影响特征及变化规律进行研究. 研究结果表明:滑带角度越小，隧道变形越大，作用在隧道衬砌结构上的弯矩、剪力及土压力越大，并在拱脚处出现最大值，形成隧道拱结构左右受力不对称特征，呈现偏压现象；通过计算隧道拱结构左右两侧的竖向偏压应力比显示，在拱肩位置且滑带为0时，偏压应力比为1.17，随着滑带角度的增大，隧道衬砌拱结构左右应力差越来越小，趋于平衡拱；在拱脚位置，偏压应力比随滑带角度的增大而逐渐增大，隧道衬砌拱结构左右两侧所受应力差越来越大，趋向于偏压隧道，最小偏压比和最大偏压比分别为1.08、1.87.      

隧道偏压明洞在不同洞顶回填倾角下的受力分析

为分析偏压明洞衬砌在不同洞顶回填倾角下的受力情况,建立荷载-结构模型,对不同洞顶回填倾角下偏压明洞衬砌的受力和安全性进行计算分析,可得出该结构的受力情况,为隧道偏压明洞衬砌的受力计算提供参考。     

大跨无仰拱隧道二次衬砌墙脚结构受力分析

对于普通大跨度隧道,一般采用仰拱设计,更好地进行受力支撑。若超大跨断面处采用无仰拱衬砌类型,结构受力很不利,但当满足某些特定条件时可采纳无仰拱设计。通过对某隧道大断面无仰拱情况拟定不同高程的墙脚进行数值模拟,分析二衬结构受力,并总结拱顶下沉随着墙脚厚度变化的规律,找到最优墙脚高度,确定设计施工方案。