不同应力场软弱围岩隧道施工力学特征的数值分析

岩体内部的初始应力及隧道开挖后的围岩应力是隧道工程的关键影响因素,为了更全面地了解不同应力场软弱围岩公路隧道施工的力学特征,建立有效的有限元模型,采用不同加载方式,模拟不同应力场,对软弱围岩公路隧道施工过程中隧道围岩位移和应力变化特征及其影响范围进行了详细分析,并对衬砌结构的受力特征进行深入研究.结果表明:不同应力场决定了隧道施工过程中围岩塑性区的大小和位置,这也就决定了隧道施工中重点监控的位置;在不同应力场隧道开挖完成后,拱上20 m水平面围岩竖向位移、拱上中心线围岩竖向位移及仰拱底围岩竖向位移随着侧压力系数的减小而明显增大,拱腰处围岩水平位移则随着侧压力系数的减小而明显减小;应力场对衬砌结构的内力影响很大.     

不同应力场下软弱围岩公路隧道的力学特征试验

运用自行研制的用于地质力学模型试验的隧道开挖工具,系统地开展了基于先加载后开洞思路的不同应力场公路隧道模型试验,研究了开挖对不同应力场公路隧道围岩应力分布的影响,分析了不同初始应力场公路隧道结构的受力特点.试验结果表明:隧道开挖后,不同应力场洞周各部位径向压力松弛程度不同;施作衬砌之后,不同应力场洞周各部位径向压力回升程度也不同;除在拱顶、拱底方向围岩与衬砌接触压力随着侧压力系数的增大而略有减小外,其他各方向均随侧压力系数的增大而增大,且影响较明显;应力场对衬砌结构切向应力影响也很大.     

不同应力场软弱围岩公路隧道结构安全性数值分析

针对目前隧道衬砌结构在运营中出现较多病害的现状,运用数值计算手段,建立三维有限元数值模型,对不同应力场软弱围岩公路隧道结构安全性进行了评价,详细研究了衬砌结构在不同应力场作用下出现裂缝时的应力和变形,研究结果表明:不同应力场,隧道衬砌结构均先在拱脚处出现裂缝;随着侧压力系数的增大,衬砌结构承载减小;拱脚处应作为隧道结构长期安全性应力监控的重点;另外,在λ为0.5、1.0的应力场中,边墙处压应力值也较大,而在λ为1.5的应力场中,拱顶处的压应力值较大;隧道结构在长期安全性变形的监控中,在λ为0.5的应力场中,边墙、拱顶处应重点监控;在λ为1.0的应力场中,拱肩、拱顶处应重点监控;在λ为1.5的应力场中,拱腰、拱顶处应重点监控.     

含水率差异对膨胀性红黏土隧道施工力学行为的影响

膨胀性红黏土因其特殊的水敏性,使得自身遇水膨胀,是造成隧道围岩失稳的重要原因。 为建立含水率与膨胀率的关系,从 而明确含水率变化对大断面膨胀性红黏土隧道及支护结构受力变形的影响,以银西高铁庆阳膨胀性红黏土隧道为研究背景,通过 现场监测确定围岩含水率波动范围;结合室内试验建立含水率与膨胀性和抗剪强度的对应关系;将土体含水率变化条件下的膨胀 关系同材料受热膨胀特性进行联系,利用ABAQUS内置的温度应力场模拟湿度应力场,分析不同含水率作用下隧道围岩压力、衬砌 结构内力与变形量值的重分布规律。 结果表明: 开挖后不同含水率最终趋于饱和时,随着初始含水率的降低,围岩及支护结构受 力增大,仰拱与拱脚处相对位移提高,拱顶、拱腰与边墙处相对位移降低,整体安全系数逐渐降低;对开挖后洞周平均含水率20.7% 而言,最终趋于饱和时围岩压力安全系数为2.2,衬砌安全系数为1.1,围岩相对位移为0.97%;相比于围岩压力和衬砌结构受力, 含水率变化对洞周围岩变形影响最大;基于特殊地质情况,建议将隧道预留变形量提至150~180 mm。     

大干溪I号隧道衬砌水压力分析

在岩溶富水地段,隧道衬砌实际上处在围岩应力场和渗透渗流场双场之中,渗流场的存在会导致围岩自稳能力降低,从而增加了围岩对衬砌的压力,同时渗流场的存在也会对隧道衬砌产生了渗透压力,研究了大干溪Ⅰ号隧道衬砌水压力,探讨了在渗流场和围岩应力场相互耦合作用下衬砌内力的变化情况,对富水段隧道衬砌的设计和施工有一定的借鉴意义。     

含水量对季节性冻土区隧道衬砌开裂影响分析

针对我国西北地区一些受季节降雨作用影响明显的季节性冻土隧道,运用传热学和有限元的基本理论,建立ANSYS有限元模型,对不同含水量围岩的温度场、应力场进行模拟研究;探讨含水量对围岩冻结圈范围及冻胀力对衬砌结构体系的影响.计算结果表明:随着含水量的增大围岩的冻结圈变小,冻结深度减小;隧道衬砌内力,随着含水量的增大整体上呈增大趋势; 隧道边墙处拉应力均较大,如当含水量为20 %时,边墙拉应力达到5.6 MPa,这与隧道边墙呈现沿纵向延伸的张拉裂缝相符.依据上述结论,含水量变化对季节性冻土隧道衬砌开裂有较大影响,建议二次衬砌尽量避免采用素混凝土衬砌.     

大断面浅埋小净距隧道衬砌计算研究

通过对浅埋小净距隧道围岩压力的计算进行分析,得出隧道围岩压力的计算公式。以白山大断面小净距隧道为例,采用荷载结构法对隧道衬砌进行了检算,得出衬砌安全系数,并与规范值进行对比,以此评定隧道衬砌设计的合理性,对大断面浅埋小净距隧道的设计有一定的指导意义。     

粉砂岩隧道支护结构稳定性现场试验研究

支护结构稳定性是粉砂岩地层大断面隧道修建过程中的科学问题。以贵州高速公路大院隧道为依托,现场量测掌子面岩体信息,绘制极点、节理密度和赤平投影;通过现场试验,研究隧道围岩变形特性、支护结构力学响应。粉砂岩地层扁平大断面隧道变形以拱顶沉降为主,二次衬砌及早施作,有效地控制围岩大变形和坍方。围岩压力分布基本呈现"上大下小"特点,比较现场实测值与比尔鲍曼理论、谢家烋理论、普氏理论、泰沙基理论和铁路隧道设计规范计算值,推荐比尔鲍曼理论作为粉砂岩大断面隧道围岩压力计算公式。建议取消拱部锚杆,采用带有注浆性质的锚管,提高粉砂岩节理面强度。拱部衬砌处于抗拉控制大偏心状态,应加强拱顶内侧、拱脚外侧配筋。     

衬砌背后空洞对隧道结构承载力影响的模型试验研究

在隧道的建设过程中,因地质条件、施工等因素的影响在衬砌背后留有空洞的现象是比较普遍的,为了研究这种隧道病害对衬砌结构承载力造成的影响大小及对不同病害工况条件下衬砌结构受力破坏特征,通过对重庆某高速公路隧道典型断面因施工或环境原因造成二衬背后空洞的结构缺陷．睛况,在室内采用几何比为1：25的大比例模型试验,全面研究结构在不同围岩条件下、不同空洞位置以及不同地应力场（塑性地压、偏压及围岩松弛的垂直地压）作用下,隧道产生病害的形式、规律以及承载力的大小。同时采用相同的补强形式加固隧道结构,再进行破坏试验,最终得出空洞对结构承载力的影响是明显的,相同条件下,围岩类别越高,其承载能力越大,空洞对水平应力敏感,在水平应力为主应力时,拱顶空洞的影响大于拱腰空洞的影响;竖直应力作用为主的地应力场,产生病害时对应的竖直荷载高低排序为：无缺陷时最高,中等空洞最低。     

大断面公路隧道二次衬砌受力特性模型试验

为研究大断面公路隧道运营期二次衬砌受力特征,开展室内相似模型试验,采用主动加载方式模拟隧道在运营过程中承受的围岩压力,对3车道和加宽带2种断面二次衬砌受力、变形及破坏规律进行研究。试验结果表明： 1）按规范设计的大断面隧道衬砌结构在设计荷载作用下内力和变形均较小,结构具有较高的安全储备; 2）衬砌各截面内力（弯矩、轴力）随围岩压力的增加呈现先慢后快的增加趋势,偏心距则呈现逐渐减小的变化趋势; 3）开挖断面越大,内力控制截面越多; 4）开挖断面大小对衬砌变形及破坏形态也有一定影响,断面越大,拱顶、边墙变形越大,衬砌各部位开裂荷载差异越明显,且衬砌开裂过程持续时间越长。     

不同围岩和埋深条件下土-结构接触界面对衬砌结构横向地震响应特性的影响分析

土与地下结构在强震作用下易发生错动滑移,会对地下结构的抗震性能产生较大影响。为确保隧道的长期安全性,运用有限元分析方法研究不同围岩和埋深条件下土-结构接触面对盾构隧道衬砌结构横向地震响应特性的影响。结果表明： 1)随着土质条件的提高,无论土-结构接触界面有无考虑错动滑移情况,隧道衬砌结构的轴力极值均显著增大,而剪力和弯矩极值均显著减小,且由土-结构接触界面错动引起的隧道衬砌结构动内力变化幅度显著减小; 随着隧道埋深的增加,由土-结构接触界面错动引起的隧道衬砌结构动内力变化幅度逐渐减小。2)考虑土-结构接触界面错动滑移时,随着土质条件的提高和隧道埋深的增加,隧道衬砌各部位水平滑移量均逐渐减小。3)当隧道围岩条件较差或埋深较浅时,隧道衬砌结构的横截面抗震设计应充分考虑土-结构接触界面对隧道抗震性能的影响。     

超大断面越江盾构隧道结构设计与力学分析

介绍了三车道公路超大断面越江盾构隧道结构的详细设计过程,包括内净空布置、衬砌结构形式与厚度、管片分块和幅宽以及拼装方式等;采用梁-弹簧模型模拟管片衬砌结构,并借助于有限元数值模拟方法进行了隧道结构的力学特性分析。结果表明:在不同的拼装方式下,管片衬砌结构的力学特性是不相同的;通缝拼装时,管片结构的变形较大,弯矩最小;错缝拼装则相反,轴力变化不大;同是错缝拼装,随着K块位置的不同,其力学特征也不相同。     

基于有限元对某复工隧道初衬的安全性分析

依托某停工达6年的高速公路隧道工程,基于复工初衬病害检测,运用ANSYS有限元软件建立适于该隧道初衬病害及缺陷的模型,分别从初衬背后存在空洞、钢拱架锈蚀、喷射混凝土的厚度不足及开裂等缺陷病害对隧道V级围岩段初衬结构的安全影响进行了模拟分析。结果表明:隧道初衬结构中,病害缺陷处存在应力集中情况,初衬结构最大主应力随着各种病害的发展逐渐增大;初衬结构拱顶沉降变形随着钢拱架锈蚀、喷射混凝土的开裂及厚度不足病害缺陷的发展逐渐增加;隧道初衬结构的不同程度病害缺陷对其安全系数的影响呈非线性。应对病害加以治理,确保隧道     

黄土公路隧道衬砌断面型式的仿真分析

通过数值仿真,分析了单心圆、尖三心圆、坦三心圆3种隧道衬砌结构型式的结构各部分的力学性状,比较了各衬砌断面型式的优缺点,经综合比较,给出了较为合理的黄土公路隧道的衬砌断面型式。研究结论可为今后合理地设计隧道衬砌结构提供可靠的依据。     

盐渍土地层隧道底部衬砌厚度缺陷对衬砌安全性影响分析

盐渍土地层隧道在运营期间底部结构产生的病害层出不穷,隧底的病害缺陷直接影响衬砌结构承载力。在全面调查新疆某隧道底部病害的基础上,运用ANSYS软件建立“荷载-结构”模型,改变隧底不同位置的衬砌厚度值,模拟衬砌厚度缺陷,分析典型截面安全系数的演变规律。结果表明:墙脚作为应力集中的部位,是隧道衬砌受力的最不利部位;隧底厚度缺陷值,围岩条件直接影响隧道衬砌结构的安全性能。拱顶安全系数随隧底厚度缺陷的增加而增大;左墙脚、右墙脚同时发生厚度缺陷时,拱顶安全系数上升最明显。     

公路隧道衬砌背后空洞积水冻胀的力学简化模型研究及误差分析

为解决高寒地区公路隧道衬砌背后积水冻胀问题,针对特定的环向长条形空洞,建立了2种不同的简化计算模型,即将衬砌结构简化为拱脚为铰支座约束和弹性固定端约束的半圆拱模型。采用荷载-结构法,推导衬砌结构在冻胀力作用下的内力公式,利用MATLAB计算不同参数下的理论值,并绘制内力变化曲线,确定整个衬砌结构在空洞不同大小时的内力分布规律。计算结果表明： 冻胀力引起的衬砌弯矩和轴力极值位于不同的衬砌位置,仅仅考虑弯矩或轴力对衬砌的影响具有一定的误差。对衬砌背后冻胀力的内力影响规律以及2种简化模型的误差进行定量分析,为公路隧道施工和运营维护提供了一定的参考价值。     

基于层次-可拓（AHP Extenics）模型的既有隧道衬砌结构病害评价

为解决既有隧道衬砌结构病害威胁交通安全、影响交通质量和使用寿命等问题,从工程施工、自然环境和工程地质3方面共13个独立的既有隧道衬砌结构病害影响因素入手。首先,采用层次分析法（AHP）建立既有隧道衬砌结构病害形成因素指标体系,提出基于层次-可拓（AHP Extenics）模型的既有隧道衬砌结构病害评价方法; 然后,结合工程实际和专家打分确定病害评价指标权重,进而利用相关函数对病害评价指标和权重进行可拓运算; 最后,得出既有隧道衬砌结构病害评价等级。该方法采用形式化的可拓综合评价模型替代传统的模糊综合评价法,以定量的形式给出定性分析结果,使计算结果更加客观,为既有隧道衬砌结构的病害评价提供了一种新方法。     

高地热环境隧道衬砌结构受力特征模型试验研究

随着我国交通事业的发展,深埋高地热条件下的长大隧道越来越多。地热温度不仅对衬砌结构的受力特征有影响,而且会影响隧道结构的耐久性,但目前国内对高地热环境下隧道力学行为的研究有限。针对以上问题,以拟建的高地热环境下的高黎贡山隧道为工程背景,采用室内相似模型试验,通过逐步改变温度的方式,得到不同温度下隧道衬砌结构各部分受力特征和变化趋势： 1）在地热温度作用下,隧道衬砌结构产生内力重分布,即在一定温度范围内,轴力基本随温度呈线性增长;弯矩总体上变化不明显,拱项部位弯矩随温度升高呈降低趋势,其他部分则呈相反变化趋势。2）衬砌结构的拱脚位置受温度影响最明显,应作为设计与施工时的重要控制部位。3）在温度荷载作用下,支护结构的整体安全储备（安全系数）明显降低。     

活动断层粘滑错动条件下地铁隧道结构的受力特性分析

为探明拟建的乌鲁木齐轨道交通1号线在主城区通过九家湾断层粘滑错动条件下地铁隧道结构的受力特性,基于断层形成机制与连续介质分析方法,建立表征围岩与支护结构共同变形关系的地层结构模型,研究不同构造条件下隧道衬砌结构横向内力分布、纵向受迫影响效应,分析整体式隧道衬砌结构的内力、变形及塑性区分布规律。     

浅谈隧道衬砌水荷载问题

关于处在渗流场中的隧道衬砌所受的水荷载,不同的规范有着不同的规定,有的按静水压力来计算,忽略渗流的影响;有的则认为因为隧道的排水消除了作用在衬砌上的外水压力,所以结构不受水荷载作用;有的则比较折中,将静水压力乘上一个折减系数作为作用在衬砌外边线上的计算水压力。为了明确水荷载概念,根据笔者的实际经验,对衬砌在不同透水性的情况下所受到的水荷载进行分析。从而进一步明确作用于衬砌背后的水荷载问题及其变化规律。