外水压力作用下深埋公路隧道衬砌受力特性与安全性研究

随着环保要求的日益提高,针对富水隧道工程提出了"以堵为主、限量排放"的治水理念,因此在设计时应充分考虑山岭富水地段隧道衬砌结构的抗水压能力。文章以春天门隧道为工程实例,采用"荷载-结构"模型对全断面承压情况下的抗水压衬砌结构进行了分析,得到了隧道抗水压衬砌结构的受力特征。结果表明,采用近圆形衬砌结构形式,能够较好地承受外水压荷载;衬砌结构全截面受压,拱脚小半径连接处隧道衬砌结构轴力和弯矩最大,相应的安全系数较小,为结构的最薄弱处。     

施工冷缝条件下富水铁路隧道结构裂损模拟分析

为明确施工冷缝对富水运营隧道结构安全性的影响,文章以某典型铁路隧道病害为依托,运用FLAC3D软件建立仿真分析模型,研究有无冷缝、不同地下水头高度等因素对衬砌结构内力、安全系数及变形模式的影响规律。结果表明:该隧道病害不仅与地表集中降雨导致地下水位抬升有关,还与衬砌结构既有缺陷(施工冷缝)存在明显关系;施工冷缝的存在不仅会改变原有衬砌承载模式,导致有冷缝侧轴力明显增大,弯矩存在突变,还会引发衬砌结构变形模式的变化,致使衬砌结构易沿冷缝面发生错动滑移,出现局部衬砌向内弯折变形破坏。     

局部水压作用下单线铁路隧道衬砌设计参数研究

隧道运营后衬砌开裂的主要原因之一是由于衬砌受到了较大的局部水压作用。为解决局部水压显现明显地层中衬砌设计依据不足的问题,文章采用现场试验和数值模拟手段,研究局部水压作用下铁路单线隧道标准设计图的Ⅱ级围岩曲墙带底板衬砌形式和Ⅲ级围岩曲墙带仰拱衬砌形式的受力特征和安全性,并对衬砌安全系数提高措施的作用效果进行分析,提出了局部水压作用下衬砌的设计参数。研究结果表明:衬砌各部位的安全系数分布较离散,衬砌受局部水压作用的部位是薄弱部位;采用增大衬砌厚度和增加钢筋量的措施可明显提高钢筋混凝土衬砌的安全性,提高混凝土等级措施不能提高衬砌安全性;曲墙带仰拱衬砌的安全性明显优于曲墙带底板衬砌,通过增大衬砌厚度和增加钢筋量的措施,曲墙带底板衬砌最大能承受0.2 MPa水压,曲墙带仰拱衬砌最大能承受0.5 MPa水压力,在较大水压力作用下建议优先采用增大曲墙曲率的方法提高衬砌的安全性。     

抗水压多层衬砌分析模型及其应用研究

隧道穿越岩溶多发地段时易承受较大水压荷载作用,相对传统的复合衬砌,抗水压多层衬砌可设置二道防水板,保证了衬砌的施工质量。基于此,文章提出了抗水压多层衬砌的分析模型,通过实例分析得出,内、外层衬砌间仅压弹簧的弹簧刚度系数增加时,内、外层衬砌弯矩基本不变,外层衬砌轴力减小,偏心距增大;内层衬砌轴力增加,偏心距减小。当水压荷载增加时,衬砌拱顶由大偏心受压状态变成小偏心受压,再逐渐逼至抗压极限承载状态,安全系数先增后减;拱腰、边墙处逐渐逼至抗压极限承载状态,安全系数逐渐减小;拱脚、仰拱处由小偏心受压状态变成大偏心受压状态,安全系数逐渐减小。     

相邻隧道扩挖施工影响分析

采用现场实测和数值计算方法,对乌鞘岭志留系地层板岩夹千枚岩地段左线隧道扩挖施工引起右线隧道的围岩状况和既有支护结构的受力变化进行分析。结果表明,两相邻隧道在不同施工阶段进行导洞开挖和扩挖前后存在一定程度的群洞效应作用,扩挖施工引起右线隧道向左线隧道产生了较小的侧移;在左线隧道扩挖后,右线隧道既有衬砌的接触压力、结构轴力和弯矩均有明显增大,但衬砌结构的安全系数均满足规范要求,处于安全状态。     

基于改进蝙蝠算法的钢筋混凝土箱梁桥截面优化设计研究

桥梁截面尺寸参数改变会影响结构的整体重量及受力性能,在保证结构受力合理的前提下优化截面参数,可节约成本。文章基于改进的蝙蝠算法,结合有限元模型,对某已建钢筋混凝土箱梁桥截面进行优化设计,对比分析优化前后参数、挠度等数据变化情况。研究结果表明:改进蝙蝠算法改进了原始算法多样性不足、易于陷入局部最有解的缺陷;截面设计优化后,箱梁总体结构重量减少了9.2%,结构刚度有些许降低,挠度结果影响较小;优化后的桥梁整体结构安全可靠,使用阶段承载力满足要求。     

卸载工况下盾构隧道结构承载性能数值模拟分析

周边卸载导致的隧道横向大变形对地铁的正常运营与安全使用产生严重影响,对于隧道结构从周边卸载开始直至破坏的全过程,需要发展一种高效并能保证精度的数值模拟方法。文章首先进行不同接头刚度下衬砌环的内力及变形数值分析,表明管片接头刚度值对衬砌环轴力分布及大小影响很小,可以先使用相对简单的等刚度圆环法计算得到管片接缝处的轴力值,再将此预分析轴力值作为确定接头抗弯弹簧弯曲刚度曲线的轴力值,用三维直梁实体单元进行精细分析得到不同轴力下的管片接头抗弯刚度模型。最后将接头抗弯刚度模型参数赋给二维梁-弹簧模型中的弹簧参数,运用二维梁-弹簧法计算得到衬砌结构各级荷载下的内力和变形。该方法得到的数值模拟结果与试验结果一致,全过程数值分析表明:在侧向压力卸载过程中,接头截面处弯矩不断增大、轴力不断减小,各接头处抗弯刚度快速下降,最终结构达到破坏状态。     

岩溶区连拱隧道二次衬砌的受力特征分析

在宜叙高速石人山岩溶双连拱隧道施工期间,曾预报并揭露侧面溶洞,类似工程报道较为罕见,给隧道施工带来一定的安全隐患。本文利用FLAC3D设计并实施二维数值试验,模拟双连拱隧道在侧面溶洞的影响下的开挖过程,对二次衬砌的结构内力(弯矩、轴力)进行了分析,结果表明:侧面溶洞对二次衬砌的弯矩有显著的影响,右洞内拱腰、右洞外拱脚、左洞仰拱和右洞仰拱处的弯矩值有明显的增大,对二次衬砌的轴力的影响主要集中在左右洞的拱脚和拱腰处。该研究可以指导二次衬砌的合理设置,降低衬砌破坏的概率,避免经济、材料的浪费。     

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。     

地铁暗挖隧道二次衬砌水头控制值及影响因素研究

文章结合广州某地铁暗挖隧道二次衬砌结构特点,通过三维数值模拟,研究了外水压力作用下二次衬砌的渐进性破坏过程。获得了二次衬砌各受力阶段对应的水头控制值,并针对影响二次衬砌水头控制值的相关因素进行了参数敏感性分析。根据现场检测结果,分析论证了某暗挖地铁隧道二次衬砌结构出现局部垮塌事故的主要原因。研究结果表明:广州地铁常规单线暗挖隧道二次衬砌的起裂开裂水头为30 m,水头大于47 m后裂缝深度将超过保护层厚度,大于74 m后混凝土压碎,大于90 m后钢筋屈服,大于95 m后裂缝贯通截面;为保证二次衬砌的耐久性,水头控制值应设定为47 m;对二次衬砌进行合理配筋并确保二次衬砌厚度,可有效提高二次衬砌的水头控制值;某隧道二次衬砌出现局部垮塌事故的主要原因为较高外水压力作用下二次衬砌厚度严重不足所致。     

隧道衬砌脱空及厚度不足的原因分析与防治措施初探

隧道衬砌脱空及厚度不足是隧道施工及运营过程中常见的质量缺陷,存在极大的质量安全隐患。基于此,文章从隧道开挖、初期支护、防水板施工、模板安装、混凝土浇筑及养护质量等方面进行了分析和总结。结果表明,影响隧道二次衬砌脱空的因素涉及隧道施工的各个环节,必须从各环节加以严格管控;带模注浆、及时进行第三方检测以及改进衬砌混凝土施工工艺和研究开发新材料新设备对防治隧道衬砌脱空及厚度不足具有明显的效果。     

水库蓄水后对既有傍山铁路隧道运营安全的影响研究

针对水库蓄水后将对既有傍山铁路隧道的运营安全产生影响的问题,文章通过数值方法,分析了横江干流盐津-杨柳滩五级水库对内昆铁路水(富)-盐(津)段麻石山隧道安全性的影响,对比了水库蓄水前后隧道二次衬砌内力、安全系数的变化规律,给出了隧道结构需要加固或防护的依据,对今后的水库建设有指导作用.     

隧道衬砌缺陷防治技术研究

隧道衬砌缺陷主要包括厚度不足、空洞、开裂、掉块、渗漏水等,对铁路隧道运营安全的危害极大。文章结合现场施工情况,对衬砌缺陷产生原因进行了分析研究,提出了克服衬砌缺陷防治的技术措施,并在施工现场进行试验和检测。结果表明,该技术措施可靠,防治效果良好,达到了"以防为主,防治结合"的目的。     

活性粉末混凝土偏压构件受力性能试验研究

为探讨RPC材料应用于隧道管片结构中的可行性,文章通过22根活性粉末混凝土(PRC)构件的大偏心受压试验,确定了不同截面尺寸、配筋率以及有无钢纤维条件下RPC偏心受压构件的承载特性,得到了各级荷载条件下试验柱的整个截面的应变分布特征。研究结果表明,偏心荷载作用下RPC偏心受压试件截面应变符合平截面假定,采用RPC材料制作隧道管片结构时,其厚度可有较大幅度的降低;试件截面厚度对其承载力的影响最为显著;由于RPC材料本身的抗拉、压强度较高,钢筋在RPC偏压结构中所起的作用逐渐减弱,RPC结构可适当减少其配筋量。     

基于离散元强度折减法的大跨隧道稳定性研究

节理面作为岩体中普遍存在的软弱结构面,对隧道围岩的稳定性影响较大,在节理较多的大跨隧道施工中,更容易发生拱顶掉块、塌方、滑移等灾害。基于此,文章依托贵阳市南垭路三号隧道,基于离散元强度折减法,采用3DEC软件对不同节理倾角、间距、组数以及衬砌参数情况下的隧道安全系数进行分析,评价了各因素对隧道稳定性的影响。结果表明:节理倾角越大、分布越密集、节理组数越多,隧道的整体稳定性越差;在单组节理的岩体中,节理倾角是影响隧道稳定性的主要因素;喷混凝土层对隧道的整体稳定性提升显著,10 cm厚喷层即可比裸洞的安全系数提高17.9%,并据此提出了隧道衬砌参数的优化建议。     

远场静水压力作用下深埋隧道双层叠合衬砌合理组合形式及力学变形特性研究

针对深埋长大隧道传统复合式衬砌结构在遭遇高水头地下水威胁的问题,研究了双层叠合衬砌方案,该方案采用"结构一分为二、两道防水设防"的设计理念,既能克服大体积混凝土施工的困难,又可以解决二次衬砌结构渗漏水的弊病。文章以青岛地铁1号线过海隧道为工程依托,借助ANSYS有限元计算软件,对双层叠合衬砌的合理组合形式及力学变形特性进行了分析,结果表明:叠合衬砌内力分配与内外层结构刚度比有关,刚度越大则内力越大,当内外层结构刚度比为0.716时,t_A=0.95 m和t_B=0.85 m为最优叠合衬砌厚度组合;隧道结构各控制截面的风险排序为仰拱拱脚拱顶;叠合衬砌在外水压力作用下,内外层衬砌变形是相互协调的,仰拱结构变形对刚度比、外水压力量值均较拱顶、侧墙更为敏感;叠合衬砌组合形式是受结构承载力控制而不是受变形控制;最优叠合衬砌组合在外水压力小于1.2 MPa时,结构安全性同样受承载力控制。     

土质浅埋隧道设计基本问题探讨

隧道工程作为特殊的岩土工程,现有资料缺乏对隧底受力变形的研究。土质浅埋隧道由于承载力较低,受力后变形较大,明确其基底承载力及变形机理具有重要的工程实际意义。本研究借用建筑基础设计方法,对隧道基底承载力和变形问题进行了探讨,提出了土质浅埋隧道基底承载力及基于弹性压缩变形的基底变形计算公式。对隧底承载力计算分析结果表明,一般情况下,隧底不存在承载力不足的情况;同时针对隧底不同时期沉降对隧道工程的影响,可采用不同的控制措施:二次衬砌施作前基底沉降不予处理,二次衬砌基底变形采用预留安全空间处理,工后沉降按路基沉降标准控制。     

上坪格隧道塌方原因分析及处治措施研究

针对福建省漳永高速公路上坪格隧道塌方案例,文章在分析其塌方机理的基础上提出了相应的工程处治措施,并采用荷载-结构法对变更后塌方段初期支护和二次衬砌强度进行了验算。分析结果表明:不良地质、较差施工质量和不合理开挖工法是导致隧道塌方的主要原因;在塌方荷载作用下,初期支护和二次衬砌弯矩较大值发生在拱顶、左右拱腰、左右拱脚和仰拱部位,这些部位在施工中应给予足够的重视;初期支护危险截面的最小安全系数为1.93。二次衬砌危险截面的最小安全系数为2.43。均大于国家隧道规范规定值,满足工程安全性要求。     

新隧道爆破开挖对邻近隧道的影响分析

通过建立静力模型模拟既有隧道衬砌的现有受力状态并分析新隧道开挖时引起既有隧道的衬砌应力重分布;然后建立动力模型分析新隧道爆破时应力波在既有隧道二次衬砌中引起的应力状态;将静力模型和动力模型中隧道衬砌的应力进行矢量叠加,评判新隧道爆破开挖对既有隧道的影响。结果表明新建隧道爆破开挖对既有隧道的应力分布有较大影响,使得既有隧道二次衬砌近新隧道侧边墙处拉应力达到1.57MPa,超出混凝土抗拉强度,建议对新隧道施工采取必要的控制措施,从而保证既有隧道的安全。     

矩形断面盾构隧道在火灾高温作用下的力学性能研究

矩形断面盾构隧道以其显著的空间利用优势得到了越来越多的应用与推广,但其特殊的断面型式也导致了衬砌结构内力的不合理分布,往往需要专门设计承载力较高的复合管片及接头构型,而且一旦在矩形断面盾构隧道中发生升温速率快、峰值温度高的大型火灾,以复合管片为基本单元的衬砌结构在火灾高温作用下极易劣化,严重威胁结构安全。文章以上海市某大断面矩形盾构隧道为工程背景,基于不同量级的火灾温升曲线建立了相应的热-力耦合有限元模型,讨论了衬砌结构的温度场、位移场及应力场分布。研究表明,导致矩形盾构隧道不满足正常使用极限状态的温度量级在Tem400左右;而导致结构不能继续承载的温度量级在Tem600左右。