盾构隧道结构计算分析方法研究

为了应对盾构隧道因复杂赋存环境、多元结构形式及使用功能所面临的计算模型精细化、荷载取值合理化、计算模型精准化等高要求,通过调研盾构隧道结构分析方法的发展现状,综述了当前盾构隧道结构计算分析中荷载计算方法,并结合近10年来笔者所开展的相关研究工作对盾构隧道静、动力分析方法与计算模型进行了汇总和梳理。在盾构隧道荷载取值方面,阐述了深层空间水土荷载作用机理、施工阶段流固耦合效应以及岩质地层地震荷载合理取值等方面的问题及进展;在结构分析理论及模型方面,重点论述了盾构隧道整体化分析方法的内涵及思路、盾构隧道复杂接缝面力学行为、基于接头非线性抗弯刚度计算的结构分析方法以及结构整体受力特征及破坏模式的试验与实测手段验证三方面取得的成果;综述了以地层-结构组合体系反应位移法和纵向广义反应位移法为代表的盾构隧道横、纵向抗震分析方面的研究成果,并对盾构隧道结构分析中考虑耐久性因素的研究现状做了介绍。最后,针对大深度、高水压、特殊环境等盾构隧道工程的建设形势,展望了盾构隧道结构分析方法的发展趋势。     

盾构隧道结构设计模型综述

基于盾构隧道结构设计中常用的荷载－结构法,对盾构隧道的结构设计模型进行了全面归纳和总结,系统介绍了用于盾构隧道结构设计的结构模型及荷载模式,并分析了各模型的适用条件以及存在的问题。     

重载列车作用下隧道衬砌结构动力响应分析

以山西中南部铁路通道某既有隧道为背景，结合现场实测数据进行荷载分析，得到列车激振力函数表达式，并求得80 km/h时30 t轴重列车荷载轮轨激振力时程曲线；运用快速拉格朗日差分软件FLAC3D，建立了重载列车荷载作用下隧道三维地层-结构计算模型，得出了隧道衬砌的动力响应分布，并分析了重载列车作用下，隧道结构的薄弱部位及会车对结构产生的影响。     

西藏珠角拉山隧道浅埋段结构数值模拟分析

基于浅埋段隧道的特殊性,对结构的可靠性提出了更高要求,以确保隧道在施工及运营过程中的安全。为验证隧道衬砌结构设计的安全可靠,以西藏珠角拉山隧道V级围岩浅埋段为例,采用荷载结构法(考虑地震荷载)进行结构分析验算,通过安全系数验证结构的强度,实际应用证明该方法是可行的。     

隧道爆破荷载作用下中隔壁动力响应与破坏机理研究

中隔壁结构作为隧道初期支护体系中重要的承载构件，在隧道爆破荷载作用下极易发生损伤开裂和破坏。首先依托双向八车道的港沟高速公路隧道工程，进行爆破荷载作用下中隔壁的动力损伤破坏试验，提出中隔壁支护结构的破坏形态及类型；然后利用ANSYS/LS-DYNA建立隧道爆破与中隔壁支护结构数值模型，采用流固耦合的方法模拟岩体爆破及中隔壁支护结构的动力响应，并考虑单段装药量、爆距等不同因素，研究其对中隔壁破坏模式及形态的影响。研究结果表明：隧道爆破荷载作用下中隔壁破坏形式分为背爆侧混凝土开裂剥落、中心区域混凝土震塌成洞、钢筋网及纵向连接钢筋震坏断裂、钢拱架发生扭曲变形4种类型；中隔壁支护结构在爆破应力波的作用下处于反复拉压状态，并在岩石破碎抛掷冲击的作用下发生破坏，且中隔壁支护结构中心、顶部和底部是结构最易发生损伤的部位；单段装药量和爆距的改变会对中隔壁支护结构的破坏范围和破坏程度产生影响，且结构呈现出不同的破坏形态，与现场试验结果一致；建议隧道爆破施工时爆距控制在40 cm以上，单段药量控制在7.2 kg以下，以减少对中隔壁支护结构的破坏。     

高速公路隧道支护结构力学行为研究

以渝黔高速公路二期工程的笔架山隧道为工程背景,采用对现场主体工程施工过程和隧道建成初期的跟踪监测,与三维弹塑性数值模拟相互对照的方法,得出了高速公路隧道施工期间和建成初期的力学行为及变化规律。另外,采用偏于安全的结构—荷载模式对此隧道不同类别的二次衬砌长期安全性进行了计算,得出了各类围岩隧道结构的长期安全性指标的数值大小和横向分布规律。其结论可为隧道设计和施工提供重要参考。     

爆炸荷载作用下岩溶区隧道围岩变形分析

本采用国际上常用的爆炸荷载的计算模式，计算了朝东岩隧道爆破时的爆炸荷载，采用Ansys大型有限元程序分析了岩溶地区隧道顶部有溶洞的围岩在爆炸荷载瞬息作用下的变形，分析结果认为：以朝东岩隧道为例，当溶洞直径为4m时，岩溶洞边缘离隧道顶部小于3m时，在爆炸荷载瞬息作用下，隧道顶部与溶洞将会贯通，产生施工危害。     

双连拱隧道有限元分析

以某双连拱隧道为工程背景，采用有限元法，建立连拱隧道结构及围岩分析模型，重点研究在偏压荷载条件下连拱结构的应力分布特点，并研究了不同围岩类型及地质条件对结构应力分布的影响。     

盾构隧道管片设计控制内力和变形分析

针对城市双车道公路盾构隧道，设计了一种9块分管片。采用结构一荷载模式并借助于有限元法进行了盾构隧道管片结构的力学分析，得到控制管片结构设计的内力和变形值，为管片结构的配筋设计和变形验算提供依据。     

水中悬浮隧道交通荷载模拟方法研究

为研究水中悬浮隧道交通荷载的合理模拟方法以及交通荷载对隧道结构的影响,借鉴铁路、公路交通荷载的模拟方法,综合考虑车辆轮载、路面不平度、行车速度以及外部激励荷载等影响因素的共同作用,提出水中悬浮隧道交通荷载的模拟表达式。通过数值模拟计算,分析悬浮隧道交通荷载的变化特征,并研究不同交通荷载模拟方法对悬浮隧道结构振动位移响应的影响。结果表明:文章提出的交通荷载模拟方法计算结果符合移动振动荷载的波动性和周期性特征。在对结构振动位移响应影响方面,固定均布荷载相当于静载,移动集中荷载和移动振动荷载时的位移变化幅值相对固定均布荷载时的大且影响相似,但移动振动荷载时的振幅稍大,体现了交通荷载中动荷载部分对结构振动位移响应的影响,更适合用来模拟悬浮隧道中的交通荷载。     

双层盾构隧道内部荷载模式对衬砌力学性能影响分析

针对双层结构内部荷载对管片结构的响应方式和设计上如何考虑的问题，将常见的内部荷载模式分为立柱-板、立柱-梁及连续墙-板等3种，并借助梁弹簧模型研究不同工况下3种荷载模式的响应规律。结果表明，立柱-板与立柱-梁荷载模式会导致在衬砌的对应位置出现局部应力集中，采用连续墙-板荷载模式会使内部荷载对结构影响相对较小，并能避免应力集中现象；衬砌厚度增加可以减小内荷载对衬砌整体受力影响，但也可能导致隧道张开量超出限值，影响防渗性能；衬砌外径较大或浅覆土工况下会加大内荷载影响，对衬砌受力造成不利影响。     

蒙华铁路三荆段深埋软弱围岩隧道荷载研究

《铁路隧道设计规范》中的深埋围岩压力公式没有考虑隧道拱部围岩本身的承载作用以及超前预支护作用,荷载计算结果偏大。为验证深埋隧道初期支护结构实际承受的围岩压力荷载,以蒙华铁路三门峡至荆门段现场监测数据为依托,通过分析围岩变形监测资料,探讨蒙华铁路隧道围岩及结构在隧道开挖过程中的变形行为,并采用拱顶沉降与水平收敛相结合的位移反分析法,建立荷载-结构法平面有限元模型,反演推导围岩压力荷载。分析结果表明:双线隧道反分析得出的围岩荷载为同级别按规范计算值的70.7%~76.5%;单线隧道反分析得出的围岩荷载为同级别按规范计算值的88.8%~93.1%。研究成果对蒙华铁路隧道现场施工和优化支护结构设计起到了很好的指导作用,希望能对以后类似隧道工程的设计和施工提供参考。     

扬州瘦西湖盾构隧道衬砌结构受力的现场试验研究

以扬州瘦西湖盾构隧道为背景,对管片衬砌结构在施工期和后期的结构荷载和内力进行现场追踪试验,探讨施工阶段同步注浆对隧道衬砌结构受力的影响,总结隧道衬砌结构荷载和内力在施工阶段随时间的变化规律。研究结果表明:现场测试方法可以较为全面准确地得到隧道衬砌结构荷载和内力在施工期的分布;衬砌结构荷载总体随时间呈先减低后趋于平稳的规律,施工期的注浆作用会使衬砌结构荷载大于稳定后的结构荷载;衬砌结构内力在注浆阶段不稳定,注浆作用对结构的轴力影响较大。     

基于可靠度的公路隧道进出口段行车安全分析

为了提高隧道进出口路段的行车安全水平，以现行公路工程结构可靠度设计统一标准为依据，对隧道进出口路段失效概率进行了定义。以车辆轨迹偏移量和驾驶人视距作为约束条件，建立隧道进出口路段的功能函数并推导可靠性模型，提出了隧道进出口路段可靠性计算模型的求解方法，并对隧道进出口段的停车视距模型进行修正。以贵州某隧道为例，计算了隧道进出口处的行车失效概率，并对各影响因素的敏感性进行分析。结果表明：可靠性指标可以定量反映隧道进出口处的线形一致性和视距安全性，保证线形指标不仅满足规范设计，而且能明确反映道路交通安全水平；敏感性分析反映了各因素对行车安全性的影响程度，其中运行速度和曲线半径对隧道进出口段的失效概率影响最大，为隧道前期路线设计和后期运营限速提供参考。     

大桥隧道锚碇三维粘弹塑性数值模拟

为了解某大桥隧道锚碇及围岩体在张拉荷载下的变形状态及时效特性,采用三维显式有限差分软件FLAC^3D对该大桥隧道锚碇系统进行三维粘弹塑性数值模拟。根据地质资料以及混凝土锚碇结构尺寸,建立隧道锚碇的三维计算模型,对岩体与锚碇之间的相互作用以及锚碇结构在长期荷载作用下的破坏模式进行研究,分析了由于施工开挖引起的锚碇和隧道围岩的位移及其应力变化。分析结果表明：当考虑岩体的流变力学特性后,在设计荷载作用下,锚碇和隧道围岩的变形均有所增加;与弹塑性计算结果比较,施加荷载后经流变分析得到的隧道顶拱和底板的切向应力有所降低,拉应力的量值及拉应力区的范围减小,塑性区体积进一步扩大。     

公路隧道概率极限状态设计方法

随着结构设计方法的发展,将可靠度理论应用于公路隧道工程设计是当今的发展趋势.介绍了可靠度理论在隧道工程中的现状,指出公路隧道可靠度研究中关于不同跨度的荷载、围岩抗力系数等的统计特征的研究较少,使得公路隧道概率极限状态设计存在困难.鉴于此,重点分析了公路隧道可靠度分析方法,提出了实现公路隧道概率极限状态设计的思路.探讨了...     

埋置式波纹钢-混凝土受力特性及地震动响应研究

埋置式波纹钢-混凝土结构多用于公路明挖隧道和棚洞，但目前对该类结构的研究较少。以某绕城高速公路为例，针对在高填方填土荷载及地震动力荷载作用下，研究明挖隧道中使用波纹钢-混凝土结构作为顶棚的安全性及其地震动力响应规律。研究表明：1)在填土及地震动力荷载作用下，波纹钢-混凝土结构具有良好的整体受力性能，其挠度与应力均满足静力荷载下的安全要求；2)在选用的卧龙波作用下，波纹钢-混凝土结构在左侧拱肩处位移响应最大，在左侧拱肩至拱顶处应力与加速度响应最大；3)结构不同波峰、波谷、波中截面的地震动力响应差异不大。     

连拱隧道设计荷载及其计算模式研究

连拱隧道在线路平面、洞口位置选择等均较分幅修建隧道优越。在西部地区，特别是云南地区由于受地形条件的限制，连拱隧道成为中短高速公路隧道的主体。本文基于双塌落拱的假定，即认为隧道松动压力的计算值应在半结构宽度与整个开挖宽度相应的松动压力之间取值，提出了一种新的连拱隧道荷载确定方法。其中墙顶部荷载较拱顶荷载大，这与接触压力实测值是一致的。另外，在目前连拱隧道的设计计算中，一般把中墙与二衬当作梁杆单元来考虑，不能很好地模拟连拱隧道这种特殊结构，给计算带来较大误差。本文针对目前普遍采用的三层中墙连拱隧道，将广义结点有限元应用于连拱隧道设计计算中，建立广义梁单元计算方法。该方法能考虑结构的实际厚度和几何尺寸，又能给出工程所需的轴力、弯矩和剪力等结构内力，从而可以很好地模拟结构的实际受力情况。本文同时考虑了三层中墙连拱隧道二衬与中墙的相互作用问题，以期对连拱隧道的设计计算有指导作用。     

黄土隧道两种衬砌结构受力特性对比分析

以甘肃省某高速公路黄土隧道为工程背景,通过数值模拟,采用荷载一结构法对直墙式和曲墙式(针对一次衬砌)两种衬砌结构断面形式分别进行计算,并对比分析,综合比较,得出曲墙式衬砌结构整体受力特性优于直墙式衬砌.研究方法和结论为黄土隧道衬砌结构设计提供一定的理论支撑,对分析黄土隧道衬砌结构的受力特性,建立更加科学合理的隧道结构形式具有一定的参考价值.     

基于整体风险分析法地震荷载作用下隧道的易损性评估

 运用整体风险分析法对隧道工程在地震荷载作用下的易损性进行评估。首先通过层次分析法进行隧道易损性因子筛选,然后运用概率统计方法进行处理,计算出地震荷载作用下易损性的权重组合值,从而绘出隧道的风险评估图,最后使用地震实例中收集到的隧道震害资料对该模型进行验证。研究表明,运用整体风险分析法评估复杂、多变的隧道易损性问题是完全可行的。