上覆溶洞水压对小净距隧道衬砌结构的影响研究

隧道衬砌是确保运营隧道防水与结构稳定的重要结构，其受力状态会随着上覆溶洞水压力的改变而改变。鉴于此，以某小净距隧道为工程背景，利用有限元差分软件建立分析模型，研究上覆溶洞处于不同水压状态下隧道衬砌结构的受力状态，利用相应公式计算衬砌结构安全系数，结合实际数据与模拟结果对比验证模型的可靠程度，得出主要结论：拱底衬砌结构最大主应力为拉应力且其余位置为压应力，溶洞水压逐渐变化可能导致拱底破坏；整体衬砌结构最小主应力均为压应力，拱肩、拱腰与拱脚的最小主应力均随水压增加而增加；各部位衬砌结构安全系数随溶洞水压增大而减小，随溶洞水压进一步增大，拱腰处可能最先发生受压破坏。这可为处于溶洞等不良地质条件下的隧道安全稳定性研究提供参考。     

地层空洞影响下地铁盾构隧道衬砌结构响应试验研究

为探究盾构隧道管片背后空洞对隧道结构的影响,采用模型试验手段,考虑空洞形成过程,分别就无空洞,拱顶、拱腰、拱底背后空洞4种工况下衬砌结构变形、受力、与地层接触压力的响应规律进行研究.研究结果表明:无空洞时,衬砌受到均匀的地层压力,同时地层也提供给衬砌充足的地层反力,管片内力呈"对称式"分布.有空洞时,空洞的存在改变了衬...     

隔离桩桩径对基坑开挖引起既有地铁隧道位移的影响

以杭州市一深基坑工程为背景,采用ABAQUS有限元软件建立三维数值模型,分析隔离桩半径对既有地铁隧道位移的影响。研究结果表明:基坑开挖最终引起了隧道衬砌竖向位移约4 mm,水平位移约1 mm,与实测值相吻合;隧道衬砌位移最大值位于衬砌拱底,最小值位于衬砌拱顶,衬砌变形整体呈沉降的趋势;靠近基坑一侧隧道衬砌总位移比另一侧略大;隔离桩的半径越大,基坑开挖对既有地铁隧道的影响越小。     

基坑分块开挖对下卧盾构隧道的变形影响分析

为研究分块开挖基坑对下卧盾构隧道保护的有效性,以深圳市双界河路段某基坑工程为例,建立三维有限元模型,对比下卧盾构隧道竖向位移计算值与实测数据,在此基础上分析不同分块开挖方式对下卧隧道附加弯矩、内径变形的影响,并进一步研究分块开挖与坑底土体加固共同作用下隧道的变形规律。结果表明:在分块数量相同的情况下,横向分块的开挖效果要好于纵向分块开挖,且横向分块数量越多,对隧道竖向位移控制效果越好;隧道最大附加弯矩在拱顶处,隧道整体呈拱顶、拱底处伸长,拱腰处压缩的变形趋势;坑底加固土体可有效控制隧道竖向位移,在隧道变形控制较为严格的工程中,建议在开挖前对坑底土体进行加固。     

深埋隧道复合式衬砌内力和位移的荷载结构法

研究目的:研究任意形状的深埋隧道复合式衬砌的内力和位移具有重要理论意义和工程应用价值。本文首先通过弹性力学理论,导出轴对称荷载作用下,圆形隧道复合式衬砌的轴力和位移的解析解,并与数值解进行比较,确定初支、二衬间相互作用的杆单元弹性模量的合理取值;之后分析了Ⅳ级围岩中非圆形隧道复合式衬砌的轴力、弯矩和位移,围岩对初支、初支与二衬间的约束作用均采用杆单元模拟,其弹性模量分别取地层和初支的弹性模量;最后讨论了侧压系数对非圆形隧道复合式衬砌力学性能的影响。研究结论:(1)轴对称荷载作用下,圆形隧道初支和二衬的轴力和位移的解析解与数值解的误差不到5%,确定了使用杆单元模拟非圆形隧道初支和二衬间相互作用时,其弹性模量可以采用初支或二衬的弹性模量;(2)非圆形隧道二衬的轴力和弯矩均比相应位置处初支的大,初支和二衬分别在拱腰和拱底取得轴力最大值,均在拱脚取得弯矩最大值,均在拱底取得竖向位移最大值;(3)对于侧压系数在0.1到0.3范围内的Ⅳ级围岩,侧压系数的改变对非圆形隧道二衬最大的轴力、弯矩和位移的影响都比较小;(4)本研究结果可应用于隧道、竖井、管桩等工程结构。     

大断面铁路隧道室内模型试验与分析研究

为研究隧道在受压破坏时,衬砌的受力特性与变形规律,采用石膏来模拟隧道衬砌,通过在关键测点布置土压力盒、应变片与百分表,监测模型衬砌的压力、应变与位移,并对监测数据进行分析。研究结果表明:各测点的围岩压力和初衬与二衬间接触压力都以压应力为主,且应力最大值出现在左仰拱拱脚、左右拱腰与仰拱拱底的位置;模型主要受到压应变,且模型衬砌内表面更容易破坏;隧道模型拱顶的沉降最大,在施工时对拱顶沉降的监测是有必要的;当隧道受到较大压力时,很可能会造成仰拱开裂。     

不同工况下横通道开挖对隧道结构影响分析

基于FLAC 3D软件建立摩擦土层及黏性土层等多种工况下的三维数值模型。从主线隧道中心线上方土体位移、地表沉降及主线隧道衬砌内力等方面,研究分析了横通道开挖对隧道结构的影响作用。主要研究结论为:(1)在不同的隧道间距、隧道埋深及地质条件下,横通道开挖对主线隧道上方位移、地表沉降及隧道衬砌受力分布的影响也不尽相同;(2)随着横通道向前掘进,横通道中心线上方垂向位移及地表沉降呈现逐步增加趋势,对横通道中心线上方的影响更为显著;(3)随着横通道的开挖,先行隧道拱顶处的衬砌弯矩、边墙处的衬砌轴力呈增加趋势,后行隧道拱顶、边墙处的衬砌弯矩以及边墙处的衬砌轴力在横通道开挖结束的几个计算步时均呈增加趋势。     

基于结构受力模式主动调整的高速铁路双线隧道预制装配式衬砌的设计选型

基于荷载-结构模型分析了不同围岩等级条件下整体衬砌内力特征,调整结构受力模式,从最大弯矩位置开始将衬砌结构分为7部分,分析了不同围岩等级及接头刚度条件下预制装配式衬砌结构的受力与变形特征。结果表明:与整体衬砌相比,各围岩等级下预制装配式衬砌的最大轴力和最大位移均不同程度增大,最大弯矩均不同程度减小,使隧道结构更加稳定;随着衬砌接头刚度逐渐增大,衬砌结构最大轴力和最大位移逐渐减小,最大弯矩先减小后增大;相对于整体衬砌,接头刚度小于45 MN·m/rad时预制装配式衬砌边墙、拱脚和仰拱安全系数略有下降,拱顶和拱肩安全系数大幅增加,因此接头刚度不宜大于45 MN·m/rad。     

基于块体离散单元法的走滑型活动断裂错动作用下隧道结构响应

以某穿越走滑型活动断裂带隧道为工程背景，采用离散单元法建立“围岩-衬砌-断裂带”三维块体离散单元模型，分析不同错动量作用下隧道衬砌整体位移响应；明确统一的隧道复合式衬砌结构位移及类圆形断面变形损伤控制标准，分析走滑型活动断裂错动作用下沿隧道纵向位移变化和横断面上径向变形损伤规律，并对比3种断面预留位错空间方案下的衬砌响应规律。结果表明；隧道衬砌的显著性位移和径向变形率最凸出区间均主要集中在断裂带及其两侧附近，拱顶竖向位移向下呈“V”形，仰拱底部竖向位移向上呈倒“V”形，左右拱脚水平位移方向均与断裂错动方向一致，呈“S”形；随着错动量的增加，衬砌节段间差异位移不断增大，断面上拱顶和仰拱底部变形最为严重；随着断面预留位错空间的增加，衬砌位移极值不断增大，但断裂带两侧隧道衬砌影响范围基本不变，断面上部分关键部位之间损伤破坏临界错动量减少，不利于隧道结构抗错。     

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。     

高地温隧道二次衬砌受力特性分析

研究目的:拟建川藏铁路的部分隧道工程施工过程中预计会遇到高地温(达30℃～80℃),高岩温将会给隧道工程的建设带来极大的挑战。本文拟通过衬砌外表面边界条件设定为固定温度约束(温度区间为30℃～80℃),利用ANSYS有限元软件建立三维荷载-结构模型,通过温度场和应力场的耦合,研究不同地温下、不同龄期的Ⅳ级围岩混凝土二次衬砌与Ⅴ级围岩钢筋混凝土二次衬砌受力特性,分析与评价其安全性,从而提出相应的工程应对措施。研究结论:(1)随着地温升高,隧道二次衬砌各个部位的安全系数呈下降趋势,特别是当地温从30℃升为50℃时,衬砌安全系数显著下降;(2)地温高于60℃时,Ⅳ级围岩隧道混凝土衬砌安全系数将不满足设计规范要求;(3)地温为80℃时,Ⅴ级围岩钢筋混凝土二次衬砌最小安全系数临近设计规范要求极值,位于衬砌墙脚附近;(4)地温超过60℃时,需设置隔热复合式衬砌;(5)本研究结论可为高温隧道的设计与施工提供参考。     

Ⅴ级围岩深埋双线铁路隧道衬砌结构设计影响因素分析

基于地层-结构和荷载-结构理论分别建立了数值计算模型,研究了仰拱矢跨比、侧压力系数、弹性反力系数对隧道开挖稳定性、二次衬砌承载性能的影响规律。结果表明:随着仰拱矢跨比增大,隧道因开挖引起的洞周位移减小,二次衬砌弯矩减小,轴力增大,安全系数增大;增大侧压力系数或弹性反力系数,均可提高二次衬砌结构的安全系数。建议在隧道结构设计中,岩性较好时可采用小矢跨比的仰拱结构,岩性较差时可采用大矢跨比的仰拱结构;为确保结构安全性,同一围岩级别下侧压力系数和弹性反力系数可选择规范中的下限值。     

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。     

复合式衬砌隧道的总安全系数设计方法探讨

研究目的:铁路、公路等交通隧道常采用复合式衬砌,其中初期支护一般采用地层-结构法或工程类比法进行设计,二次衬砌采用荷载-结构法进行设计,由于二者采用的分析方法不同,难以统一评价整体结构的安全性。现有隧道设计规范仅提出了二次衬砌的安全系数要求,但复合式衬砌并非单一结构,有必要研究初期支护和二次衬砌的总安全系数。同时为建立总安全系数设计法,有必要研究初期支护的荷载-结构模型。研究结论:(1)对于采用喷锚支护的复合式衬砌隧道结构,围岩压力随埋深的增加而增加,隧道支护参数应根据埋深进行相应调整;(2)采用荷载-结构模型可以建立复合式衬砌初期支护和二次衬砌的统一设计方法;(3)复合式衬砌隧道的总安全系数应包含初期支护和二次衬砌各自的贡献,当二次衬砌为钢筋混凝土时,总安全系数建议不低于3.0,否则不低于3.6;(4)不同设计方法所建议的初期支护和二次衬砌的安全系数分配可按表2采用;(5)采用本文设计方法对现有高速铁路隧道结构安全性进行再分析,结果表明,在埋深为300 m左右时,Ⅲ、Ⅳ级围岩支护参数有进一步优化的空间;(6)本研究结果可为复合式衬砌隧道结构设计提供思路和方法。     

高铁隧道隧底及围岩变形耦合监测分析

随着我国高速铁路建设迅猛发展,铁路隧道在软弱围岩中开挖的情况屡见不鲜。过大的隧底变形发生后,会导致隧道衬砌开裂破坏,形成铁路工程安全隐患。在广泛调研国内外文献基础上,梳理分析已有研究成果,提出在关注隧底结构的同时,不可忽视围岩状态的监测与分析。基于某高铁隧道工程案例,提出隧底结构与围岩状态耦合监测方案与实施过程。监测数据表明,隧底围岩压力基本达到稳定,围岩压力最大值为500 kPa;隧道拱底处于上拱变形发展中且无收敛趋势,隧底变形过大带来持续性变形。该研究对高铁隧道施工具有现实指导意义。     

基于结构受力模式主动调整的高速铁路单线隧道预制拼装衬砌设计选型研究

基于荷载-结构模型分析了不同等级围岩条件下350 km/h单线隧道断面整体衬砌内力特征.在此基础上,通过主动调整结构受力,在整体衬砌对应的弯矩极大值处将衬砌结构分为7部分进行预制,分析了不同围岩等级下接头刚度对预制装配式衬砌受力与变形的影响.结果表明:相对于整体衬砌,Ⅲ,Ⅳ,V级围岩条件下预制装配式衬砌最大轴力分别增加5.6%,6.5%,7.3%,最大弯矩分别减少39.9%,43.0%,54.6%,最大横向位移分别增加22.4%,36.4%,64.7%,最大竖向位移分别增加41.8%,44.6%,52.5%;边墙、拱脚和仰拱安全系数略有下降,拱顶和拱肩安全系数大幅增加,接头刚度不宜大于45 MN·m/rad.     

海底隧道衬砌结构受力特点及断面形状优化

针对青岛胶州湾海底隧道工程,选取设计参数不同的8个衬砌结构断面,基于荷载-结构模型,采用ANSYS有限元程序,分析衬砌结构受力特点.结果表明:衬砌结构仰拱半径不宜过大,减小仰拱半径可以有效减小衬砌结构仰拱、拱脚处的弯矩;衬砌结构拱脚半径不宜过小,增大拱脚半径虽可以有效减小衬砌结构拱脚、拱底处的弯矩,但同时会增加拱顶的弯矩;衬砌结构拱顶半径不宜过大,增大拱顶半径可以减小衬砌结构仰拱、拱脚处的弯矩,但将增大拱顶、拱肩处的弯矩.基于上述研究结果,根据相关规范设计要求,以各衬砌结构断面各单元最小安全系数最大化为目标函数,对青岛胶州湾海底隧道位于海域段V级围岩段衬砌结构断面形状进行优化,优化得到的衬砌结构断面,各处内力值(弯矩、轴力)更加均匀,安全系数离散性小,便于衬砌结构配筋设计.     

基于三维非连续接触模型的管片错台分布规律及影响因素研究

针对盾构隧道施工阶段中管片环缝错台的问题,建立围岩-管片-螺栓三维非连续接触模型,基于管片与围岩、管片接头之间的非连续性,考虑围岩与衬砌的相互作用,模拟盾壳前移、浆液硬化、围岩补强等产生的动态效应,对管片错台分布规律和影响因素进行深入研究。研究结果表明,管片环整体向扁圆化发展,拱腰外扩、拱底隆起,管片环缝错台也主要位于拱腰和拱底。管片环脱离盾壳时,衬砌整体变形与管片环缝错台最大,随着浆液硬化,衬砌整体变形速率变缓,管片环缝错台缩小,最终趋于稳定,说明浆液的硬化和围岩的补强对隧道整体变形和管片环缝错台起到一定控制作用,且封顶块点位对隧道整体变形的影响较小。     

预切槽法开挖黄土隧道预衬砌支护参数研究

研究目的:随着我国交通建设的发展,迫切需要解决软弱围岩隧道机械化施工的问题,本文以洪亮营大断面黄土隧道为依托工程,采用数值模拟方法分析不同条件下预衬砌的整体安全性,通过对预衬砌的支护参数进行分析,以期为后续类似工程的设计与施工提供参考。研究结论:(1)钢拱架间距对预衬砌整体安全系数有显著影响,间距越小,安全系数越高;(2)不同的预衬砌拱脚处理措施,对预衬砌整体安全系数影响较大;(3)由于切槽采用分段施工,各段接头部位的安全系数较低,当预衬砌局部弱化程度超过50%时,预衬砌的整体安全系数不能满足安全要求;(4)本研究以洪亮营大断面黄土隧道实际工程为依托,获取了预衬砌在不同的埋深、不同的钢拱架间距、不同的拱脚处理措施以及不同的预衬砌局部弱化程度条件下的整体安全性,可为预切槽法隧道在今后的工程设计和施工中提供指导作用。     

大直径泥水平衡盾构浅覆土始发地表沉降特性

研究目的:在盾构始发阶段,由于覆土浅、地层自稳能力差,地层扰动引起的危害已成为不可忽视的问题。基于此,本文以京张高铁清华园隧道工程为背景,依据始发段实际加固方案及现场监测得到的始发段掘进参数,采用有限差分法建立三维泥水平衡盾构隧道数值模型,通过分析始发施工过程中隧道周边地表土体位移,并与现场实测进行对比,研究大直径盾构浅覆土始发段地层位移变化特征。研究结论:(1)数值计算与现场监测结果得到的土体位移规律基本一致,验证了本文盾构法施工数值模拟计算方法的工程实用价值;(2)由于始发竖井端头进行了高压旋喷桩加固,相应的地表沉降明显得到控制改善,印证了加固方案的有效性;(3)得到了大直径泥水盾构浅覆土始发土体变形规律:隧道轴线上方土体的沉降位移最大,为20 mm,两侧逐渐减小,两端呈现轻微上拱趋势,隧道周围土体有向洞室挤人运动的趋势;(4)该研究成果可为类似大直径盾构浅覆土始发工程提供参考。