高外水压山岭隧道衬砌结构安全性分析

基于中国在高外水压地区修建长大山岭隧道增多的现象,就涉及隧道衬砌结构在高外水压作用下的力学响应相关问题进行了研究.运用荷载结构法,采用三维有限元模型,以白芷山隧道工程为依托,对白芷山隧道在无外水压、均匀分布的高外水压和不均匀分布的高外水压影响下衬砌结构最大弯矩、轴力值大小及发生位置的变化进行研究；并根据外水压最大断面处衬砌结构的实际配筋情况计算其在外水压分布均匀和不均匀条件下的安全系数.分析结果表明:在高外水压作用下隧道衬砌结构的最大弯矩和轴力值都显著增加,且发生位置也在发生变化；水压最大断面处的安全系数大小在水压分布不均匀情况比水压分布均匀情况整体降低.     

水底隧道衬砌水压力折减系数估算

水底隧道衬砌水压力是衬砌结构设计的关键参数之一,根据对衬砌水压力作用机制的探讨,"全堵型"隧道衬砌承担全部静水压力,而对于"排水型"隧道,衬砌只承受部分水压力,作用在衬砌上的水压力应该进行折减。根据渗流理论,推导了轴对称条件下衬砌水压力折减系数的理论公式及利用隧道衬砌前与衬砌后涌水量的反分析简化公式,并通过数值方法验证了其可靠性。计算结果表明:1)隧道涌水量随着衬砌渗透系数的减小而减少,当kl/ks=0.001时,涌水量几乎为0,而水压力折减系数近似等于1;2)对于不同的kl/ks值,水压力折减系数与涌水量存在一个公共点,这个交点范围为kl/ks=(0.02～0.03),对应的水压力折减系数约为0.5;3)对围岩进行注浆可以有效减少涌水量,但仍会有较大的水压力作用在注浆圈上,对注浆圈的长期耐久性提出了较高的要求;4)利用隧道衬砌前后涌水量推导的衬砌水压力折减系数反分析公式,其计算结果可靠、有效,可以在以后隧道结构设计中应用。     

盾构管片纵向接缝位置对结构内力和变形的影响分析

根据盾构隧道管片衬砌之间的连接特性、衬砌结构与土层之间的相互作用性质，提出了基于弹性地基理论的盾构隧道管片衬砌结构的梁-弹性铰-地基系统模型，并研制了相应的有限元分析程序FHEF，该模型能直接计算出盾构隧道管片衬砌结枸的轴力、剪力、弯矩和变形，将计算结果直接用于工程设计。依据二维计算模型，就盾构隧道管片衬砌结构纵向接缝不同位置对衬砌结构的内力影响进行了详细计算分析，计算结果表明，纵向接缝的不同位置对结构的内力和变形不容忽视，工程设计时应从结构设计和防水设计等多个角度来确定纵向接缝的设置，从而指导工程实践。     

长江隧道衬砌结构地震响应的三维数值分析

以武汉长江隧道为工程依托,运用Ansys软件对盾构隧道在水平、竖向双向耦合地震作用下采用3种不同衬砌材料的地震响应进行三维数值模拟,分析这3种工况下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.     

隧道地下水处治的国内外研究现状分析

为深入研究隧道设计、施工面临的地下水处治难题,为高压富水隧道设计、施工提供理论依据,对隧道地下水处治技术的现状进行分析。不同部门在不同时期和社会经济条件下,提出了不同规范和地下水处理措施。针对隧道工程设计、施工过程所遭遇的地下水问题,尤其是隧道衬砌水压力荷载问题,各行业部门在隧道(洞)工程支护结构设计中对富水地层地下水压力对支护结构的影响认识并不一致,尤其是对外水压力能否折减仍存在一定争议,对地下水作用的认识仍未达成共识。为此,对隧道地下水问题从概念和方法上进行研究,在研究现状及存在的主要问题分析基础上,提出了下一步研究思路。     

运营公路隧道局部换拱效果及其工程影响

通过对运营公路隧道换拱工程试验段衬砌荷载和温度的现场监测,并将之与新建隧道衬砌荷载分布规律进行对比,评价换拱工程中新施作衬砌的承载性能。通过采用数值计算分析的手段,对换拱过程临近结构附加影响进行研究。结果表明:换拱工程与新建隧道工程衬砌荷载分别在荷载曲线形态和达到峰值的时间这2个方面存在明显差异;结合衬砌温度变化规律,揭示了换拱工程的新施作衬砌基本不发挥承载作用,现场监测所得荷载主要是由温度应力引起的;分析换拱过程中,邻近结构在卸荷作用下产生一定的附加沉降和附加应力。综合换拱工程衬砌承载效果及对临近结构的影响,提出了在运营隧道衬砌病害处理过程中,宜优先采用非破坏性防护措施,慎用局部换拱方案的工程建议。     

公路连拱隧道冻胀结构力学分析与防冻措施

针对目前我国中原以北地区公路连拱隧道在运行中越来越突出的衬砌冻胀破坏问题,文中根据隧道在冻胀条件下温度和结构的相应作用,初步探讨了冻胀力的计算方法并运用ANSYS有限元分析,模拟在冰冻环境温度作用下隧道的冻胀过程及持续低温和冻胀作用对隧道衬砌结构的影响,最后在分析公路连拱隧道特点的基础上提出了抗、防冻措施。     

高速铁路隧道结构动力累积损伤模型试验研究

为探讨高速铁路隧道衬砌结构在列车振动荷载长期作用下的动力累积损伤特征,阐述混凝土结构动力相似材料模型试验原理,以武广高速铁路金沙洲隧道为原型,利用微粒混凝土作为相似材料,构建隧道与围岩动力相互作用全断面试验模型,施加高速列车振动荷载对相似材料模型进行动力累积损伤试验;试验过程中同步测试隧道衬砌结构各特征点动应变、超声波速度以及隧道底部围岩接触应力的时程响应数据,分析隧道衬砌结构动力响应特征与累积损伤规律。得出了在设计使用寿命期内,高速列车振动荷载长期作用下,隧道衬砌结构动力累积损伤效应不明显,而隧道底部围岩累积损伤破坏则应引起足够重视等研究结论。     

基于地层结构法的喷膜防水衬砌结构力学性能分析

为了研究防水膜的黏结作用对喷膜防水衬砌结构力学性能的影响和防水膜与初支及二衬间界面在围岩压力作用下的损伤情况，结合试验测得的界面法向、切向及防水膜的本构参数，建立隧道二维地层—结构模型，在Ⅳ级围岩条件下，对喷膜防水衬砌结构和复合式衬砌结构的力学性能和界面特性进行对比分析。与复合式衬砌结构相比，喷膜防水衬砌结构的协同受力作用能使二衬的轴力和弯矩减小，增大二衬的安全系数，同时使初支的安全系数减小。研究结果表明，防水膜的黏结作用会增加二衬的安全储备但基本不会影响隧道的位移，并且在受力过程中衬砌结构间的界面不会发生损伤。因此，可以对二衬的设计进一步优化，提高隧道的经济性。     

安平隧道衬砌水压力分析

湖南龙琅(涟源市龙塘镇—新化县琅塘镇)高速公路安平隧道地质构造复杂,施工中屡次出现岩溶突水。为保障隧道的安全,文中对该隧道衬砌水压力分布进行分析。结果表明,隧道衬砌结构承受的水荷载和静水压力荷载的作用机制不同;隧道渗流场与围岩和衬砌材料的渗透系数相关,同时受围岩加固圈及加固体渗透系数的影响;荷载大小因渗透系数的改变而改变,渗流场的分布与水压头有关。     

石牙山隧道塌方事故处治方案及设计计算分析

隧道塌方是公路隧道施工中最为常见的典型事故。本文针对广梧高速公路段上石牙山隧道苍梧端左线LK57＋793出现的塌方事故，给出了初步处理方案和衬砌结构设计变更。同时，采用同济曙光软件，按荷载一结构法建立二维有限元计算模型，对变更后的衬砌结构设计进行了数值分析和计算，衬砌截面校核表明，变更后的支护设计满足《公路隧道设计规范》及相关规范的规定。本文所做工作对今后公路隧道塌方事故的处治和支护设计有较好的指导和借鉴作用。     

隧道工程中锚杆的功效研究

系统锚杆是锚喷衬砌的重要组成部分,目前广泛应用到隧道衬砌中。然而锚杆到底对隧道结构的稳定起多少作用一直没有有效的定量计算方法。本文以某高速公路隧道为例,用有限元强度折减法计算了锚杆在不同地质条件下对安全系数大小的影响。结合有限元数值模拟,通过对承载拱截面的受力情况分析后得到如下结论:锚杆对隧道结构的稳定性影响不大,因此建议隧道建设中取消系统锚杆。     

富水大断面公路隧道水压模型试验及衬砌结构力学行为研究

为研究隧道衬砌在围岩压力及外水压力综合作用下的受力特征、结构安全性及破坏过程，采用自制的均匀水压模拟加载装置及隧道地层复合试验台架，实现对围岩压力及外水压力的分别控制加载，完成在深埋条件下不同外水压力作用下衬砌结构受力模型试验。运用ANSYS有限元软件分阶段计算衬砌在水土压力作用下的受力特征，计算各部分安全系数，并与试验结果对比分析。研究表明：采用抽真空的方法模拟外水压力时，外水压力值越大，试验结果越接近真实情况，当外水压力达到150 kPa时，其差值可控制在5%以内；在外水压力及围岩压力的作用下，墙脚及拱底分别受最大正弯矩及最大负弯矩作用，且安全系数较其他位置小；随着外水压力的增大，衬砌所受的轴力及弯矩持续增大，且增大速率基本呈线性，其中墙脚位置增长速率最快；随着荷载的增大衬砌结构墙脚最先发生破坏，墙脚裂缝发展导致衬砌结构应力重分布，最终引起拱底开裂；墙脚的裂缝导致墙脚处承受的正弯矩不断减小，拱底承受的负弯矩不断增大，安全系数不断减小；当墙脚的裂缝宽度发展至1.5~2.0 mm时，试验数据及数值模拟结果计算所得拱底安全系数降低至1.5左右，拱底不再满足承载要求，与试验中衬砌的开裂行为相吻合。所提出的模型试验方案可为类似模型试验提供参考，研究成果可为富水大断面公路隧道的设计及安全评估提供依据。     

湛江湾跨海盾构隧道管片变形与受力分析

以湛江湾跨海盾构隧道工程为背景,应用数值分析方法,建立了单环衬砌结构的三维有限元精细模型,研究了在不同水头作用下单环管片结构以及接缝部位的变形情况。采用修正惯用法得出在最大水头作用下管片结构的内力分布,由此推算出管片内、外侧的环向钢筋应力,并与现场的应力监测数据进行对比。研究表明： 1）高水压作用下,单环管片衬砌的变形呈现“横鸭蛋形”,且管片结构变形和接缝张开量均与外水压力变化呈线性关系; 2）作用水头每增加10 m,衬砌结构中各接缝张开量绝对值约增加0.5 mm; 3）采用修正惯用法计算得到的钢筋应力与实测结果较为吻合,较好地反映了隧道管片的实际受力状态。     

隧道抗水压衬砌结构数值仿真模拟

以龙潭隧道抗水压衬砌结构为工程实例,针对不同的施工阶段,重点讨论了不同结构形式的衬砌力学性能,对抗水压衬砌结构进行了数值仿真模拟,并得出了抗水压衬砌结构的最优设置形式.     

特长公路隧道风机房典型双T型结构稳定性分析

隧道空间交叉结构受力特性及其稳定性是近年来长大公路隧道亟待解决的关键技术问题。通过对隧道风机房典型双T型交叉结构三维有限元数值模拟，研究了在双T型交叉结构建设过程中围岩的变形规律、影响范围以及结构自身的受力特性等。结果表明:随着隧道开挖，交叉结构受到的影响程度为:叠加区 > 影响区 > 普通区；小断面中围岩与衬砌间主要作用为抗剪，大断面中围岩与衬砌间主要作用为抗拉；结构存在一定的偏压现象，在对交叉结构进行设计施工时要注意对偏压部分进行局部加强。     

公路隧道模注混凝土二次衬砌的设计

阐述了公路隧道复合衬砌中二次衬砌中二次衬砌的重要性，介绍了采用结构矩阵法和有限元法计算二次衬砌方法，计算图式，简化模式，提出了实际设计中的注意要点。     

复合地层条件下水下盾构隧道衬砌结构受力特征研究

针对工程中常用的无衬垫接头抗弯刚度非线性的特点,采用描述接头轴力、弯矩及转角关系的解析公式,提出盾构隧道衬砌结构受力计算的迭代计算方法。基于南京市纬三路过江通道的工程背景,分析了接头抗弯刚度的取值对盾构隧道衬砌结构受力及变形的影响,对工程中遇到的典型土岩复合地层中衬砌结构的受力进行了计算。计算表明,所提出的迭代计算方法简便易行,收敛较快,复合地层中衬砌结构的受力分布与均一地层中相差较大。复合地层的作用使得衬砌结构内力分布更不均匀,可能使得某一部分管片内力显著增大,设计时需要针对实际地层分布形式进行计算。     

注浆圈对高水位山岭隧道衬砌的结构影响分析

为了探究高水位山岭隧道建设中地下水渗流对隧道衬砌的结构影响,运用有限元计算软件MIDAS GTS NX对某隧道工程进行建模计算,分析了不同注浆圈厚度(0m,3m,6m,9m)和注浆圈渗透系数(2.5×10-8 m/s,2.5×10-7 m/s,2.5×10-6 m/s,2.5×10-5 m/s)对衬砌结构竖向位移、大主应力和隧道涌水量的影响规律.结果 表明:注浆圈厚度的增加,可以减小衬砌结构的大主应力、竖向位移和隧道涌水量,不过减小幅度在厚度大于3m之后有明显的降低;随着注浆圈渗透系数的降低,衬砌结构的竖向位移和隧道涌水量都呈现出先急后缓的减小趋势,衬砌结构的大主应力与注浆圈渗透系数大致呈正相关关系.     

煤系地层公路隧道衬砌结构分析和设计

以高平至陵川高速公路郭家川2号煤系地层隧道为依托工程,利用ANSYS对衬砌结构进行了数值模拟,研究了煤系地层公路隧道衬砌结构的应力应变特征和变形规律。研究表明:煤系地层的地质构造和节理特征对隧道衬砌结构受力和变形有重要影响;隧道侧压力系数对衬砌结构的内力影响很大;衬砌结构拱脚和拱顶处弯矩很大,应力集中系数大,拱脚和拱顶处应作为结构安全性监控、隧道设计与施工控制性部位。