强震区围岩局部缺陷对隧道衬砌受力影响分析

研究目的:已有震害调查表明,围岩施工塌方引起的局部缺陷段在地震作用下均出现了不同程度的二衬剥落、错台、整体垮塌等震害,而国内外隧道相关规范多关注洞口和断层的结构抗震问题,对围岩局部缺陷段关注甚少。因此有必要深入探讨围岩局部缺陷条件下隧道结构震害特征及参数敏感性,以期为强震区围岩缺陷段设计及施工处置提供理论参考。研究结论:(1)围岩局部缺陷几何尺寸的增大不会改变动峰值加速度PGA、主应力、内力响应频谱变化规律,但会不同程度增大隧道衬砌主要部位PGA、主应力峰值和内力峰值大小;(2)局部缺陷位置变化(拱顶、拱肩、拱腰)具有显著的"局部区域特性",但无论缺陷位于什么部位,拱肩、拱顶均为薄弱部位,实际工程应对相应位置抗减震措施设置予以重视;(3)围岩状态越差、埋深越浅,越不利于隧道衬砌结构抗震;(4)围岩局部缺陷影响因素(缺陷位置p、围岩级别s、隧道埋深h、环向角度θ、径向长度l、轴向长度b)对隧道衬砌结构动力响应影响敏感性强弱关系为:缺陷位置p围岩级别s轴向长度b环向角度θ径向长度l埋深h。     

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。     

地震作用下隧道衬砌背后空洞影响机制研究

研究目的:由于隧道衬砌背后空洞的存在对隧道抗震影响很大,本文以高烈度地震区的敦煌-格尔木铁路阔克萨隧道为研究背景,研究隧道衬砌背后空洞位置、空洞大小、围岩级别和隧道埋深等因素对隧道结构的地震动力响应规律及影响机制,并提出合理的加固方案,确保地震作用下隧道运营安全。研究结论:(1)空洞的存在降低了衬砌结构的变形性能和抗震特性;(2)对空洞隧道拱顶最大主应力影响最敏感的因素是围岩级别,其后依次为空洞环向大小、空洞位置、空洞径向大小和空洞轴向大小,而隧道埋深则是最不敏感的因素;(3)回填注浆加固方案可降低隧道衬砌的拉应力,改善衬砌的内力和应力分布,回填注浆+套拱加固方案要比回填注浆+锚杆方案作用效果好,回填注浆+锚杆+套拱组合加固方案抗震效果最佳;(4)本研究成果对隧道衬砌背后存在空洞时在地震作用下的空洞影响机制和加固方案选取具有一定的指导意义。     

隧道初期支护钢拱架的应力分布规律研究

隧道开挖时,由于地质条件的不确定性和复杂性,导致支护结构受力状态发生变化,因此掌握支护结构应力分布规律对于隧道工程安全施工具有十分重大的意义。以下穿渝湘高速公路的凤咀江铁路隧道为背景,利用数值模拟和实际监测研究不同围岩和不同拱架间距下隧道初期支护钢拱架的应力分布规律,研究表明:(1)Ⅴ级偏差围岩最大拱架间距取0.8m,Ⅴ级偏好围岩最大拱架间距可增大至1.0m;(2)从应力分布角度看,钢拱架内外侧应力大部分为拉应力,且钢拱架最大拉应力出现在拱脚处,最大压应力在拱顶处;(3)当围岩质量状况变差时,钢拱架应力和应力梯度会迅速增大,钢拱架受力不均匀性也会显著增加;(4)在Ⅴ级偏差围岩条件下,当增大拱架间距时,钢拱架应力会迅速增加,因此要严格控制好拱架间距。     

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。     

溶洞分布对城轨交通盾构隧道影响规律研究

针对近年来广州、长沙、武汉及云贵等岩溶发育地区地铁工程现状,文章以贵阳市轨道交通3号线为工程背景,采用二维数值模型对溶洞分布影响进行模拟计算分析。经模拟计算分析,得出溶洞不同方位、不同尺寸、与盾构隧道不同净距以及在不同围岩等级中对隧道开挖洞室稳定性、隧道衬砌管片受力的影响规律,以确定贵阳市轨道交通3号线盾构施工中溶洞处理范围,为岩溶发育区城市轨道交通建设提供参考。     

考虑相变和围岩含水裂隙的隧道冻胀力研究

研究目的:为掌握寒区隧道冻胀力特征,以2022年冬奥会重大交通保障项目金家庄特长螺旋隧道为依托,通过室内试验、温度测试和COMSOL数值模拟相结合的方法,建立仅考虑围岩冻胀的计算模型,研究相变潜热和围岩含水裂隙对衬砌结构和围岩内力的影响。研究结论:(1)考虑相变潜热能减少衬砌结构内力,相变潜热对衬砌结构冻胀内力的影响随着计算时间的增加愈加明显;(2)含水裂隙使初期支护的最大拉、压应力增大,而使二次衬砌的最大拉、压应力减小,且对初期支护的最大拉、压应力影响明显大于二次衬砌结构,相对于无围岩裂隙,含水裂隙的存在推迟了衬砌结构应力出现的计算时间并使围岩各截线位置的第一主应力变化规律由W型转变为V型;(3)相变潜热和含水裂隙对衬砌结构的最大拉、压应力位置,衬砌结构和围岩的主应力分布规律及量值大小均有一定影响,实际工程中应注意减小围岩裂隙对结构的影响;(4)本研究结论可为类似高寒地区相变潜热和围岩含水裂隙对隧道冻胀力的影响大小提供借鉴或参考。     

复杂地质隧道衬砌变形分析与工程治理技术

研究目的:新建兰渝(兰州至重庆)铁路是我国《中长期铁路网规划》的重点项目,兰渝铁路两水隧道在施工过程中遇到高地应力,围岩最大水平主应力值为6.5~11.3 MPa,隧道围岩呈现变形大、速率快的特点。在隧道掘进施工前期,隧道初期支护结构变形大,部分钢拱架扭曲、断裂,支护结构失稳,初期支护结构侵入衬砌净空,拆换拱情况频繁发生。隧道贯通后,发现隧道已完衬砌局部区段出现衬砌混凝土开裂、掉块,断面变形乃至侵限现象,给隧道施工及运营带来极大的安全风险隐患。针对隧道衬砌出现的问题,经过会同有关专家充分分析其发生变形、开裂的原因,并就衬砌拆除换拱试验段工艺参数进行研究,通过严密的监控量测,分析隧道支护和衬砌结构受力和变形规律,提出合理的控制变形的工程处理措施。研究结论:(1)两水隧道通过区域地质构造十分复杂,软弱的薄层板岩、千枚岩或炭质千枚岩在高地应力作用下发生围岩大变形,造成较长段落初支变形和衬砌破坏;(2)在总结施工经验的基础上,结合大量的现场试验段围岩量测数据分析,采取双层初期支护和双层衬砌工程技术措施,进一步优化和增强初支拱架强度,可以有效的控制隧道大变形;(3)针对具有极高安全风险的衬砌拆除换拱施工,采用短拆除、快支护、设置临时套拱、打设锁脚锚管以及快速紧跟隧道二次衬砌等措施,可以进一步降低和控制安全风险;(4)本研究成果不仅是根据铁路大断面双线隧道通过软岩大变形地质条件下,出现罕见初支变形和衬砌破坏的工况,所采取的处理整治措施,而且对今后类似隧道工程施工中具有一定的指导价值。     

考虑随机裂隙的高寒隧道温度场和保温层研究

研究目的:为进一步探究温度场的变化规律和保温层敷设厚度问题,以2022年冬奥会重大交通保障项目金家庄特长螺旋隧道为依托,通过现场实测、理论分析和COMSOL数值模拟相结合的方法,建立隧道围岩区的随机裂隙模型,研究孔隙率、渗透率、随机裂隙孔径和水头对温度场的影响,并基于温度场进一步对比解析解和数值模拟的保温层设计厚度。研究结论:(1)径向温度值及其变化速率随围岩孔隙率和渗透率的增大表现为增大趋势,随着随机裂隙孔径和下边界水头的增大,径向温度值表现为增大,变化速率则表现为减小的趋势,孔隙率对温度场影响最大,渗透率对温度场影响最小,径向温度分布规律可用Asymptotic1模型表示;(2)由于随机裂隙和渗流的影响,衬砌和围岩接触面的温度值不完全对称,但总体表现为从拱顶到仰拱逐渐升高;(3)孔隙率和渗透率对冻结深度的影响可用Exp3P2模型表现,随机裂隙孔径和下边界水头对冻结深度的影响可用Exp Dec1模型表现,理论分析和数值模拟结果说明保温层厚度的解析解较数值模拟大;(4)本研究结论可为相关寒区隧道的温度场发展、分布规律和保温层厚度设计提供借鉴或参考。     

铁路隧道底部混凝土质量评定的研究与应用

研究目的:铁路隧道底部是列车运营的承载结构,其质量缺陷极易诱发运营隧道发生底鼓、翻浆冒泥、无砟轨道道床板开裂等病害,从而严重干扰运输,影响行车安全,经济损失很大。因此研究评定铁路隧道底部混凝土质量缺陷等级和处理方案十分必要。研究结论:(1)隧道底部质量缺陷根本原因是现场管理薄弱,因此必须加强管理,加强检查与监督,避免隧道底部质量缺陷的发生;(2)采用缺陷面积比和缺陷厚度比评定铁路隧道底部结构质量缺陷等级,评定结果可分为轻微、较严重、严重、很严重、极严重5个级别;(3)针对不同的缺陷可对应采取注浆、注浆+锚杆、拆除重做的处理方案,采取拆换重做时,按小于衬砌台车长度3 m作为一次拆除长度单元,经有限元模拟计算和现场应用,对围岩、初期支护和二次衬砌影响不大,是安全的;(4)该研究成果可供铁路隧道底部混凝土质量缺陷等级评定和处理参考。     

吉图珲客运专线后安山隧道温度场分布规律测试及分析

以寒区后安山隧道工程为依托,通过对试验段温度场的测试,分析衬砌围岩温度分布规律、洞内纵向温度分布规律,并在此基础上,对保温板的保温效果进行探讨,分析结果表明:(1)边墙、拱腰、拱顶部位各测点随时间的变化规律成正弦函数,并和外界气温同步变化;距离衬砌表面60 cm内温度变化最为剧烈;在径向3 m范围内,围岩内温度呈线性变化趋势;围岩径向存在一个比较稳定的温度边界条件;隧道贯通后,各测点的温度下降3℃左右。(2)隧道纵向温度场沿路线呈抛物线分布,寒季为开口向下的抛物线,暖季则相反;进入隧道500 m后洞内气温受洞外气温的影响逐渐减弱,温度分布也逐渐均匀。(3)保温板内外两侧温度差最大9.21℃,证明其具有良好的保温效果;建议在隧道防寒保温段采取非等厚保温板的铺设方法更为经济合理。     

高速公路隧道衬砌结构病害整治技术研究

以麂子岗隧道为研究对象,创新性地将左线和右线衬砌结构病害进行对比分析,基于自然地质条件及病害成因机理提出较为完备的整治措施,采用数值模拟方法对整治效果进行验证,结果如下:(1)对比统计分析左线、右线衬砌结构病害,得到在横断面不同位置及纵向里程上病害的分布规律及差异;(2)在横断面位置上,拱顶和拱腰处衬砌裂损及厚度不足病害最严重;在纵向里程上,左线、右线在ZK1963+600~ZK1964+180段多种衬砌结构病害均大量集中分布,建议加强对该区段的地质监测、衬砌结构健康状况检测及病害整治工作;(3)运用数值分析软件对套衬加固及钢带加固前后衬砌结构的受力进行模拟,得到衬砌厚度不足病害整治前后衬砌结构的安全系数及变化,对衬砌结构的安全性进行检验,证明相应整治措施有效。     

高地应力软岩隧道围岩压力及二衬受力特征研究

为研究高地应力条件下软岩隧道围岩压力作用规律及二衬受力特征,依托兰新铁路第二双线大梁隧道,分别对隧道围岩与初期支护、初期支护与二次衬砌之间的接触压力进行现场监测,得出上述压力随时间变化规律和沿隧道横断面分布特征,基于实测围岩压力对隧道二次衬砌结构内力进行计算。研究结果表明:初支围岩压力和初支与二衬接触压力随时间发展呈不同变化规律;围岩压力在空间分布上表现出"两侧大、拱顶小"的侧向挤压特征;二次衬砌围岩压力分担比例平均值在45.0%~70.3%;实测围岩压力较规范围岩压力计算出的二衬内力更符合实际。     

丰沙铁路8号隧道内落石分析及处理措施

丰沙铁路8号隧道由于修建时间较早,部分段落为无衬砌隧道,经过长时间的风化、振动及地下裂隙水等因素影响,无衬砌段发生了围岩脱落,严重威胁行车安全。经过地质勘察,分析围岩脱落的形成原因,通过地质雷达无损探测结合理论分析,确定围岩松动圈的厚度,结合铁路的实际运营、宽度限界条件、施工条件等,通过方案对比,采用TECCO柔性防护网、注浆等方式对无衬砌段进行防护,长短锚杆结合的方式稳定防护网,并通过有限元分析长锚杆注浆对围岩位移、应变的改善作用。通过这些加固措施,最终达到了防止围岩脱落,加固无衬砌隧道的目的。     

寒区隧道温度场分布规律及保温层适应性研究

为了研究寒区隧道的防寒保温设计问题,采用数值分析方法探讨不同外界气温、围岩地温以及有无保温层等条件下寒区隧道温度场的分布规律和保温层适应性研究,并采用叠加原理、分离变量法和贝塞尔特征函数建立列车风影响下寒区隧道温度场的计算模型,分析有无列车运行条件下寒区隧道温度场的变化规律。研究结果表明:由于二衬后出现负温分布对隧道衬砌结构安全性影响较大,因此建议将二衬后不出现负温分布作为寒区隧道保温措施的控制指标;在不考虑列车风影响条件下,保温层法最佳适用于最冷月平均气温为-2~-15℃的地区,当最冷月平均气温低于-15℃、围岩地温低于5℃时,保温层法应与主动保温措施相结合;当列车运行速度为300km/h、运行间隔为30 min时,通车与不通车相比隧道洞内中间位置平均气温下降约1.22℃,二衬后沿隧道进深方向出现负温的距离约增加36.8%。     

基于隧道检测钢筋分布不均状况下判定衬砌结构安全性应用研究

近年来隧道内出现的越来越多的质量安全事故,引起各方高度重视,相应的最适宜隧道主体工程衬砌质量控制的地质雷达无损检测方法被广泛应用。通过雷达无损检测可揭露出衬砌内欠厚、脱空、钢筋分布不均等大量各类型缺陷,针对欠厚脱空等缺陷制定的注浆或开窗等治理措施是目前工程中常见的整改闭合工序,但钢筋分布不均对结构安全影响如何判定,怎么界定处理尚无成熟方案与规定。本文针对隧道项目中实际检测出的钢筋分布不均缺陷,在不宜大范围扰动结构及围岩进行整治的情况下,以及在避免其他问题共存等不利因素的前提下,应用有限元数值模拟计算分析强度安全系数,并结合现场外观等综合因素对衬砌结构安全性进行分析判定研究。     

能量守恒原理在Ⅴ级围岩隧道衬砌设计中的应用研究

在围岩-衬砌这个封闭系统中,隧道的开挖和支护过程伴随着能量的传递和转化,不考虑热能散失并将围岩视为弹性体,则围岩势能的释放即为衬砌结构弹性应变能的增加。刘红燕等[1-2]利用该能量守恒原理对Ⅲ级围岩单线铁路隧道进行了衬砌厚度的计算,在此研究成果的基础上进一步研究了能量守恒原理对于Ⅴ级围岩衬砌设计的适用情况。针对Ⅴ级围岩建立FLAC3D模型动态模拟隧道的开挖过程,利用matlab语言编写弹性应变能密度函数从而得到实体模型各单元的弹性应变能,最后得到特定范围内围岩势能随掘进深度的变化曲线。由此围岩势能变化曲线可得出隧道开挖后围岩的势能释放值。此外,通过进行钢纤维混凝土(SFRC)构件的韧性试验,确定SFRC三分梁破坏与SFRC衬砌破坏时的能量消耗关系。据此建立能量方程并可得出SFRC衬砌的理论厚度,经检算,设计厚度满足安全性要求。结果表明,能量守恒原理的隧道衬砌设计方法不再受Ⅱ、Ⅲ级围岩小断面情形的限制,它同样适用于V级围岩大断面隧道的衬砌设计。     

隧道衬砌结构体系可靠度研究

针对隧道二次衬砌结构,从其在围岩荷载作用下的内力分布出发,建立了衬砌结构的串并联体系,由此确定其体系失效模式,进而以蒙特卡罗-随机有限元法为基础,充分考虑材料性能参数、几何尺寸、围岩弹性抗力系数及荷载等的随机性影响,采用区间估计的"宽界限法"对隧道衬砌结构的体系可靠度进行了分析。最后结合一典型工程实例对隧道结构体系的可靠指标进行了计算,计算结果表明:尽管隧道衬砌结构存在局部截面的可靠指标较小,但其体系可靠指标仍较高,整个隧道衬砌结构处于安全状态。     

高地应力板状软岩隧道大变形控制试验研究

研究目的:针对板状高地应力软岩隧道开挖的大变形问题,采用单层初期支护+双层二衬的结构形式进行支护,并进行现场试验,对初期支护、钢拱架以及两层二衬的变形与受力进行了测量,分析该支护结构在控制高地应力软岩隧道大变形方面的效果及该方案的可行性是本文的主要研究目的。研究结论:(1)传统的初期支护方式在控制高地应力软岩隧道的大变形方面效果不佳;(2)板状岩层的走向和岩层的倾角对高地应力软岩隧道开挖后的变形及受力会产生影响,一般来说,在垂直于板状软岩岩层(倾斜线)方向上的挤压力最大;(3)采用双层二衬结构,使初支与围岩一起产生变形而消除围岩的部分压力,第一层二衬起到强而稳定的支护作用并承担绝大部分的围岩压力,使第二层二衬受力很小而起到装饰作用,因此从高地应力软岩长期流变性的角度考虑,双层二衬结构对高地应力软岩隧道建成后的长期稳定性和安全运营具有很好的保障作用;(4)本研究成果可为类似工程的施工提供参考依据。     

流变效应作用下高地应力铁路软岩隧道衬砌结构长期稳定性研究

高地应力软岩具有变形量大、变形速率快、持续时间长、流变性强等特点,围岩流变性对衬砌结构长期稳定性影响大。以木寨岭铁路隧道为例,结合室内蠕变试验结果,采用Burgers流变模型,分析不同流变周期内支护结构受力随时间变化的规律。结果表明:(1)本文采用的Burgers模型能较好地反映围岩流变特性;(2)目前木寨岭隧道的支护结构形式,已施作的衬砌结构在以后数年发生压溃开裂的风险较大;(3)提高支护结构的长期稳定性及安全性,应从改变围岩流变性的角度出发,降低围岩的流变特性,增强围岩强度。