隧道洞口段二衬病害评价分析及处治技术

为治理隧道洞口段二衬病害,以某隧道进洞口段二衬开裂病害实例,从二衬裂缝分布、衬砌厚度、钢筋间距、仰拱回填等方面分析衬砌病害特征,采用荷载结构法通过数值计算获得典型病害断面的弯矩、轴力、剪力和安全系数,评估隧道结构安全状态.研究表明:S0型和S5型衬砌最小安全系数均低于规范要求,运营安全风险较高.针对二衬病害提出了围岩注...     

公路隧道衬砌厚度不足对衬砌安全性影响

针对Ⅲ级和Ⅳ级围岩两种不同的支护形式,建立衬砌厚度不足计算模型.在有无病害条件下,比较隧道衬砌各位置的内力和安全系数,并根据衬砌厚度不足病害程度和宽度,采用数值计算的方法,分析公路隧道衬砌厚度不足对衬砌安全性的影响.分析结果表明:隧道衬砌边墙、拱腰和拱顶的弯矩、剪力和轴力都比较大,属于病害发生的敏感部位;隧道衬砌出现厚度不足病害时,安全系数显著减小;衬砌安全系数随着病害程度的加剧,左边墙呈线性减小,而拱腰和拱顶呈曲线形减小;衬砌安全系数随着病害宽度的增加,先是显著减小,最后又有小幅增长,但整体呈减小趋势;随着病害区域从边墙向拱顶转移,衬砌受影响的范围逐渐增大.     

水压条件下矿山法隧道主体结构的受力特征

为探明水压条件下矿山法隧道主体结构的受力特征,采用模型试验研究高水压条件下衬砌的力学行为、结构与围岩、地下水相互作用关系及结构破坏模式.研制了马蹄形断面非均布水压-土压加载装置,模拟大断面隧道衬砌主体结构在不同水压与土压共同作用下的力学行为.研究表明:弯矩沿衬砌周向总体上呈蝴蝶形分布,轴力呈近似椭圆形分布;土压力增大使结构弯矩、轴力、最大变形量和偏心距均增大;侧压系数增大使结构弯矩不同程度地减小,而使轴力增大;水压增大使衬砌轴力迅速增大,而弯矩增大较慢;高速铁路隧道衬砌结构承受的极限水压不宜超过500 kPa.      

公路隧道二次衬砌厚度的优化

应用工程类比法对榆树沟隧道二次衬砌厚度进行了优化设计,选取了Ⅱ类围岩浅埋、Ⅲ类围岩及Ⅳ类围岩三种不同的复合式衬砌结构类型,对隧道开挖后围岩和初期支护的力学状态采用FLAC软件进行了模拟计算,对二次衬砌的力学状态采用ANSYS软件进行了分析。结果表明三种衬砌结构类型的二次衬砌内力都较小,最大轴力为165 kN,最大弯矩为-15.97 kN.m,且都发生在Ⅱ类浅埋断面,二次衬砌的安全系数较大;衬砌周边位移最大的是Ⅱ类围岩浅埋,其洞周位移最大值(18 mm)发生在拱脚处,边墙围岩收敛较小,且围岩越好,周边位移越小;现场监控量测的净空收敛数值均远小于允许收敛值,二次衬砌接触压力的量测值均远小于规范计算值。可见,二次衬砌工作状态良好,安全储备较大,减薄二次衬砌厚度的隧道结构是安全的。     

JQ900A型架桥机通过万宁2号拱桥方案研究

介绍了万宁2号特大桥上JQ900A架桥机和KSC900运梁车过桥施工方案,采用结构分析程序对主梁的结构受力进行分析,计算了不同工况下主梁顶板、底板的应力,计算分析结果表明：抗裂安全系数均大于1．1,最大弯矩处的截面强度安全系数大于2．2,过桥方案是合理可行的。     

海底隧道钢拱架锈蚀对支护体系安全性的影响

为提高大断面海底隧道支护体系的安全性,对厦门海底隧道进行了有限元分析.在有水压和无水压2种情况下,分析了钢拱架锈蚀对自身承载能力和对初期支护混凝土、二次衬砌安全性的影响.分析表明:锈蚀率达到80%时,钢拱架与混凝土之间的粘结力和钢拱架的承载能力将完全丧失.随着钢拱架锈蚀,其弯矩降低系数与锈蚀率符合二次曲线关系,轴力降低系数与锈蚀率基本符合线性规律;初期支护混凝土边墙与拱顶处安全系数在无水压的情况下最大降低约5.5%,在有水压的情况下最大降低6.6%左右;二次衬砌边墙与拱顶处安全系数在无水压的情况下最大降低3.4%左右,在有水压的情况下最大降低约6.4%.     

衬砌背后空洞对隧道结构安全影响的模型试验研究

隧道衬砌背后空洞现象是隧道建设与运营中主要病害之一,这会改变隧道衬砌与围岩的相互作用关系,引起隧道结构应力集中而破坏。采用物理模型试验方法,模拟了隧道衬砌背后无空洞、单空洞、多空洞等3种工况。通过对比分析这3种工况在上覆荷载的作用下围岩压力、衬砌轴力及弯矩变化规律,获得了以下主要结论:①隧道无空洞时,衬砌与围岩接触良好,围岩压力、衬砌轴力及弯矩均随上覆荷载的增加而增大;②隧道衬砌背后存在空洞时,空洞范围内围岩压力无法传递到衬砌结构上,导致围岩压力、衬砌轴力及弯矩均随上覆荷载增加而减小,但衬砌结构因偏心距增大容易发生开裂破坏;③衬砌背后空洞对衬砌拱顶安全系数的影响最大,空洞数量越多安全系数降低越明显,但未改变安全系数在隧道横断面内的分布规律。     

滚石对棚洞结构的冲击动力分析

以棚洞结构为原型,对滚石冲击作用下棚洞的接触力、位移、损伤与能量进行了研究。将滚石简化为刚性球体,围岩和土体为理想弹塑性材料,混凝土为弹塑性材料,通过ABAQUS有限元,模拟了不同速度与冲击角度下滚石冲击荷载对棚洞结构的动力响应。分析结果表明:在冲击角不变时,滚石速度越大产生的位移越大,在速度不变时,滚石的冲击角越小产生的位移越大;混凝土防护结构损伤最严重的地方发生在与滚石接触的区域,其次在斜腿柱上端和同柱子连接的横梁处,在实际工程中应加强柱子上端与横梁连接处的强度;棚洞主要通过混凝土防护结构来吸收和消耗冲击能,土垫层吸收和消耗冲击能很有限,为了缓解滚石冲击对混凝土防护结构的破坏,可在棚洞支座处增设耗能减震器。     

超高边坡开挖对既有隧道衬砌结构安全影响分析

以某临近既有隧道的道路改建高挖方边坡工程为研究对象，利用有限差分软件模拟分析了边坡逐级开挖过程中隧道衬砌结构变形与主应力的变化规律，计算了衬砌结构安全系数进而评价隧道结构稳定性，并结合现场测量数据分析验证仿真模拟的可靠度。结果表明：随着超高边坡逐级开挖，隧道衬砌结构各部位变形均增大，最大主应力从压应力变为拉应力而最小应力均表现为压应力；安全系数大幅度降低，Ⅲ阶段右拱腰存在局部破坏风险，Ⅳ阶段拱顶与左边墙易受拉破坏；模拟值高于实际值，减少边坡爆破施工可确保隧道运营阶段的安全性，可为相似工程提供一定参考价值。     

矿山法地铁隧道二衬结构安全系数及可靠度计算方法研究

以北京地铁四号线某大断面矿山法隧道为背景,分别应用“初期支护与二次衬砌共同承受全部荷载的计算模式”与“不考虑初期支护承载而由二次衬砌单独承受全部荷载的计算模式”进行隧道截面安全系数和可靠度指标的计算,结果表明：两种承载模式得到的结构最不利截面安全系数均能满足要求,但“二衬结构单独承载模式”得到的最不利截面结构可靠度指标偏低．为确保根据不同承载模式得到的计算结果基本相同,在应用响应面法分析隧道衬砌结构荷载效应的基础上,采用了等效地层弹性抗力系数来表征初期支护对结构承载的贡献,为解决地铁隧道结构设计中由于结构承栽模式不同而造成的计算结果差异提供了一个途径．     

箱形梁长悬臂板的有限元分析

应用有限元软件Ansys,对箱形梁长悬臂板的内力分布规律进行有限元数值分析,着重研究悬臂长度、泊松比、板厚等参数对悬臂板内力分布规律的影响.结果表明：在轮压荷载作用下,长悬臂板内会产生较大的正弯矩,其最大值约为悬臂根部最大负弯矩的一半;随着轮压荷载作用位置的变化,根部负弯矩具有特殊的变化规律,当轮压荷载离悬臂根部的距离较大时,根部负弯矩近似按线性规律变化,根部最大负弯矩基本不随悬臂长度而变;泊松比和板厚对悬臂板内力的影响不大.     

地震区棚洞合理结构形式的研究

以傍山隧道为研究对象,计算了地震动作用下不同结构形式棚洞的主应力和位移。采用大型有限元软件AN-SYS对棚洞进行了地震反应分析,根据D-P屈服准则,利用静-动力统一人工边界建立边界条件。研究表明:半拱斜柱式棚洞比半拱直柱式棚洞的抗震性能更优越;拱式棚洞比柱式棚洞抗震性能更好;柱式棚洞柱与横梁的连接形式不同而应力分布规律发生变化;地震时,洞顶回填土与边坡的交界面可能产生滑动。     

外圆内椭管片结构内力计算模型

为了使地铁隧道适应地层荷载的不均匀性,参考异形管片结构形式,同时兼顾制作与施工等因素,提出外圆内椭管片结构,以保证管片结构最不利位置的刚度满足安全要求,并适当降低管片其他位置的刚度,充分利用材料特性;采用刚度阶梯折算法求解外圆内椭管片的柔度系数与自由项,建立外圆内椭管片的计算模型;参照实际工程地质条件,研究外圆内椭管片的内力分布特点;利用《铁路隧道设计规范》(TB 1003—2016)对外圆内椭管片的安全性进行评价。计算结果表明:相比于等刚度管片,在相同的荷载条件下,外圆内椭管片减小了管片结构拱顶与拱底的弯矩,将最大弯矩与最大轴力转移至拱腰,在验算时重点分析管片结构拱腰处的内力能否满足安全条件即可,简化了安全验算内容;在稳定性方面,等刚度管片在拱顶、拱肩与拱腰处的安全系数分别为3.07、18.05和2.45,外圆内椭管片在拱顶、拱肩与拱腰处的安全系数分别为2.79、14.86和2.21,虽然较之等刚度管片略有降低,但仍然大于安全验算要求规定的最小值2.0,可充分发挥混凝土的材料特性;在内部空间方面,外圆内椭管片在外径与等刚度管片一致的情况下,等刚度管片的内部空间面积为22.9m2,而外圆内椭管片的内部空间面积为23.76 m2,明显大于等刚度管片面积,因此,可在不扩大外径的条件下,增加了内部空间面积,提高了内部空间利用率。      

棚洞与隧道洞口段的地震反应分析

应用有限元法并采用等效黏-弹性人工边界,对棚洞和隧道洞口段的施工过程进行了模拟,确定了隧道施工完成后的静应力场,并进行了三维地震反应分析.计算中分别考虑了不同围岩级别以及棚洞与隧道洞口的不同联接形式对地震反应的影响.计算结果表明:棚洞的纵梁距离洞口越远,其内力越小,在棚洞与隧道洞口的联接处附近,棚洞梁将产生较大的应力;...     

基于随机有限元的隧道衬砌结构可靠性分析

结合广州地铁三号线大塘站~沥窖站区间盾构隧道的实际情况,采用荷载-结构模式与蒙特卡罗-有限元法,选取不同的随机变量统计特征,进行了隧道衬砌结构可靠性分析,得出了隧道衬砌各截面处的抗压可靠指标与抗裂可靠指标。研究结果表明:拱顶处的轴力对上部水压最为敏感,弯矩对侧压力系数最为敏感,工程的支护体系能够满足目标可靠指标要求,具有足够的安全储备。     

接触非线性分析及对车下吊装联接结构螺栓可靠性的校验

基于接触非线性理论,使用HyperMesh软件构建了城际动车车下吊装结构的接触有限元精细模型,通过ANSYS软件对吊装结构联接螺栓进行有限元接触分析.分析结果显示:工作工况下,最大螺栓应力出现在螺杆根部,预紧力对螺栓应力影响较大.通过对动车车下吊装结构的接触有限元分析,总结了若干影响接触非线性分析的因素,为铁路机车车辆接触非线性分析提供了若干有益的建模经验.     

列车撞击荷载的有限元数值分析

为获得列车脱轨撞击荷载,分析列车撞击时盾构隧道的动力响应,建立了列车编组的三维撞击有限元模型,探讨了不同列车编组、不同撞击速度和撞击角度下列车近似撞击力时程曲线,分析了列车撞击力最大值和撞击时间与列车撞击速度和角度的关系,并将典型撞击荷载用于分析不同厚度二次衬砌管片衬砌的动力响应.结果表明:列车编组数量一定时,列车斜向撞击力最大值随撞击速度和撞击角度增大而增大;当撞击角度增大到7.5后,撞击力作用时间随撞击速度增大而延长;根据列车撞击力最大值出现时刻不同,可将撞击力时程曲线划分为2类特征曲线,其中第1类特征曲线(撞击瞬间撞击力达到最大)总体上符合高斯多峰拟合公式,可用10个参数近似拟合.二次衬砌厚度增大能有效减小管片衬砌应力、速度、加速度等动力响应以及拉、压损伤区域.      

寒区隧道冻胀效应测试与分析

为研究寒区隧道冻胀力随时间和空间的分布规律, 基于温度场变化定义了测试冻胀力, 通过衬砌压力和钢架应力间接反映真实冻胀力的变化规律; 提出了冻胀力简化测试方法, 研发了温度场-冻胀力同步测试系统; 以四川省省道215线鸡丑山隧道为例, 布置5个测试断面开展大规模现场测试, 并选取典型断面K117+700 (简称700断面) 和K117+600 (简称600断面) 分析了隧道环境温度、围岩温度、衬砌压力与钢架应力; 以围岩冻结(12~次年2月) 和未冻(7~9月) 时对应的衬砌压力和钢架应力差值为测试冻胀力, 结合温度场分析了隧道周边各测点测试冻胀力; 采用现有冻胀模型计算理论冻胀力, 并与测试冻胀力进行了对比, 研究了寒区隧道冻胀规律。分析结果表明: 隧道环境温度随时间呈季节性正弦函数变化, 受环境温度影响, 围岩温度呈季节性正负温变化, 并出现季节性冻融现象; 当围岩为负温时处于冻结状态, 支护系统受到围岩压力和冻胀力的共同作用, 且温度越低冻胀效应越明显, 各断面测点应力峰值均出现在1月, 700断面衬砌和钢架最大应力分别为149kPa、31MPa; 当围岩为正温时处于未冻结状态, 支护系统仅受到围岩压力作用; 同一断面不同测点的测试冻胀力差值可达5.23MPa, 说明冻胀力除与围岩温度有关外, 还与富水条件和围岩级别有关; 最大冻胀力实测值比理论计算值小1.25MPa, 因此, 寒区隧道支护设计时建议考虑89.17%的冻胀力折减系数。      

横风中高速列车以及桥梁的气动特性研究

运用通用的流体动力学软件FLUENT,利用二维定常不可压缩Navier-Stokes方程、SST湍流模型,采用有限体积法分析计算了车辆断面、32 m箱型简支梁桥断面以及两者组合体在15 m/s横风作用下受到的阻力、升力和倾覆力矩系数。数值分析结果表明,在横向风的作用下,发现车辆在简支梁桥上时,车辆受到的升力系数大于车辆单体的情况,倾覆力距系数明显小于车辆单体情况,而此时简支梁桥的升力系数明显小于简支梁桥单体情况。