基于有限单元法的隧道抗水压衬砌结构设计

研究目的：客运专线铁路隧道结构设计中往往会碰到水荷载作用计算难题，考虑抗水压衬砌结构设计仍然是隧道设计与研究热点之一。为检验隧道衬砌结构设计的安全性及防水性，有必要对抗水压衬砌设计结构进行内力计算。研究方法：针对金沙洲隧道特定地质条件和工程设计要求，采用基于有限单元法的荷载结构模型，对按围岩类别设计的3种隧道断面衬砌结构受力进行数值模拟。研究结果：研究得到了衬砌外水压力以及结构内力及分布特征，并验算了衬砌结构的安全系数。通过对计算结果分析验证，选出了各自围岩级别下合适的衬砌结构。研究结论：在全断面封闭排水的衬砌结构设计中，应着重考虑发挥混凝土的抗压性能；在富水区地下水头较大时。采用帷幕注浆法改善堵水圈的渗透系数，可有效降低衬砌的外水压力；选择仰拱外轮廓隅角半径、仰拱与曲边墙的连接处的半径以及仰拱厚度作为控制变量，可以改善衬砌结构受力特征。     

武隆隧道岩溶暗河段衬砌受力分析

针对渝怀铁路武隆隧道在施工中揭穿多条暗河以及多次发生特大涌水的情况,充分考虑外水压力对隧道的衬砌结构的影响,研究在不同的外水荷载情况下,衬砌各个部位的受力变形特征,为隧道的设计和施工以及运营期应注意的问题提供理论依据。     

考虑外水压力的山岭深埋隧道变形分析

西南高山地区由于雨水充沛,导致隧道衬砌承受较大的外水压力,并且隧道一般埋深较大,为探讨在外水压力作用下山岭深埋隧道变形情况,以雅砻江两河口电站1#公路隧道为依托,进行了有限元数值模拟。分析结果表明,在考虑外水压力的作用下,隧道衬砌变形比不考虑外水压力明显增大。同时,通过与典型断面三个实测点变形值的对比,可以发现,考虑外水压力的作用变形值与实测情况较相符。     

水底隧道复合式衬砌水压力影响因素分析

富水量较大的水底隧道,隧道防排水系统对于控制隧道涌水量和衬砌外水压力十分重要。采用数值计算方法,研究固定水头下水底隧道不同注浆参数、衬砌渗透系数及隧道控制排水量对衬砌水荷载的影响,并与轴对称解析解结果进行对比验证。研究结论:(1)渗透系数增加和注浆圈厚度减小都致使衬砌外水压力的增加;(2)初衬渗透性的变化对初衬外水压力的影响十分显著;(3)数值解与解析解的结果相差不大,非圆形隧道截面可利用等效半径求解衬砌外水压力和隧道涌水量的解析解,并用于隧道防排水的初步设计;(4)隧道注浆圈参数和初衬渗透系数一定时,增大控制排水量有利于减小二衬背后外水压力。     

海底隧道全断面注浆渗流场分析

围岩的注浆效果直接影响到海底隧道的施工安全。采用数值计算方法对固定水头的海底隧道在不同注浆圈厚度、注浆圈渗透系数以及排水方式下,隧道的涌水量和衬砌外水压力进行计算与分析。并将数值模拟的结果与轴对称解析解结果进行对比,结果表明:(1)不同的隧道防排水方式对衬砌外压有着明显的影响;(2)注浆圈的径向加固范围对隧道涌水量和衬砌外水压力产生一定的影响,但其效果并不明显;(3)注浆圈的渗透系数对隧道的涌水量和衬砌的外水压力有较大影响。     

双连拱隧道施工中衬砌裂损过程力学机理分析

衬砌裂损是隧道病害中较为重要的类型,其产生原因包括很多因素。近年来一些复杂的隧道结构施工中即出现了衬砌的裂损,对隧道的正常运营构成安全隐患,裂损机理还有待深入研究。结合九龙隧道衬砌病害,通过地形地质条件勘查、施工分析以及施工过程的数值模拟,考虑隧道所处位置实际地形条件、地层构造压力、施工顺序,重点对衬砌支护结构的受力状态和地层稳定进行分析,为衬砌病害整治提供参考。     

深埋山岭隧道帷幕注浆段衬砌外水压力研究

通过建立深埋山岭隧道的渗流模型,分析外水压力对支护体系的荷载影响,推导出帷幕注浆段衬砌外水压力的计算公式以及隧道内最大涌水量公式,并就理论公式结合工程实际情况展开探讨。同时,对太行山隧道帷幕注浆段外水压力进行现场测试。测试数据表明,由于监测时间较短、测点选择等原因,虽然帷幕注浆段衬砌外水压力较小,但考虑到后期外水压力的增加,为确保隧道运营期安全,需加强高压富水段外水压力持续监测。     

各向异性渗流深埋隧洞衬砌外水压力解析研究

基于渗流力学基本理论，进行各向异性深埋隧洞渗流场解析研究。由稳定渗流场基本微分方程结合深埋隧道渗流场边界条件，利用坐标变换法将地层从各向异性转换为等效各向同性，运用保角变换将渗流方程转化为Laplace方程；将围岩渗流区域进行分区计算，得到围岩的渗流量计算公式；考虑衬砌为各向同性渗流，根据围岩与衬砌分界面上的渗流量相等得到衬砌外水压力的解析表达式，在此基础上考虑注浆圈及其对衬砌外水压分布的作用，得到了带注浆圈隧道衬砌水头和渗流量的解析解；通过与各向同性解析解和数值算例的计算结果对比，验证了公式的正确性。分析围岩水平与竖向渗透系数、注浆圈参数、衬砌参数、作用水头高度和隧道半径等因素对衬砌外水压力的影响，并考虑了各向异性渗流情况下衬砌外水压力与隧道渗流量的关系曲线。     

武隆隧道涌水治理及支护体系稳定性分析

针对渝怀铁路武隆隧道在施工中揭穿多条暗河以及多次发生特大涌水的情况,采取了一系列有效的措施来进行治理;同时还对衬砌结构进行了监控量测,实测数据表明衬砌受力和变形都较小,在雨季涌水时虽稍有增大,但也完全满足设计要求;有限元分析表明对于武隆隧道最大可以承担有效水头高度为100 m的外水压力,只要保持排水通道的畅通,是可以保证隧道在运营期的安全和稳定的。     

山岭隧道水压力分布对围岩稳定性及结构受力影响研究

采用平面有限元数值模型分析透水衬砌、排水系统和墙脚排水3种排水形式下,无水压、衬砌水压力在均布和非均布时蛋形断面和圆形断面山岭隧道围岩的稳定性及结构受力特征。研究了衬砌水压力不同分布对隧道位移、塑性区和结构受力的影响规律,并对衬砌水压均布与非均布的结果进行了对比分析。分析结果表明:水压力的存在使隧道位移、塑性区范围和塑性应变最大值显著增加,对围岩的稳定性不利,特别是对结构受力的影响更加显著。水压力较大时,从围岩稳定性和结构受力来讲采用圆形断面优于蛋形断面。水压力不均匀分布时对围岩稳定性和结构受力均产生不利影响。     

高水压富水山岭隧道不同排水率的分析研究

以某富水区山岭隧道为工程背景,通过建立有限元地层结构模型,对隧道结构在高水压力作用下的力学行为进行模拟分析,得出排水率对衬砌外侧水压力分布规律以及衬砌结构受力情况变化规律的影响。研究结果表明:通过改变排水率可以有效降低衬砌外侧水压力,但过低的降低排水率,衬砌外侧水压力降低效果不明显。     

隧道围岩渗流和衬砌水压力荷载

从地下水的渗流作用出发,对作用于隧道衬砌的水压力荷载的计算进行了讨论,并得出以下几个结论：一是在采用全封堵防水衬砌的情况下,无论围岩的渗透系数多小,都必须考虑同地下水位相应的水压力荷载。二是只有透水的衬砌（或设置排导系统）才能考虑水压力折减系数。水压力折减系数的量值主要取决于衬砌渗透系数同地层渗透系数之比。三是对于高水头的深埋隧道,为避免量值较大的水压力,应设置排导系统,不宜采用全封堵衬砌结构。要采用围岩注浆来控制地下水的排放流量。     

隧道衬砌外水压力计算方法研究现状与进展

隧道工程中地下水作用在衬砌上的外水压力是进行衬砌设计的一个重要因素 ,如何确定外水压力是隧道工程界迫切需要解决的一个问题。以往的相关研究可大致分为折减系数法、理论解析法、理论解析与数值解析相结合法、数值解析方法 (渗流、渗流与应力耦合方法 )等几种。对于隧道工程 ,这些研究还不能完全满足实际工程的需要 ,有待于进一步研究     

山岭隧道高水压下衬砌结构三维数值模拟

采用三维有限元数值模型,分析圆梁山隧道高水压条件下衬砌结构受力及变形特征。研究结果表明,高水压对隧道衬砌结构影响显著,在高水压作用下衬砌结构的受力和变形都较大,衬砌结构上存在较大的纵向弯矩。水荷载是隧道衬砌结构的主要荷载之一,应引起足够的重视。     

隧道衬砌外水压力计算方法研究现状与进展

隧道工程中地下水作用在衬砌上的外水压力是进行衬砌设计的一个重要因素，如何确定外水压力是隧道工程界迫切需要解决的一个问题。以往的相关研究可大致分为折减系数法、理论解析法、理论解析与数值解析相结合法、数值解析方法(渗流、渗流与应力耦合方法)等几种。对于隧道工程这些研究还不能完全满足实际工程的需要，有待于进一步研究。     

武广铁路客运专线浏阳河隧道抗水压衬砌计算分析

武广客运专线浏阳河隧道作为国内第一条客运专线水底隧道,下穿城区环境敏感地段,设计提出对埋深<50 m的地段采用全封闭不排水的抗水压衬砌结构形式.对隧道抗水压衬砌结构的计算原则、受力模型进行了探讨,并通过多种工况的计算和比较,对抗水压衬砌的受力特征进行了分析和总结,并根据此受力特征拟定了加深仰拱的衬砌结构形式.     

中英钻爆法铁路隧道设计方法比较研究

针对钻爆法铁路隧道围岩分级、初期支护及二次衬砌设计方法等内容,对比分析了中英两国在隧道设计方法和理念方面的差异。对比分析表明,英国隧道设计基于巴顿的Q系统,该系统用表征岩体的RQD值,节理组数、粗糙度系数、地下水折减系数、蚀变系数及地应力折减系数来反映围岩整体力学性质,英国铁路隧道初期支护采用经验设计法,根据Q图谱进行预设计,采用有限元程序进行检算。二次衬砌采用极限状态理论进行设计,衬砌承受围岩压力的标准值由巴顿公式计算得出,二次衬砌设计时不考虑初期支护的作用。中国铁路隧道初期支护多采用类比法进行设计,并采用有限元法进行校核,二次衬砌普遍按破损阶段法设计,围岩压力根据统计回归公式计算,采用安全系数K控制结构安全性。相比而言,英国隧道设计方法和理念与围岩参数联系较为紧密和直观,而中国隧道设计方法基于定性与定量结合的围岩分级标准,两者差异明显。     

富水隧道基于温度比拟法的合理注浆参数研究

以南大梁(南充-大竹-梁平)高速华蓥山隧道为工程背景,针对其在断层富水区段使用的“以堵为主,限量排放”的防排水原则,采用温度比拟法对不同注浆参数下衬砌的外水压力、内力、安全系数以及隧道排水量进行研究。研究结果表明:注浆圈在一定施作范围内可有效降低隧道洞内排水量、衬砌结构外水压及其内力,从而增大衬砌结构安全系数,提高其安全储备能力,但总体而言,注浆参数存在一个相对经济合理的范围。据此,以隧道设计排水量和二次衬砌结构安全性为评判标准,结合隧区生态环境等要求,提出华蓥山隧道注浆参数的设计建议值。     

山岭隧道突水对衬砌结构受力影响数值分析

用有限元数值模型,分析隧道断面上8个不同位置10种不同水压突水条件下衬砌结构的受力特征。结果表明:突水位置发生在仰拱或墙脚位置时,对衬砌结构的受力影响显著;突水对衬砌结构上的最大正弯矩和最大剪力影响最显著,而对最大负弯矩和最大轴力影响要相对小一些。运用结构力学的弯矩影响线理论,把突水压力作为衬砌结构上的移动荷载,给出不同突水压力下衬砌结构的弯矩包络图。     

基于流固耦合的水底隧道仰拱受力分析与优化

目前,国内外学者对用于铁路和公路交通的山岭隧道断面形式做了不少研究,并得出一些有价值的结论。但是,研究结论应用于水底隧道是否同样能满足衬砌结构受力合理的要求,是值得研究的问题。矿山法修建大断面铁路和公路水底隧道,其断面形式主要采用马蹄形断面,并设置仰拱来控制围岩位移及改善衬砌结构受力。本文以厦门东通道海底隧道为工程背景,采用三维有限差分软件FLAC3D进行流固耦合分析,研究仰拱曲率半径及仰拱部位的防排水措施对围岩位移及衬砌结构受力的影响,优化水底隧道断面形式,以指导大型跨江海的水底隧道的设计和施工。