地震作用下隧道衬砌背后空洞影响机制研究

研究目的:由于隧道衬砌背后空洞的存在对隧道抗震影响很大,本文以高烈度地震区的敦煌-格尔木铁路阔克萨隧道为研究背景,研究隧道衬砌背后空洞位置、空洞大小、围岩级别和隧道埋深等因素对隧道结构的地震动力响应规律及影响机制,并提出合理的加固方案,确保地震作用下隧道运营安全。研究结论:(1)空洞的存在降低了衬砌结构的变形性能和抗震特性;(2)对空洞隧道拱顶最大主应力影响最敏感的因素是围岩级别,其后依次为空洞环向大小、空洞位置、空洞径向大小和空洞轴向大小,而隧道埋深则是最不敏感的因素;(3)回填注浆加固方案可降低隧道衬砌的拉应力,改善衬砌的内力和应力分布,回填注浆+套拱加固方案要比回填注浆+锚杆方案作用效果好,回填注浆+锚杆+套拱组合加固方案抗震效果最佳;(4)本研究成果对隧道衬砌背后存在空洞时在地震作用下的空洞影响机制和加固方案选取具有一定的指导意义。     

地震对交叉隧道影响机制及抗震方案研究

研究目的:因立体交叉隧道会同时受到来自入射、反射、绕射等地震波导致的震动,其所受影响相比一般隧道而言更大。因此,对立体交叉隧道受地震荷载作用下隧道结构动力响应规律进行定量分析,分析确定影响隧道结构主应力各因素敏感性,从而优化抗震方案。研究结论:(1)对立体交叉隧道净距、围岩级别、隧道埋深等因素对隧道结构加速度、应力以及位移的响应规律进行定量分析,得到隧道净距、埋深的增大和围岩变好对交叉隧道的抗震有利;(2)地震作用对交叉隧道的上跨隧道和下穿隧道影响敏感性大小都依次是围岩级别、隧道净距和隧道埋深;(3)改变隧道衬砌混凝土的强度抗震方案效果不明显,设置隔震层效果显著,但增加隔震层厚度对抗震影响较小;(4)本研究成果可为立体交叉隧道在地震荷载作用下的抗震设计提供指导。     

强震区围岩局部缺陷对隧道衬砌受力影响分析

研究目的:已有震害调查表明,围岩施工塌方引起的局部缺陷段在地震作用下均出现了不同程度的二衬剥落、错台、整体垮塌等震害,而国内外隧道相关规范多关注洞口和断层的结构抗震问题,对围岩局部缺陷段关注甚少。因此有必要深入探讨围岩局部缺陷条件下隧道结构震害特征及参数敏感性,以期为强震区围岩缺陷段设计及施工处置提供理论参考。研究结论:(1)围岩局部缺陷几何尺寸的增大不会改变动峰值加速度PGA、主应力、内力响应频谱变化规律,但会不同程度增大隧道衬砌主要部位PGA、主应力峰值和内力峰值大小;(2)局部缺陷位置变化(拱顶、拱肩、拱腰)具有显著的"局部区域特性",但无论缺陷位于什么部位,拱肩、拱顶均为薄弱部位,实际工程应对相应位置抗减震措施设置予以重视;(3)围岩状态越差、埋深越浅,越不利于隧道衬砌结构抗震;(4)围岩局部缺陷影响因素(缺陷位置p、围岩级别s、隧道埋深h、环向角度θ、径向长度l、轴向长度b)对隧道衬砌结构动力响应影响敏感性强弱关系为:缺陷位置p围岩级别s轴向长度b环向角度θ径向长度l埋深h。     

水平层状围岩隧道稳定性及破坏机理研究

研究目的:水平层状砂质板岩隧道围岩施工稳定性是一个难点,为研究水平层状砂质板岩围岩隧道在不同影响因素下的安全稳定性,本文以同马山隧道工程为依托,对水平层状砂质板岩隧道的稳定性及破坏机理进行研究。研究结论:(1)随着岩层厚度减小,洞室爆破开挖后成形困难程度增加,拱顶塌落范围增大,边墙、拱顶等位置破碎程度增加;(2)随着岩体坚硬程度及层理面结合程度降低,洞室由边墙部位发生轻微破坏到整体发生较大变形,成形困难,其中层理面对隧道洞室成形影响的最大段落是破碎带和裂隙带;(3)洞室失稳破坏是围岩压力与爆破动载共同作用的结果,拱顶与边墙处最易发生破坏,拱顶处破坏程度最大,边墙次之,拱腰处最小;(4)本研究成果可为水平层状围岩隧道的建设提供参考。     

考虑相变和围岩含水裂隙的隧道冻胀力研究

研究目的:为掌握寒区隧道冻胀力特征,以2022年冬奥会重大交通保障项目金家庄特长螺旋隧道为依托,通过室内试验、温度测试和COMSOL数值模拟相结合的方法,建立仅考虑围岩冻胀的计算模型,研究相变潜热和围岩含水裂隙对衬砌结构和围岩内力的影响。研究结论:(1)考虑相变潜热能减少衬砌结构内力,相变潜热对衬砌结构冻胀内力的影响随着计算时间的增加愈加明显;(2)含水裂隙使初期支护的最大拉、压应力增大,而使二次衬砌的最大拉、压应力减小,且对初期支护的最大拉、压应力影响明显大于二次衬砌结构,相对于无围岩裂隙,含水裂隙的存在推迟了衬砌结构应力出现的计算时间并使围岩各截线位置的第一主应力变化规律由W型转变为V型;(3)相变潜热和含水裂隙对衬砌结构的最大拉、压应力位置,衬砌结构和围岩的主应力分布规律及量值大小均有一定影响,实际工程中应注意减小围岩裂隙对结构的影响;(4)本研究结论可为类似高寒地区相变潜热和围岩含水裂隙对隧道冻胀力的影响大小提供借鉴或参考。     

大断面膨胀土隧道结构受力特性测试研究

研究目的:大断面隧道因其跨度大、形状偏于扁平,在施工过程中表现出独有的力学特点,经常造成围岩大变形侵限、区域性塌方、底鼓和支护结构开裂等施工风险,而这些特点在膨胀土环境中表现的尤为明显,因此研究大断面膨胀土隧道支护结构受力特性具有重要的工程应用意义。本文以银西线庆阳隧道为工程背景,首先通过室内试验确定红黏土围岩的膨胀参数,然后利用现场监测手段对庆阳隧道支护结构的力学特性进行研究,并评价其支护结构受力性能,以期对同类隧道施工起到一定的指导作用。研究结论:(1)隧道膨胀土最大膨胀率为67%,最大膨胀力达到67.42 kP a,施工过程中应加强超前地质预报,尽可能减少水害对施工的影响;(2)隧道拱顶、两侧拱腰及底部具有较大围岩压力,围岩压力呈对称分布,初支闭合后拱顶附近围岩压力基本稳定,但两侧拱腰及仰拱位置围岩压力持续增大;初支闭合后钢拱架受力持续快速增长且受力基本对称,隧道上部初支内钢拱架受力始终较大,拱顶钢拱架应力最大达到1.46 MPa;(3)二衬施作后,初支仍存在一定变形,二衬左右两侧衬砌压力增长显著,二衬两侧拱脚位置混凝土应力增大明显;(4)本研究成果可为大断面膨胀性隧道设计优化和安全施工提供理论指导与科学依据。     

倾角对土砂互层地层围岩稳定性的影响探究

研究目的:全风化红砂岩和砂质黄土互层地层在我国有较广泛的分布,其敏感脆弱的工程地质特性严重影响隧道工程建设。本文以蒙华铁路阳城隧道为依托工程进行拓展性研究,采用室内试验、数值模拟、现场监测等多种方式深入探讨岩层倾角对土砂互层地层隧道围岩稳定性的影响。研究结论:(1)随着岩层倾角增大,拱顶及左、右拱腰位移呈现互异的变化规律,且具有不同的变形机理;对于拱顶而言,45°为破坏模式转换临界,位移取得最小值43. 7 mm;根据左、右拱腰变形差异性,分为非对称变形缓慢发展区、非对称变形快速发展区、非对称变形稳定区、非对称变形弱化区和非对称变形二次发展区五个阶段;(2)拱顶及左、右拱肩处支护结构在不同地层倾角下均有较大主应力,且波动幅度较大,左、右拱肩处应力差值的变化对隧道结构会产生不同程度的影响,当倾角为60°时,两处主应力差值取得最大值1. 01 MPa;(3)随着岩层倾角变化,张拉塑性区和剪切塑性区存在不同的分布规律,实际工程中应做好相应抑变措施;(4)本研究结论可为不同岩层倾角产状下的土砂互层地区的隧道设计和施工提供借鉴。     

层状围岩隧道大变形等级判别及处理

研究目的:隧道大变形的处理俨然已成为一道世界性的难题,而其中层状围岩的大变形几乎占到90%以上,极大地困扰着隧道的建设者。针对层状围岩正交各向异性的特点,国内研究较少,采用以各向同性为理论基础的强度应力比理论判定层状围岩大变形等级有一定的局限性。本文结合在建铁路成兰线、成昆线的隧道大变形处理,剖析当下一些对层状围岩大变形认识的误区,从而提出适合层状围岩大变形判别的标准。研究结论:(1)采用强度应力比判定正交各向异性的层状围岩大变形等级,因局限性较大,仅适合一些薄层状的千枚岩、断层压碎岩等各向差异较小的围岩;(2)结合变形监控量测情况,并根据层状围岩软弱夹层的含量来判断大变形的等级,该方法简单、可靠;(3)层状围岩破坏时大致经历"软弱夹层屈服破坏、变形→相邻临空侧岩层的破坏、变形→支护结构变形、开裂、侵限"的过程;(4)层状围岩的变形和破坏主要是在层状围岩中软弱夹层的法线方向上,设计者应根据岩层的产状有针对性地进行差异设计;(5)本研究结论可适用于隧道工程中各类层状围岩下隧道大变形的等级判定及其处理。     

列车振动荷载作用下近距离空间交叠盾构隧道的动力响应特性及损伤规律分析

采用拟合的列车振动荷载,研究在上部列车振动荷载作用以及不同围岩等级、不同隧道间距条件下空间交叠盾构隧道的动力响应特性和损伤分布规律。结果表明:上部隧道衬砌振动加速度在拱底最大,拱腰相对较小,拱顶最小,下部隧道衬砌振动加速度在拱顶最大,拱腰相对较小,拱底最小;上部隧道的压致与拉致损伤均在拱底最大,拱腰次之,其余各处相对较小,且上部隧道底部约130°范围为损伤主要区域;随着围岩等级的提高,上部隧道衬砌的最大主应力逐步增大,最大主应力峰值由拱腰逐渐向拱底转移;随着隧道间距的增大,上部隧道衬砌的最大主应力逐步减小。     

高地应力断层破碎带衬砌力学特性对比与分析

以高地应力区某穿越断层破碎带隧道为工程依托,通过三维数值模拟来分析随着掌子面推进过程中的围岩空间应力场的状态及其变化趋势。首先,根据弹性衬砌模型计算结果判断衬砌结构是否还处于弹性状态;其次,按照弹塑性衬砌模型进行某穿越高地应力断层破碎带隧道三维数值模拟。计算结果表明:高地应力区穿越断层破碎带隧道三维数值模拟应该采用弹塑性衬砌结构;弹性计算模型与摩尔—伦计算模型分别计算所得衬砌结构关键点位移量差别较大,弹性衬砌模型计算得到关键点位移均小于摩尔—库伦衬砌模型所得到的量值,且约为摩尔—库伦模型计算所得量值的50%;拱顶和拱腰主应力波动范围在掌子面通过z=-50 m平面前0.5B(B为隧道宽度)和通过后1.5B范围,墙脚主应力波动范围在掌子面通过前1B和通过后0.5B范围;弹塑性衬砌计算的主应力较弹性衬砌计算的主应力大;揭示了某穿越高地应力断层破碎带隧道衬砌的破坏形式与潜在破坏面。     

高速铁路隧道拱顶二次衬砌背后存在空洞时气动荷载对其的影响

为了探索隧道拱顶二次衬砌背后不同范围内存在空洞条件下高速列车气动荷载对隧道二次衬砌结构的影响,采用隧道空气动力学的流体力学分析方法及结构力学分析方法,对二次衬砌结构的受力进行研究。研究结果表明:在气动荷载作用下,隧道二次衬砌结构处于"拉—压"的循环受力状态中;在隧道拱顶二次衬砌背后存在空洞时,衬砌结构上产生的瞬态应力变化规律与其受到的气动荷载变化规律一致,当列车运行速度为350km·h-1时,二次衬砌结构上产生的最大瞬态应力是同一时刻气动荷载的约39倍;在最大正峰值气动荷载作用下,随着拱顶二次衬砌背后空洞范围的增大,拉应力范围逐渐变小,拉应力值先增大后减小;在最大负峰值气动荷载作用下,隧道拱顶二次衬砌第一主应力仅有压应力而无拉应力作用,而且随着拱顶二次衬砌背后空洞范围的增大,二次衬砌受压区的范围逐渐变小,压应力值先增大后减小;二次衬砌结构上产生的最大应力绝对值随着列车运行速度的提高而增大,且与列车运行速度的平方成二次函数关系。     

水平岩层隧道围岩变形机理研究与有限元分析

为了解水平围岩变形破坏特征和机理,以西山隧道为依托,采用数值模拟、现场监测等手段,归纳了水平岩层隧道围岩稳定性的主要影响因素,分析了施工过程中围岩应力、应变的分布和变化规律,为西山隧道施工的顺利进行提供了预警信息和直接指导的方案。研究表明:(1)产状平缓的层状岩体在洞顶会形成类似组合梁的结构。它一经裂隙切断,就会形成悬臂式组合梁结构,在组合梁的弯曲下沉过程中,如果层面上产生的剪应力大于层面的抗剪强度,即τ≥τc,并且上位岩层的抗弯刚度大于下位岩层的抗弯刚度时,离层将会产生,反之不会产生离层。(2)水平岩层围岩隧道在施工锚杆与喷砼支护后,围岩的应变和变形明显减小,拱顶沉降与净空收敛也有所减小,稳定性有所提高。     

围岩空洞对重载铁路隧道动力稳定性的影响

以浩吉铁路万荣隧道为研究对象,基于围岩拱部空洞的各类参数(长度、高度、分布范围),对隧道动力响应特性、隧道衬砌应力等进行研究。在分析列车动力荷载的施加机理与施加方法的基础上,建立车辆-轨道-隧道动力有限元模型,计算在列车荷载的作用下,不同的空洞参数对隧道位移、加速度、衬砌主应力等方面的影响。研究表明,空洞加剧了隧道各部位的振动响应,其中拱顶的动力响应变化最大,空洞高度从0增大到20 cm时,拱顶的位移峰值增大了近3倍,而仰拱部位位移最小;空洞也改变了衬砌混凝土的受力状态(由受压变为受拉),这对于混凝土材料极为不利;随着空洞范围的不断增大,动力荷载对拱顶的影响加剧,拱顶的加速度峰值由无空洞状态的1.62 m/s^-2增加到3.49 m/s^-2,此时结构已处于不稳定状态。     

采石场爆破对邻近隧道的影响分析

采矿爆破时,在岩土体内由于炸药爆炸释放出的大量能量有一部分转换成地震波,地震波对隧道围岩或既有建(构)筑物结构可能造成损伤。为评估采矿活动对隧道结构安全性的影响,采用数值分析方法对既有铁路隧道衬砌混凝土的迎爆侧应力及位移进行了分析。结果表明:衬砌迎爆侧拱脚处最大拉应力4.32 MPa,超过了C25混凝土抗拉强度设计值,拱肩压应力达到9.6 MPa;在长期的爆破过程中尤其是在衬砌出现裂缝后,隧道衬砌迎爆侧整体承载力明显下降,迎爆侧拱肩处易产生水平向的拉伸破坏,为最危险区域。     

深埋大断面土质隧道初期支护结构受力特征研究

研究目的:新奥法中初期支护结构作为承受围岩压力的主要结构有着重要的作用。为研究深埋大断面隧道复合衬砌中初期支护结构的受力特性,本文以银西高铁庆阳某隧道为工程依托,通过现场监测,得到深埋大断面红黏土隧道的围岩压力、钢拱架内力与混凝土内力变化规律,分析初期支护结构内力变化规律及分布特征。研究结论:(1)红黏土大断面隧道两侧的围岩压力大于拱顶和仰拱内的围岩压力;(2)初期支护结构内力呈现出上大下小的分布规律,且钢拱架承担了大部分围岩压力;(3)可考虑在边墙及拱顶增高钢拱架标号,仰拱内减少拱架截面积,以达到充分利用材料降低造价,提高衬砌结构可靠性;(4)本研究结果可以为类似地质条件下衬砌设计优化及隧道初期支护的施工组织提供参考。     

冻融损伤对大准铁路言正子2~#隧道围岩稳定性的影响

以大同—准格尔铁路言正子2#隧道为工程背景,运用数值计算方法对冻融循环作用下隧道围岩的稳定性进行了分析。结果表明:言正子2#隧道病害主要由冻融损伤造成,病害类型主要为拱顶开裂和边墙剥落;隧道围岩最大水平位移、最大垂直位移和最大主应力均随冻融循环次数的增加而增大;隧道围岩最大水平位移出现在边墙,最大垂直位移出现在底板中心,最大主应力出现在拱脚,故边墙、底板中心和拱脚易产生混凝土开裂、剥落等病害;经历不同冻融次数后隧道围岩均未出现拉应力,表明衬砌有效地控制了围岩变形。     

考虑中主应力后对隧道围岩稳定性的影响

在分析中主应力对隧道围岩强度影响的基础上,采用FLAC3D有限差分元软件,建立考虑中主应力的岩体强度准则本构模型,并同摩尔库伦准则相比较,研究考虑中主应力后对隧道围岩稳定性的影响。结果表明:考虑中主应力后,计算得到的岩体强度较不考虑时显著增加,当中主应力大于等于岩体抗压强度时,围岩强度提高75%~200%;若围岩服从摩尔库伦准则,则在一定数值范围内,中主应力不影响隧道中围岩的应力分布,且对拱顶沉降及塑性区也几乎没有影响;若围岩服从考虑中主应力的岩体强度准则,则随着中主应力的逐渐增大,围岩强度逐渐增大,拱顶沉降、开挖扰动范围和塑性区半径均逐渐减小。因此,在隧道侧向应力较大时,采用考虑中主应力的岩体强度准则进行数值模拟,更能准确地反应围岩的稳定性。     

衬砌减薄对隧道结构承载力影响的模型试验研究

为研究隧道中衬砌减薄缺陷对结构力学行为特征的影响,以重庆市在建的笔架山隧道为现场原型,对不同围岩级别条件下衬砌减薄引发的结构形变、病害、承载力等特征及合理补强方式进行研究,获得如下结论:不同围岩级别条件下,无论衬砌(拱顶)有无减薄,结构产生病害所对应的荷载基本相同,但结构的变形及破坏模式、病害的先后次序将随着拱顶减薄程度的不同而迥异。围岩条件越差,衬砌减薄带来的病害程度越严重。结构产生病害时所对应的荷载随围岩级别的提高而提高,当空洞回填其影响消失后,拱顶衬砌厚度减薄的多少将成为影响结构承载力提高的直接原因,不同围岩级别条件下衬砌减薄对结构受力分布规律的影响性较小,内表面补强方案应成为衬砌减薄维护加固的首选方案。本文研究结果可为运营隧道维修加固提供参考。     

隧道衬砌结构地震响应的三维数值分析

运用Ansys软件对盾构隧道在不同地质条件下的水平、竖向耦合地震的响应进行三维数值模拟，分析隧道衬砌结构的不同部位上应力和位移的分布状况，探明了盾构隧道在地震作用下衬砌结构的动力响应规律，找出了衬砌衬砌结构的受力最薄弱部位，研究可对盾构隧道的抗震设计提供理论参考。     

考虑围岩蠕变特性的TBM隧道管片衬砌受力特性研究

为研究深部高地应力岩层中修建TBM隧道时管片衬砌结构的力学行为,以某深埋TBM工法隧道为研究对象,建立基于围岩蠕变和管片分块效应的衬砌-围岩复合模型,研究考虑时间效应下管片衬砌的受力特性。结果表明:考虑围岩蠕变效应下管片衬砌受力表现出明显的时间效应。随着围岩蠕变时间的延长,管片衬砌的形变、内力和接缝张开量均呈现两阶段增长,具体表现为前期呈线性增长,后期增加趋缓。洞周围岩应力经历三阶段变化,即先减小后增大直至稳定。围岩蠕变时间为100年时,管片衬砌的内力和形变量均接近极限值。研究结果可为深部高地应力且考虑围岩蠕变效应下的TBM隧道衬砌结构设计提供参考。