地铁隧道地震动力响应三维数值分析

文章依托广州地铁花都广场站—马鞍山公园站区间隧道工程,建立地铁隧道地震动力响应三维数值分析有限元模型,计算分析水平向地震荷载作用下的地表位移、隧道结构动力响应,并计算分析了不同阻尼、边界条件等计算参数对隧道结构动力响应的影响。     

反应位移法和地震系数法在地铁隧道抗震中的对比分析

为更好地模拟计算地震对地铁隧道内力与变形的影响,本文结合具体算例,采用反应位移法和地震系数法分别计算了地铁隧道截面的组合内力与变形。通过对比分析2种方法的计算结果,发现反应位移法计算的内力与变形小于地震系数法计算的结果。二者在计算过程中考虑的因素不同,反应位移法主要考虑土层相对位移、结构惯性力和结构周围剪切力作用,地震系数法则是将随时间变化的地震力用等效的静地震荷载代替,然后用静力计算模型分析地震荷载作用下的结构内力与变形。     

流固耦合作用下基坑开挖及降水对下卧既有地铁隧道的影响研究

为研究基坑开挖及降水对下卧既有地铁隧道变形的影响,基于比奥固结理论,结合修正摩尔库伦本构关系,建立考虑流固耦合的三维有限元分析模型,探讨基坑降水深度、降水速度、土体渗流特性、基坑开挖工艺等对下卧既有地铁隧道及其围护结构的影响,并与现场监测结果进行对比验证。研究结果表明:基坑降水深度对隧道结构变形有着较大影响,适宜的降水深度有利于抑制地铁隧道的隆起;在分块开挖效应下,隧道最终呈"M"形曲线隆起,竖向位移最大处位于隧道中部的两侧位置;土体渗流存在空间差异性;基坑降水速度会对隧道围护结构的内力产生重要影响,随着降水速度的增大,围护结构的内力会继续增长;隧道衬砌结构变形呈"水平向压缩、竖向拉伸"的竖椭圆状发展,隧道靠近基坑两侧的腰部变形较大;考虑基坑降水的流固耦合分析结果更接近现场实测结果。     

深厚圆砾土层深基坑截水帷幕深度对紧邻地铁隧道变形研究

基于稳定渗流问题变分原理对深厚圆砾土层深基坑截水帷幕深度对紧邻地铁隧道变形影响进行理论研究。基坑截水帷幕长度很大程度上决定着基坑周边地下水渗流场形态,导致坑外孔隙水压力变化,进而改变土种应力并作用于隧道周围引起隧道受力和变形的不同。采用MIDAS/GTS大型三维有限元软件,分别考虑了截水帷幕深度为15 m,20 m,25 m时,隧道的变形特性并进行对比分析。结果表明,增加基坑截水帷幕深度可以有效地保护基坑周边地铁区间结构。     

地震作用下地铁隧道与邻近建筑相互影响研究

以西安地铁某区间隧道侧穿学校公寓为研究对象,利用MIDAS GTS数值模拟软件进行时程分析。重点研究了地震作用下地铁隧道与邻近建(构)筑物间的相互影响。研究结果表明,隧道结构刚度较周围地层大,对周围地层变形存在约束性,使隧道周围地层的整体刚度有所提高,隧道结构的修建不会造成周围地层及邻近建筑所受地震作用增大,而邻近建筑的存在会造成隧道结构所受的地震作用增大。根据研究结果,针对隧道邻近建(构)筑物提出了抗震构造措施,为类似工程提供参考。     

地铁盾构隧道与矿山法隧道接口段抗震计算研究

为确保地裂缝条件下地铁盾构隧道与地裂缝设防段矿山法隧道接口抗震设计满足要求,采用数值模拟与理论分析相结合的方法,针对西安地铁5号线某区间盾构隧道与地裂缝设防段矿山法隧道接口部位进行横向地震作用时程分析,并与横向地震作用的反应位移法结果进行对比,结合现有理论及规范,分析地铁隧道接口处的抗震性能及合理的计算方法,发现对于结构断面形式突变的地下结构,宜采用反应位移法进行强度及变形计算,同时采用时程分析法进行校核,明确了不同断面接口两侧隧道横向剪切刚度的差异是导致位移与变形差异的主要原因,同时提出减震层、管片柔性结构与弹性垫圈、变形缝以及加强钢筋与后浇环梁等抗震措施,在高烈度地区还可考虑将矿山法隧道设计为圆形或类圆形断面以提高整体抗震能力,研究结论可为类似工程提供参考。     

双断层错动作用下马蹄形隧道结构破坏影响分析

我国地铁建设飞速发展,由于地层结构的复杂性,特定情况下地铁线路不可避免地穿越断层构造.针对双断层错动影响下地铁隧道力学响应,从断层面接触关系和衬砌-围岩接触关系入手,结合混凝土应力应变关系以及破坏准则,建立考虑双断层共同作用的地铁隧道三维有限元模型.着重研究双断层错动下(不同错距、间距以及倾角)的隧道位移响应规律、剪应...     

基坑三维渗流对紧邻区间隧道影响的数值分析

基坑工程施工改变地下水渗流场，导致紧邻区间隧道受力和变形发生改变。为此，应用数值分析手段，采用流—固耦合计算模式，对某基坑施工过程的渗流场和变形场进行三维模拟，分析了场地的水位下降规律和区间隧道的变形规律。并通过建立能反映止水条和螺栓作用的三维管片环实体计算模型，计算了管片变形和接头纵缝张开量。研究结果表明：该基坑施工诱发的最大水位下降约为2m；水位下降2m时管片的纵缝张开增量为0．13mm，为纵缝张开控制总量的4．3％。因此，认为该基坑施工诱发的三维渗流对紧邻地铁区间隧道的影响较小。     

海底盾构隧道双层衬砌 柔性垫层研究

针对大连地铁5号线工程梭鱼湾南站单洞双线盾构区间隧道施工建设问题,探讨岩溶发育区海底隧地铁盾构隧道支护技术。考虑岩溶发育地区工程地质情况复杂及在特殊工况,如地震作用下,结构发生附加变形时的隧道安全,提出使用盾构隧道双层衬砌结构及柔性柔性垫层,通过理论分析、数值计算等方法,分析一定强制位移条件下,不同厚度及密度的柔性垫层对盾构隧道双层衬砌结构内力分布的影响。研究结果表明：随着材料密度的增加,隧道外衬所受最大弯矩先减少后增加,而内衬所受最大弯矩先增大后减小。相同密度情况下,随着材料厚度的增加,外衬最大弯矩逐渐增大,内衬最大弯矩逐渐减小。当柔性垫层材料性能适中能提供充分的协调变形空间时,隧道内外衬砌能合理分配结构附加变形产生的内力,从而大幅提高隧道支护的安全性能。     

地铁双层交叉隧道非线性地震响应分析

以北京某地铁双洞盾构隧道近距离下穿既有矩形矿山法隧道为例,建立不同交叉角度的地铁双层交叉隧道三维数值模型,采用日本阪神波及北京人工波作为向基岩输入的地震波,研究其在水平强地震动作用下的地震响应特性,并与单层矩形/圆形隧道的地震响应特性进行比较。结果表明:双层近距离交叉隧道相互作用效应对上、下层隧道相对水平位移峰值和振动加速度均具有放大作用,且均随着交叉角度的增大而减小,对上层矩形隧道的地震应力有增大作用,对下层圆形隧道的地震应力有减小作用,且与交叉形式和基岩输入的地震波特性密切相关;上层矩形隧道顶、底板与侧墙的连接部位、中隔墙(中柱)的顶部和底部,以及下层圆形隧道的拱肩和拱腰处是结构的薄弱部位;矩形隧道和圆形隧道的地震变形模式分别近似于正弦曲线的单调递增段和反S形;场地土层的变形以剪切变形为主;土与结构的接触面是地震发生时的薄弱环节。     

地铁区间盾构隧道漂移及其处理措施

研究目的:某地铁区间盾构隧道在贯通交付铺轨后,经过对隧道位移多次监测数据的分析得知,隧道结构在水平向及竖直向两个方向上均不同程度的发生位移,沿隧道纵向位移最大值达到19.1 cm,超过规范限值,一定程度上影响隧道的使用功能,通过本研究分析得出漂移原因,同时提出针对性的处理措施。研究结论:(1)经过现场钻孔探查及地质雷达检测发现管片结构与围岩间盾尾间隙注浆不密实,出现不同程度的空洞,地层中地下水渗入,使得区间隧道结构悬浮于填充在盾尾间隙间的过水通道中;(2)隧道在施工荷载或其它随机作用的影响下,纵向刚度不足以抵抗上述作用,隧道结构出现漂移;(3)通过二次压注水泥-水玻璃双液浆,隧道结构盾尾间隙得以重新填充,隧道结构趋于稳定;(4)对应处理措施可应用于类似地铁盾构隧道工程。     

人行地道上跨地铁盾构区间隧道影响分析研究

地面基坑位于地铁区间隧道上方时,由于基坑开挖的卸荷作用会对下方地铁隧道的变形内力产生一定影响。以昆明某人行地道基坑上跨地铁盾构区间隧道为例,模拟基坑开挖过程,分析了各工况下基坑开挖对下卧地铁盾构隧道的变形和内力变化规律。分析研究表明基坑开挖会引起盾构隧道整体上浮,盾构隧道轴力、弯矩均有一定减小,剪力增大,但盾构隧道位移及内力的变化量相对较小,对地铁的安全运营影响较小。     

基于流固耦合理论下穿库区隧道围岩稳定性分析

以某下穿库区铁路隧道为依托工程,对比分析有无渗流场作用和不同水深条件下,隧道结构应力变化规律以及围岩变形、塑性区和渗流场的变化特性,同时还考虑隧道加固圈厚度和渗透系数对围岩稳定性的影响。研究结果表明:地下水渗流场对围岩变形影响较大,不仅能引起大范围的库底沉降,而且能增大隧道拱顶和拱腰的位移,并且能够减小仰拱的隆起量以及加剧围岩塑性区的范围;隧道的开挖能够对地下水孔隙水压力的分布形成明显的扰动,并且在两拱脚处渗流速度最大,最大塑性区位于横向临时支撑处;注浆加固圈能够改善围岩的受力,隧道最优注浆圈厚度在5m,并且当渗透系数小于围岩渗透系数的1/50时注浆圈加固效果不再明显。     

跨断裂地铁隧道地震动力响应特征研究

研究目的:活动断裂在我国分布较广,然而在长距离工程选线及设计中,线路往往会穿越或邻近活动断裂带。断裂粘滑作用常造成地震发生,加之地震动力作用下地铁隧道的地震响应和受力变形问题又是隧道设计的重点和难点,因此本文对地铁隧道跨越活动断裂进行地震荷载时程分析,从定量角度研究跨断裂地铁隧道地震动力响应特征。研究结论:(1)地表断裂位置处PGA放大系数最大,向两侧逐渐减小,具有典型的上盘效应;(2)地震作用改变了断裂附近隧道结构接触压力,在地震过程中,拱顶最大接触压力在上盘增大下盘减小,而拱底最大接触压力在上盘减小下盘增大,接触压力的主要变化范围在上盘40 m和下盘30 m范围内;(3)地震荷载下断裂附近隧道结构拱顶轴力在上盘增大下盘减小,而拱底轴力在上盘减小下盘增大,此外,在断裂位置处隧道结构弯矩和剪应力数值明显增大;(4)基于地震作用下跨断裂地铁隧道内力显著变化范围,给出了地震动力作用下跨断裂地铁隧道的纵向设防长度建议值为上盘40 m、下盘30 m,在此区域内应采取设置减震层、加固围岩和采用柔性接头等抗震设防措施;(5)本研究成果可为跨断裂地铁隧道抗震设防提供科学参考和理论依据。     

软土地铁车站接头结构在强地震作用下的响应研究

利用FLAC3D对典型地铁车站接头结构进行三维数值模拟,并考虑不同方向的地震波激励下的地铁车站接头结构的响应.结果表明:水平向和竖直向地震波耦合输入对地铁车站接头结构的轴力和剪力有利,但对于弯矩是不利的;接头处区间隧道断面竖直向变形大于水平向变形;竖直向地震波加速度输入时结构的加速度放大系数远大于水平向;土-结构体系在地震作用下,端墙与中板连接处的动土压力幅值最大;而车站端墙的动/静比值从端墙顶部到底部从大到小有规律变化.     

基于流固耦合的强度折减法研究地下水渗流对隧道稳定性的影响

为研究地下水渗流对隧道稳定性的影响,将基于流固耦合的强度折减法用于求解隧道安全系数。通过建立3种计算工况,分析地下水渗流、流固耦合计算模式对隧道安全系数的影响。利用流固间接耦合计算模式研究地下水水位对隧道安全系数和拱顶沉降的影响。结果表明:地下水渗流情况下隧道安全系数较不考虑地下水时降低20%左右,地下水渗流对隧道安全系数的影响不可忽略。流固间接耦合和完全耦合模式计算得到的隧道安全系数基本相同,而流固间接耦合模式所消耗的计算时间远小于完全耦合模式,建议采用流固间接耦合模式计算地下水渗流时隧道的安全系数。隧道安全系数随地下水水位升高有所降低,二者呈线性相关;地下水水位每升高10 m,隧道安全系数降低0.26。相同折减系数时,隧道拱顶沉降随地下水水位升高而增大。     

近场和远场地震动作用下双层竖向重叠地铁隧道地震反应特性

基于江苏省的地震环境,研究近、远场地震动作用下的双层竖向重叠地铁隧道的地震反应特性,并与单层地铁隧道的地震反应特性进行比较。结果表明:在近场地震动作用下上下层隧道之间的相互作用对隧道的相对水平位移差具有放大作用,而在远场地震动作用下双层隧道的相对水平位移差与单层隧道的基本相同;在近、远场地震动作用下,上层隧道的相对水平位移差要比下层的大得多;在近场地震动作用下存在隧道拱肩外侧的地震应力大于拱肩内侧地震应力的现象,而在远场地震动作用下地铁隧道拱肩内侧的地震应力值最大;在近场地震动作用下双层隧道下层的地震应力幅值要比上层的地震应力幅值大,在远场地震动作用下则相反;在近、远场地震动作用下双层竖向重叠地铁隧道底部的峰值加速度与浅埋或深埋单层隧道的基本相同。     

富水流塑软硬复合地层下地铁盾构隧道施工稳定性分析

以长沙轨道交通3号线一期工程地铁盾构隧道侧穿浏阳河大堤为工程背景,研究渗流作用下盾构隧道开挖对地表、地层及河堤变形的影响,进而提出变形控制方案,并通过实测数据对模拟结果进行验证。研究结果表明:由地下水上浮作用产生的隧道洞周围岩的竖向位移值占总位移值的20%～30%,在实际工程中该因素对隧道洞周围岩位移的影响不可忽略;未采取加固措施时,流固耦合效应下地表沉降不符合规范要求,提出三重管旋喷桩加固地层方案;采取加固措施后,通过对比发现未考虑流固耦合时隧道各关键部位的沉降值误差比考虑流固耦合时要大,这说明将考虑流固耦合效应的数值模拟作为隧道正式施工前的稳定性分析依据更加合理。     

富水地层盾构掘进下近接桩-土力学响应分析

基于富水地层透水性强、土层强度低等特性,运用盾构技术进行隧道施工造成的土层变形、临近桩体扰动等负面现象尤为突显。为探明渗流影响下由盾构掘进引起的孔压变化、桩-土响应规律,以某盾构隧道工程为依托,采用有限元数值分析方法,阐明盾构隧道在流-固耦合作用下的孔压分布、桩-土内力及位移发展形式。研究结果表明:(1)与未考虑地下水作用相比,渗流场影响下的桩体与地表土层沉降明显加剧,其沉降最大增幅分别达32.18%、31.95%;(2)盾构隧道下穿建筑桩基施工,对桩体内力值影响较大,桩体下部轴力沿埋深增长并产生负摩阻力,较大程度地抑制桩体性能发挥;(3)隧道防水失效下,周边围岩内部孔隙水压力于1倍隧道直径范围内呈现剧烈衰减,并沿水平向出现明显孔压降压带。     

深圳地铁重叠隧道近接施工影响的数值模拟分析

根据深圳地铁一期工程罗湖-国贸-老街-大剧院三区间隧道的地质条件及设计文献对重叠及交错地铁区间隧道,按不同净距分为先上后下及先下后上施工,采用FLAC分析软件,按平面应变问题模拟围岩、支护结构及开挖过程,对应力场、位移场进行了计算模拟分析,其结果供设计及施工参考.