偏压荷载下隧道衬砌损伤状态分析与健康分级

为方便判断偏压荷载作用下隧道衬砌损伤程度,文中结合浙江白阳山隧道采用塑性损伤与扩展有限元模型模拟分析偏压荷载作用下隧道衬砌结构损伤演化过程。结果表明,(1)衬砌受力模式为左拱腰内侧受拉、右拱腰外侧受拉及左边墙外侧受拉;(2)衬砌损伤变形主要可划分为4阶段：左拱腰内侧开裂-左拱腰外侧压屈阶段-右拱脚内侧压屈-结构破坏阶段,破坏形态表现为“左拱腰向内塌陷,左边墙、右拱腰向外扩张”;(3)衬砌损伤状态可划分为5级健康分级标准及3级预警标准。     

浅埋偏压公路隧道衬砌裂损病害统计及成因反演分析

基于广东地区某三车道高速公路隧道浅埋偏压段衬砌裂损病害检测数据,采用数理统计方法对衬砌裂损病害进行统计分析。结合隧道施工及检测情况,对浅埋偏压段隧道结构受力情况分别采用荷载-结构法和地层-结构法进行了数值反演计算。计算结果表明:对于隧道的浅埋偏压段,地层-结构法得到的衬砌受力情况更加吻合隧道衬砌裂损状态,受隧道施工及地形偏压的影响,浅埋侧隧道拱部围岩塑性应变和围岩压力大于深埋侧,因衬砌钢筋保护层较厚,导致钢筋无法有效约束裂缝发展,进而造成浅埋侧衬砌大面积开裂。     

浅埋偏压隧道施工工法研究与非对称设计优化

为探究偏压隧道的适宜工法并针对偏压特性对支护结构进行非对称优化,基于九绵高速福隆隧道,通过现场监测深浅埋侧非对称周边收敛与地表变形,建立三维山体隧道模型,进行不同工法围岩、支护结构受力变形比选分析以及初期支护厚度、锚杆长度与倾角的非对称优化设计。相关研究表明:1)现场监测发现,地表沉降与周边收敛非对称特性明显,随着离隧道正中距离的增大,深埋侧地表沉降较浅埋侧数值减小较慢。深埋侧上拱腰收敛数值最大且波动较大,浅埋侧下拱腰收敛增速较慢。2)偏压隧道较适宜工法为CD法,能有效控制围岩支护结构变形、锚杆应力、初期支护压应力以及塑性区分布。3)初期支护非对称优化结果为将浅埋侧初期支护厚度减小2cm,深埋侧增大2cm,能将二次衬砌拉应力控制在较小数值。4)锚杆长度非对称优化结果为将浅埋侧锚杆长度减小0.5m,深埋侧增大0.5m,使锚杆受力更为均匀并减小右上拱肩与左下拱脚的塑性区。初期支护应力在右上拱肩与左下拱脚处存在显著偏压,通过将右上拱肩处锚杆朝深埋侧倾斜能一定程度减小初期支护受力不均匀。     

土岩复合地层大跨地铁车站地震响应特征研究

为了研究位于土岩复合地层的大跨地铁车站在地震作用下的动力响应特征,采用有限元软件建立地层-结构模型,分别用Drucker-Prager弹塑性模型和混凝土损伤破坏模型模拟岩土体和混凝土衬砌,并在数值模拟的同时输入水平和竖向地震动进行动力时程分析。基于数值计算结果,对车站结构关键点的最大和最小主应力时程、关键时刻的主应力分布状态等进行分析,结果表明:1)车站结构最大拉应力主要发生在中板腋角、边墙上部和拱底等拐角区域;2)结构破坏主要表现为受拉损伤破坏;3)结构的压应力相对较小,未出现明显的受压破坏。     

偏压连拱隧道衬砌优化分析

浅埋偏压连拱隧道衬砌形式直接关系到整个隧道施工及正常运营,该文采用有限元数值方法对不同衬砌形式下偏压连拱隧道结构受力及应变特征作了计算分析。结果表明,偏压连拱隧道采用分层曲墙结构将有助于改善结构受力状况,减小应力集中及上部位移,降低衬砌开裂渗水的可能性,从而为偏压连拱隧道合理设计提供理论根据。     

浅埋偏压连拱隧道施工工艺研究

结合正在建设的诸永高速公路东村2号连拱隧道,应用平面弹塑性模型,对偏压浅埋双连拱隧道不同的施工过程进行了有限元数值模拟。根据计算结果分析不同施工顺序对中墙、衬砌结构受力和变形以及围岩塑性区的影响,并在此基础上采取强度折减法分析对不同施工过程对山体的稳定性的影响。通过以上的这些分析,指出了浅埋偏压连拱隧道施工过程中围岩应力的危险区域,施工顺序选择等。     

浅埋偏压隧道衬砌结构开裂机理及损伤失效分析

在浅埋、偏压等不利地质条件下隧道衬砌结构易发生开裂、渗漏水等病害,衬砌开裂及渗漏水的存在降低了结构的耐久性和承载力,影响结构的安全使用性能。为分析浅埋偏压条件下隧道衬砌结构受力变形特征及稳定性情况,基于扩展有限元原理,采用ABAQUS软件对不同的上覆岩层厚度条件下隧道衬砌结构空间受力特征、裂缝扩展情况及混凝土单元损伤失效程度等进行了模拟分析。研究结果表明,在浅埋偏压条件下,当上覆岩层厚度未超过7m时,隧道衬砌结构均出现不同程度的开裂现象,裂缝位置均大致位于A洞右拱脚位置。当上覆岩层厚度分别为3.5m、4m和5m时,隧道初期支护出现了贯通的纵向裂缝,当上覆岩层厚度为7m时,隧道初支沿走向出现了多条轻微不连续的纵向裂缝。随着上覆岩层厚度的增大,隧道衬砌结构损伤程度呈降低趋势,偏压的影响逐渐减小。     

爆破荷载作用下隧道初次衬砌结构的动力响应

为了研究隧道初次衬砌结构在爆破荷载作用下的动力响应,采用现场试验和数值模拟相结合的方法,应用TC-4850测振仪获得3个测点8次监测试验的质点振动速度峰值数据,依据最小二乘法拟合得出质点振动速度峰值传播规律的萨道夫斯基公式;采用LS-DYNA数值模拟软件,定义材料参数及其状态方程,在依据质点振动速度峰值传播规律可靠性分析验证数值模型合理性的基础上,建立隧道初次衬砌结构仿真模型,考虑初次衬砌强度的变化,分析隧道结构关键位置(拱脚、拱腰、拱肩、拱顶)处应力及位移的变化规律。研究结果表明:隧道初次衬砌结构X方向拱脚和拱顶处应力峰值明显大于其余关键位置,Y方向应力峰值出现在拱脚位置,为118 100 Pa,Z方向应力峰值同样出现在拱脚处,为239 100 Pa,且Z方向应力峰值明显大于X和Y方向;隧道初次衬砌结构位移峰值出现在拱腰位置,为0.361 cm,且Z方向位移峰值出现时间明显早于X和Y方向;在C30的基础上,增加C25和C35初次衬砌强度等级,随着初次衬砌强度的递增,应力呈正相关关系,位移呈负相关关系。     

既有连拱隧道在桩基影响下的地震响应分析

采用FLAC3D对桩基施工前后既有连拱隧道在地震荷载作用下的动力响应进行了时程数值分析,研究了桩基对既有隧道的动力影响。计算结果表明:在地震荷载作用下,桩基的施工对隧道衬砌轴力、弯矩数值及分布形态均产生了变化,尤其是近邻桩基一侧隧道拱腰至边墙脚的力学响应变化最大,中隔墙右上、右侧隧道拱腰至边墙脚,是连拱隧道抗震的薄弱部位。     

浅埋双洞错距山岭隧道洞口段地震响应试验研究

由于岩土非线性本构模型以及地震动力方程的复杂性,采用数值模拟或解析法分析隧道抗震性能均存在一定不足,因此模型试验仍是当前研究隧道抗震的有效途径。以强震区勒不果喇吉隧道为原型,设计相似比为1∶30,以河砂、机油与粉煤灰热融混合料作为围岩的相似材料,以石膏作为隧道衬砌相似材料,在隧道模型衬砌内外侧对称粘贴应变片以监测应变应力值,同时在隧道模型及振动台上安设结构加速度计来反演模型围岩的地震响应,采用大型振动台模型试验研究浅埋错距双洞隧道洞口段震害特征与工程减震措施。结果表明:隧道模型围岩对输入地震波有较明显的扩大效应,其频率谱也发生了改变,15 Hz以下频段的地震波得到了强化而其余频段发生衰减;岩土体对隧道结构的约束作用减轻了隧道结构的地震响应,按照模型试验相似比换算,可以将45 m作为隧道洞口段抗震设防长度;隧道墙角位置与仰坡拱肩45°角处为山岭隧道洞口抗震的薄弱环节;洞口段错距部位的震害要比其他部位更加严重,设计中可以考虑在错距部位适当增加岩土体积,以增强该部位的岩土约束作用;地震波作用下浅埋双洞错距山岭隧道地下结构之间存在较强的动力相互作用;在隧道结构周围设置大阻尼结构减震层可以有效降低隧道洞口的地震响应,减弱衬砌应变损伤。     

高地震烈度下超大直径海底盾构隧道地震响应分析

运用FLAC3D软件采用动力有限元法对高地震烈度下超大直径海底隧道地震响应进行分析。通过分析得出如下结论:①与单纯自重应力场作用下相比,地震作用会造成结构内力增大,拱顶及拱腰为其受力薄弱部位;②在重力及地震共同作用下,衬砌结构的拉应力主要出现在拱顶附近,最大拉应力超过C60混凝土的抗拉强度设计值,拱顶的衬砌管片可能出现局部脱落;③衬砌结构的最大受力和位移一般发生在地震2-6 s的时间段;④各关键点位置的位移、弯矩、剪力、轴力时程曲线具有相似的变化规律;⑤隧道衬砌最大水平位移为3.6 cm,最大竖向位移为3.7 cm。     

基于数值模拟的隧道超挖围岩力学响应分析

以曼木树隧道为工程背景,采用数值模拟及现场监测的方法,对围岩等级为Ⅳ级,在不同埋深、不同超挖深度工况下,隧道超挖围岩的力学响应进行了分析。分析结果表明:在同样超挖,不同埋深的工况下,洞壁围岩应力随着埋深的增大基本呈线性增长,洞壁围岩的组合变形量在左拱腰、拱顶、右拱腰等区域均大于左拱脚、右拱脚区域;在同样埋深,不同超挖的工况下,随着超挖的增大,各洞壁围岩的组合变形量在左拱腰、拱顶、右拱腰等区域均大于左拱脚、右拱脚区域;在不同超挖,不同埋深的工况下,超挖40cm时,各个应力问题与埋深无关,超挖60cm、80cm时,水平应力与等效应力问题发生位置与埋深有关,其余应力问题发生位置与埋深无关。     

浅埋隧道单侧扩建施工方案优化

目前国内外常见隧道扩建施工大都采用传统新建隧道的施工方法,但由于传统开挖方法忽略了原隧道衬砌对围岩的长期支撑稳定优势,降低了施工效率。依托重庆渝州隧道扩建施工实例对扩建优化施工方案进行了深入研究,提出了浅埋隧道单侧扩建优化施工方案,即横向采用合理拱轴线开挖,纵向采用跳槽开挖的新方法。通过现场监控量测和ANSYS三维有限元模拟还原施工全过程进行对比分析。采用优化施工方案时,随着开挖掌子面的推进,原隧道衬砌受压应力计算值增大,纵向跳槽开挖时未拆除的原隧道衬砌能够发挥柱的作用,承担因跳槽开挖而产生的围岩压力,可有效提高施工安全稳定性。横向采用合理拱轴线开挖,使得开挖后围岩压力传递更加合理,并显著降低了初期支护结构拉应力和一定程度上增加了初期支护结构压应力。数值计算结果及现场监控量测数据对比显示,浅埋隧道单侧扩建开挖方案优化后拱顶位移比现状开挖方式小约16%～20%,且拱顶基本不出现受拉区,证明优化后的开挖方案在地下工程开挖卸荷时改变了原围岩的应力路径,能够充分调动围岩的自稳能力。故采用优化施工方案不但能够减少拱顶沉降,降低衬砌的拉应力,还能在保证施工安全的同时缩短施工工期,为今后的类似隧道扩建工程提供借鉴。     

不同应力场软弱围岩公路隧道结构安全性数值分析

针对目前隧道衬砌结构在运营中出现较多病害的现状,运用数值计算手段,建立三维有限元数值模型,对不同应力场软弱围岩公路隧道结构安全性进行了评价,详细研究了衬砌结构在不同应力场作用下出现裂缝时的应力和变形,研究结果表明:不同应力场,隧道衬砌结构均先在拱脚处出现裂缝;随着侧压力系数的增大,衬砌结构承载减小;拱脚处应作为隧道结构长期安全性应力监控的重点;另外,在λ为0.5、1.0的应力场中,边墙处压应力值也较大,而在λ为1.5的应力场中,拱顶处的压应力值较大;隧道结构在长期安全性变形的监控中,在λ为0.5的应力场中,边墙、拱顶处应重点监控;在λ为1.0的应力场中,拱肩、拱顶处应重点监控;在λ为1.5的应力场中,拱腰、拱顶处应重点监控.     

极软岩隧道横洞开挖空间力学效应研究

为研究极软岩隧道车行横洞交叉段施工力学特性,以大梁山特长公路隧道V级极软围岩段为依托,采用现场试验结合数值模拟试验分析其空间效应。研究断面现场监测结果表明:6个断面在深度为1 m、2m和3 m处内部围岩位移受横洞开挖影响较小,可忽略不计。拱腰和拱脚处钢支撑内力在横洞开挖后小幅增大,影响区集中于拱腰及以下部位,对拱顶部位影响较小。远离横洞侧拱脚、拱腰及拱顶处围岩压力与层间压力所受开挖影响很小,而近横洞侧拱腰处影响相对较大,在施工中应值得注意。数值试验结果表明,混凝土应力受横洞开挖影响主要表现为压应力增大,产生压应力增大区;围岩塑性区在开挖前有一定程度增大和区域改变,锚杆轴应力施工前后变化不大。     

逆断层错动对公路隧道影响研究

根据依托工程某隧道相关地质资料,运用FLAC3D有限差分软件建立穿越逆断层破碎带隧道数值模型,针对不同断层错距,分析逆断层错动作用下隧道衬砌受力与变形规律,得出衬砌破坏形式。结果表明衬砌强烈变形集中在断层两侧各20m范围内,衬砌受力集中位置在断层与上盘交界处,其中拱脚处压应力集中,拱腰处剪应力集中,拱顶和仰拱受到纵向应力方向相反,衬砌结构破坏形式是拉张—挤压和剪切组合破坏,研究成果可对类似工程设计与施工提供参考。     

红砂岩隧道开挖稳定性的三维数值分析

以湖南西部某红砂岩浅埋隧道为例,建立了三维有限差分数值模型并模拟了隧道不同开挖步过程中掌子面附近围岩应力和地表沉降的变形规律,最后利用数值计算结果与实测数据进行了对比分析。结果表明:隧道开挖对掌子面前方影响范围约为2D,在掌子面后方1D范围内围岩应力发生明显变化,随掌子面向前推进逐步趋于稳定;地表沉降量主要发生在上台阶开挖时,当仰拱施作完成形成稳定的闭合环结构后,沉降变形很快趋于稳定。主应力最大值位于拱腰,其次是拱脚,而塑性区主要出现在拱肩和拱脚。实测数据与计算结果基本吻合。     

黄土公路隧道衬砌受力特性测试研究

通过对浅埋黄土公路隧道衬砌受力现场测试,研究了隧道衬砌围岩压力、钢花拱轴力和二次衬砌混凝土应变随时间变化以及不同位置分布情况。结果表明:拱部和边墙围岩压力先是增大后减小然后趋于稳定,隧道周围土体有局部坍塌的可能,按实测值推算的竖向围岩压力小于按已有公式计算的值,钢花拱轴力稳定较快且以受压为主,二次衬砌和仰拱的承载作用并不明显。     

基于损伤理论的隧道衬砌结构动力破坏模式研究

基于性能的抗震设计已逐步发展为抗震工程领域的主要研究方向,而理清隧道结构的动力破坏模式及机理是推动行业抗震发展的重要动力。为此,本文基于混凝土损伤理论,结合扩展有限元方法,对隧道衬砌结构开展动力分析,通过损伤参数和状态指标对衬砌裂损产生机理、结构破坏形式开展研究,结果表明在地震荷载作用下衬砌损伤以拉裂损伤为主,在衬砌截面的拱肩、拱脚和仰拱等部位易发生损伤并形成贯通裂缝,因此,在抗震设计中该部位是重点设防位置。本文的研究结果,对结构性能抗震设计,在役隧道的抗震性能评估具有重要的促进意义。     

软岩隧道横洞施工对主洞衬砌结构影响分析

针对隧道中先浇筑主洞衬砌结构后进行横洞开挖的施工工序中横洞施工对主洞衬砌结构形变破坏的影响,以某软岩隧道为工程依托,通过隧道衬砌应力监测、初支结构形变监测以及横洞施工时主洞衬砌结构形变破坏的监测,对深埋软岩隧道横洞施工对主洞衬砌结构形变破坏影响进行了研究与分析。研究表明,隧道交叉段围岩形变量较大,围岩形变速率较大,最大水平收敛位移达到537mm。最大拱顶下沉值达到346.1mm,围岩形变速率平均值达到9.93mm/d;依托工程隧道衬砌为主要受力结构,受力随着时间呈逐渐增大趋势。局部位置处形成应力集中区,应力值达到1.13 MPa和1.03 MPa。衬砌混凝土在左拱脚与右拱腰位置处呈现受压状态,最大压应力值为0.889 MPa。拱顶呈受拉状态,最大拉应力值为6.45 MPa。深埋软岩隧道中的横洞施工对主洞衬砌结构的形变破损有着较为严重的影响,影响范围达到140m。在此软岩隧道中不宜采用先浇筑主洞衬砌结构后对横洞进行爆破开挖的施工工法。