高地震烈度下超大直径海底盾构隧道地震响应分析

文章运用FLAC3D软件,采用动力有限元法,对高地震烈度下超大直径海底隧道地震响应进行了分析。分析结果表明:与单纯自重应力场作用下相比,地震作用会造成结构内力的增大,拱顶及拱腰为其受力薄弱部位;在重力及地震共同作用下,衬砌结构的拉应力主要出现在拱顶附近,最大拉应力超过C60混凝土的抗拉强度设计值,拱顶的衬砌管片可能出现局部脱落;衬砌结构的最大受力和位移一般发生在地震2~6 s的时间段;各关键点位置的位移、弯矩、剪力、轴力时程曲线具有相似的变化规律;隧道衬砌最大水平位移为3.6 cm,最大竖向位移为3.7 cm。     

球墨铸铁-钢筋混凝土组合隧道壁板加载试验分析

为研究球墨铸铁-钢筋混凝土组合隧道壁板这一新技术应用于隧道衬砌结构的可行性,文章根据相关设计参数,采用三维有限元分析方法模拟试验加载环境,建立分析模型,研究荷载条件下组合壁板的受力特征。分析结果表明:当混凝土达到极限状态受压破坏时组合壁板能承受的竖向压力为2.22 MPa,水平压力为1.11 MPa,拱顶为最大变形处,最大变形为6.63 mm;当球墨铸铁达到极限状态受压破坏时组合壁板能承受的竖向压力为11.48 MPa,水平压力为5.74 MPa,拱顶为最大变形处,最大变形为33.16 mm;在球墨铸铁壁板环作用下组合壁板相比混凝土受压坏破坏时所能承受围岩压力的能力和变形能力都提高了5倍,充分体现了球墨铸铁强度高、延性好的优点。     

流变荷载作用下公路隧道二次衬砌开裂特征研究

针对流变荷载作用下公路隧道二次衬砌裂损情况随运营年限增加不断显现的问题,文章基于离散元-有限差分耦合计算方法,对流变荷载作用下二次衬砌的裂损过程进行分析,并探讨了地应力场及衬砌背后空洞对二次衬砌破坏特征的影响。结果表明:(1)地应力场对二次衬砌的破坏形态有较大影响,当λ=0.5时,裂损主要发生在拱顶与拱底区域;当λ=1或2时,裂损主要发生在左右拱腰区域;(2)当拱顶存在空洞时,衬砌裂损过程及最终破坏形态与无空洞情况存在差异;当拱肩存在空洞时,衬砌裂损过程及最终破坏形态与无空洞情况相似;当拱腰存在空洞时,衬砌裂损过程与无空洞情况不同,但其最终破坏形态与无空洞情况相似;(3)当拱顶及拱肩存在空洞时,衬砌裂损过程及最终破坏形态与仅拱顶存在空洞情况相似;当拱肩与拱腰或拱顶与拱腰存在空洞时,衬砌裂损过程及最终破坏形态与单一空洞情况存在差异;(4)不同空洞数量及空洞组合情况下,空洞附近处的混凝土均出现开裂。     

大直径盾构铁路隧道火灾温度荷载及结构内力特性研究

为了得到大直径铁路盾构隧道非均匀火灾场景下的温度荷载及结构内力特性变化规律,文章首先运用火灾动力学软件FDS建立考虑火区通风的列车火灾模型,研究衬砌受火面温度荷载分布;其次通过有限元软件ANSYS建立考虑内部结构的热力耦合模型,着重研究隧道衬砌及内部结构的变形、温度分布以及内力变化。结果表明:考虑火区通风的单洞双线铁路隧道列车着火为非均匀火灾场景,火灾温度荷载(20 MW)最高不超过500℃,受火120 min后,受火面衬砌混凝土最高温度达到256℃;火灾工况下隧道拱顶及底部的竖向位移较非火灾工况均减小,结构水平方向的位移略微增大,轨道板的竖向位移减小,结构部分截面的内力发生较大变化,最大增幅接近1倍;衬砌受火面截面呈现出复杂的应力状态,在温度影响的局部范围内存在较大的温度应力。     

铁路隧道衬砌施工自动浇筑振捣新技术北大核心CSCD

铁路隧道衬砌质量问题导致的衬砌背后空洞、开裂、掉块等病害会对铁路正常运营造成极大威胁,混凝土的浇筑和振捣是保证隧道衬砌质量的关键。为此,研发了一种隧道衬砌施工自动浇筑振捣新技术,以提升隧道衬砌质量。研究表明,自动旋转布料机逐窗浇筑技术每次换管时间仅为3~4 min,具有结构简单、操作方便、效果优良、安全可靠的特点,既加快了隧道衬砌进度,又保证了隧道衬砌质量;新型插入式振捣技术采用边墙自动提升插入式振捣技术和拱顶自动气动式插入振捣技术,可以有效地提高混凝土振捣效果;拱顶衬砌采用60°斜孔带压反向浇筑,与传统的拱顶浇筑方法相比,堵管次数、浇筑口模板变形次数都明显减少,混凝土浇筑质量得到了显著提升。     

生命值与伤害值概念下的公路隧道火灾人员逃生安全风险研究

公路隧道发生火灾时,高温和烟气同时危及逃生人员和消防人员的生命安全。在已有的火灾烟气和高温下人员逃生条件的基础上,文章定义人员伤害值、生命值概念,提出了一种新的同时考虑高温和烟雾的隧道火灾人员逃生安全风险辨识条件。以某隧道大巴车火灾为例,建立数值计算模型模拟不同火灾工况下隧道的温度场以及烟雾场,依据建立的人员逃生安全风险判定条件得到了火灾时下游人员逃生动态过程的受伤害程度以及不同位置处消防人员受伤害情况。研究结果表明:适当提高通风风速有利于下游人员逃生;逃生过程中CO对人的伤害占主导作用;通风风速大于2.5 m/s时,上游消防人员有足够的时间进行灭火作业;通风失效时,消防人员灭火时长不宜超过360 s。     

高性能混凝土在盾构隧道管片中的应用

文章结合高强混凝土在南京地铁隧道衬砌管片中的应用,探讨了影响高性能混凝土在混凝土管片中应用的因素.高性能混凝土应用于隧道衬砌管片对降低管片造价、增强管片耐久性和抗渗性有重要作用.     

盾构隧道管片裂缝开展规律数值试验

管片裂缝会影响盾构隧道衬砌结构性能。为研究管片裂缝开展规律,文章以西安地铁某区间隧道涌水事故导致管片裂缝病害为背景,利用ANSYS软件SOLD65单元建立三维非线性模型,分析管片裂缝开展规律。结果表明:(1)无空洞条件下,荷载小于2倍设计值时,管片无裂缝;当荷载位于2.5倍设计值和4倍设计值之间时,裂缝数量逐步增加,裂缝数量与荷载关系近似呈s曲线;(2)依托工程空洞条件下,当施加设计荷载时,出现偏压现象,随着荷载增大裂缝开展较快,当施加荷载达到2.7倍设计荷载时,裂缝急剧增加,裂缝分布不对称,空洞周边裂缝密集,大于3倍设计荷载时,结构失稳破坏。文章研究结果可为病害处治提供理论依据,为类似工程提供借鉴。     

近接桩基盾构隧道施工管片力学行为研究

盾构隧道衬砌管片在施工阶段处于复杂的受力状态,易出现局部破损现象。文章以深圳地铁5号线近接桩基时盾构隧道施工为研究背景,通过现场测试对衬砌所承受的轴力和弯矩进行了分析,以此来探究盾构隧道管片的力学特性。研究结果表明:上覆建筑物的全风化花岗岩层中,管片脱出盾尾后桩基荷载将传递给隧道上部土体,最后传递至衬砌管片,管片环受到较大的附加应力作用;管片刚拼装上时试验环内力较小;当管片脱出盾尾时其内力达到最大值;稳定后的管片内力一般相较刚脱出盾尾时稍小。由于岩层破碎且极度发育,透水性好,孔隙水压力变化速度较快,且能较快趋于稳定。     

TBM隧道管片纵向受力的传递规律

在TBM法施工过程中,千斤顶对盾尾后面的管片衬砌结构有反推力的作用,管片结构外侧的回填层对管片结构产生纵向剪切力作用。文章以神华新街台格庙矿区TBM隧道施工为背景,确定了考虑时间效应的回填层的强度变化全过程,进而确定了不同位置的管片结构的外侧表面受回填层的剪切阻力大小。通过力学分析,得到了千斤顶对管片结构的影响范围和各环管片的纵向压应力及外侧表面纵向剪切应力的分布规律。研究结果表明,从第17环管片结构开始不向后传递反推力,从第1环至第17环管片衬砌结构,相互之间的推力呈非线性减小的规律,侧面的剪切力从第5环至第17环呈线性增长趋势。     

分离式套拱加固带裂缝衬砌的变形规律试验研究

文章基于1∶10的相似比制作拱顶带单条纵向裂缝且裂缝深度为原衬砌厚度1/3的隧道二次衬砌模型,采用弹簧模拟地层抗力,进行了分离式套拱加固衬砌(原衬砌与新增套拱之间增设防水板)的径向加载试验,得出了带裂缝衬砌经分离式套拱加固后的变形规律与破坏模式。结果表明,在松动荷载作用下,分离式套拱加固结构的受力过程分为"初期加载—预制裂缝径向贯通、预制裂缝径向贯通—套拱拱顶裂缝径向贯通、套拱拱顶裂缝径向贯通—试件破坏"三阶段,破坏荷载由原衬砌拱腰截面控制,关键部位破坏顺序为拱顶开裂—拱腰断裂—拱顶破坏,整体破坏性质为脆性破坏。     

大直径盾构隧道双层衬砌管片结构计算

目前,大直径盾构隧道的运用日益增多,常用的盾构隧道多为单层衬砌结构。鉴于单层衬砌管片结构存在一些缺点,双层衬砌管片结构的设计与使用逐渐引起人们的注意。文章针对大连地铁5号线跨海段盾构隧道双层衬砌结构,运用Abaqus软件并考虑围岩压力、地震荷载作用、溶洞以及施作方式对于结构的影响,计算分析不同工况下盾构隧道双层衬砌管片结构的变形以及受力特征。研究结果表明:基本荷载下结构受力的主体为初衬,二次衬砌的作用应更多考虑为耐久性和安全储备。地震荷载作用下二次衬砌结构内力显著增大,相对于基本荷载,初衬内力增幅为8.57%～44.1%,二次衬砌内力增幅为123.6%～332.4%,二次衬砌结构将在抵抗地震等偶然荷载作用时发挥较大作用。地震荷载作用下溶洞对双层衬砌结构内力及变形影响很大,相对基本荷载工况,初衬内力增幅为11.0%～216.5%,二次衬砌内力增幅为192.4%～353.1%,轴向变形增幅为58.9%～81.34%,水平向变形增幅约为143.6%。因此,建议对溶洞进行合理加固,以保证隧道安全。     

叠合式套拱加固带裂缝衬砌的变形规律试验研究

文章通过室内试验和理论分析等手段研究了套拱加固后结构的受力规律、破坏模式及承载力变化。利用石膏材料,按照1∶10(模型∶原型)的相似比,制作拱顶带纵向裂缝的素混凝土衬砌结构(裂缝深度为原衬砌厚度的1/3),并按叠合式套拱加固方案,进行钢筋混凝土套拱加固;养护后,通过室内全周径向加载装置,分级施加拱顶松散土压,并计入地层抗力的影响,研究带裂缝衬砌套拱加固后的承载能力及破坏规律。试验结果表明,叠合式套拱加固后,结构受力过程分三个阶段:"初期加载—套拱拱顶开裂、套拱拱顶开裂—拱顶叠合面裂缝出现、拱顶叠合面裂缝出现—试件破坏",关键部位破坏顺序为拱顶开裂—拱顶延性破坏—拱腰脆性断裂,整体破坏模式为延性破坏。     

基于武当群片岩各向异性试验的隧道围岩变形机理分析

针对通省隧道拱顶出现纵向裂缝、拱肩钢拱架被剪断等变形破坏问题,文章考虑武当群片岩各向异性特点,基于波速试验、单轴压缩与三轴压缩试验,结合围岩变形特征调查与数值模拟试验,分析了武当群片岩试样应力-应变曲线特征与破坏形态特征,建立了弹性模量、泊松比、抗压强度随片理倾角从0°~45°~90°变化时的对应关系,提出了隧道围岩破坏模式,总结了隧道围岩变形机理。研究结果表明:武当群片岩各向异性在隧道围岩变形破坏过程中起到了控制性作用;非对称模式为隧道围岩主要破坏模式;当隧道围岩最大剪应力与片理空间关系不利时,围岩沿片理面发生剪切破坏。研究结果对武当群片岩区域在建或拟建地下工程的现场设计、施工开挖具有重要的指导意义。     

矩形盾构法隧道管片分块案例分析及分块原则

为了对矩形盾构施工的管片结构进行合理分块,文章通过对国内外既有矩形盾构施工装配式衬砌管片分块案例进行介绍,研究分析了既有矩形盾构法施工隧道衬砌管片的分块特点,结合圆形盾构衬砌分块需考虑的影响要素,提出了矩形盾构(包含类矩形盾构)装配式衬砌管片的6个分块划分原则,涉及结构受力要求、减少分块数和降低加工制造成本要求、搬运和拼装操作要求、顶进油缸布置要求、纵环向螺栓分布以及宽高比的影响要求等方面。在地下过街道、地铁以及地下综合管廊采用矩形盾构设计施工时,该分块原则可作为工程技术人员进行管片断面衬砌合理分块时的参考,并为其它类似工程提供借鉴。     

快速接头盾构隧道衬砌结构设计参数研究

管片接头受力性能是影响盾构隧道衬砌结构设计参数的关键因素,而采用快速连接件的接头受力性能尚不明确。文章参考国外盾构隧道衬砌快速连接件的研究和应用情况,结合上海市天然气管线过江隧道工程,通过管片接头荷载试验,对快速接头的纵缝转角刚度、纵缝抗剪刚度、环缝抗剪刚度进行研究。结合试验结果建立了基于梁弹簧法的三环错缝分析模型,给出了该模型关键参数的具体取值范围。最后通过计算对比提出了该种快速接头盾构隧道衬砌结构的修正惯用模型设计参数——刚度折减系数、弯矩传递系数。     

集中排烟隧道近火源顶板热参数理论预测

由于集中排烟模式能较好地控制上下游烟气的扩散范围,故被广泛应用于长大隧道设计中。文章针对小尺度火灾,建立了集中排烟隧道火源热烟羽受限发展理论模型,与已有火灾实验结果进行对比,完成了理论模型的验证,预测了顶板下方最高烟气温升、偏移距离等热参数。预测结果表明:火灾强度一定时,烟气最大温升随等效风速增加而急剧下降,且火灾强度对烟气温升的影响也较为显著;当等效风速超过1.5 m/s时,最大温升变化趋缓直至恒定;等效风速较小时,羽流未发生明显偏移,随着等效风速进一步增大,偏移距离明显增大,其变化速率随火灾强度的增大而减小。经回归整理得到了顶板下方烟气最大温升、偏移距离的无量纲准则关联式。     

一种隧道拱顶智能取芯装置及取芯孔修补工艺

在隧道实体质量检测中,常规水钻无法安全、有效地对拱顶实施取芯作业。因此,研制一种隧道拱顶智能取芯装置,可解决冷却水回流烧毁电机及漏电危险等问题。该装置具有智能识别防水板位置,避免钻破防水板的风险;在取芯过程中通过取芯速度和钻机电流的变化情况,可对衬砌混凝土的密实度、强度、匀质性进行预判;通过对钻孔取芯,可检测隧道拱顶衬砌厚度、脱空深度等。同时,提出了一种取芯孔修复工艺,解决了钻孔取芯孔洞的修复质量问题。     

大直径盾构隧道双层衬砌横向抗震性能研究

为探明有无双层衬砌、双层衬砌不同施作方式（复合式、叠合式）对盾构隧道横向抗震性能的影响，以甬舟铁路金塘海底铁路隧道为工程依托，建立盾构隧道双层衬砌三维精细化模型的同时考虑了隧道材料与接触的非线性行为，采用隐式动力时程法进行了抗震性能研究。结果表明：（1）双层衬砌与管片的连接刚度越大，隧道变形越小；（2）复合式衬砌对隧道环向抗震性能提升有限，其变形、损伤及应力规律与单层衬砌基本一致；（3）叠合式衬砌能有效提升隧道抗震性能，充分利用材料力学特性，但需要重点关注隧道的损伤情况；（4）抗震设防等级要求较高的区段建议采用叠合式双层衬砌，防水、防火要求较高的特殊区段建议采用复合式双层衬砌。     

深埋蓄排水盾构隧道衬砌结构力学性能试验及数值分析

深埋蓄排水盾构隧道承受高内水压力及较大的外部水土荷载,与公路、地铁盾构隧道在计算理论、建造技术及运营维护等方面有很大不同。鉴于蓄排水隧道衬砌结构承载模式的变化,文章开展了整环力学行为试验及三维数值分析,研究了内水压作用、错缝拼装及接头螺栓安装方式等对蓄排水盾构隧道力学性能的影响。研究结果表明:通缝拼装的蓄排水盾构隧道从隧道内空水变化至隧道内满水时,隧道的变形大幅增加;内水压0.6 MPa时隧道的竖向和水平收敛变形分别为空水时的2.2倍和3.2倍。与通缝拼装的蓄排水盾构隧道相比,错缝拼装时衬砌环的收敛变形减小15%～25%,最大接头张开量及螺栓拉力减小25%～40%。内水压增大会造成蓄排水盾构隧道接头螺栓屈服,最先出现螺栓屈服现象的接头位于衬砌环最大负弯矩荷载作用位置附近;由于盾构隧道的破坏多源于接头螺栓屈服,该接头位置为蓄排水盾构隧道的薄弱点。对于采用双排螺栓连接的蓄排水盾构隧道,拱顶、拱底90°区域范围内靠近接头外弧面位置的螺栓可以不拼装;但两侧拱腰90°区域内靠近接头内弧面位置的螺栓必须安装,否则会造成最大负弯矩荷载作用位置附近的接头螺栓拉力增大5%～14%。