基于Burgers蠕变模型的圆形隧道内力分析方法对比研究

以高黎贡山TBM施工的特定段圆形隧道为工程对象,基于围岩蠕变的Burgers模型,提出了隧道衬砌内力计算的地层结构分析法和荷载结构分析法,对比研究两种分析方法的异同点和特点,得出以下结论:(1)地层结构分析法能模拟地层自重应力及其重分布、隧道开挖和支护效应,并能通过蠕变的非线性迭代获得隧道衬砌内力结果,在隧道开挖后围岩蠕变的整个过程中,模拟精度较高,但计算耗时稍长;(2)荷载结构分析法不能考虑地层自重应力以及隧道开挖支护效应,建模相对简单,计算耗时短,但计算前需准备等效节点荷载,对蠕变早期的模拟精度相对较差,对蠕变中后期的模拟结果与地层结构分析法较为一致;(3)综合考虑各种因素,建议围岩蠕变下的隧道衬砌内力分析优先选用地层结构分析法。     

铁路隧道复合衬砌内力计算方法研究

研究目的:随着新奥法的普及,采用复合式衬砌的隧道越来越多,目前对其进行计算的方法主要分为荷载-结构法和地层-结构法。荷载-结构法通过弹簧支撑来模拟围岩对支护的约束,并不能真实的反映围岩与支护结构的相互作用;地层-结构法在围岩压力释放率的问题上存在一定的经验性。本文从复合式衬砌角度出发,以荷载作用于地层边界的模型对复合式衬砌的初支及二衬进行计算,并与传统荷载-结构法计算结果进行对比。研究结论:(1)通过对比荷载-结构法与地层-结构法的优缺点,提出了将荷载作用于地层边界的共同作用模型,即用均匀施加在四周的荷载代替围岩产生的压力,同时又用围岩自身的形变来抑制支护结构的位移,将围岩作为荷载的传递介质,充分体现了围岩和支护结构的共同作用和变形协调;(2)采用共同作用模型对铁路隧道复合衬砌的初期支护及二次衬砌进行了内力分析,并与荷载-结构法所得结果进行对比,结果说明共同作用模型更能符合新奥法的思想,在考虑围岩相互作用的同时大大减少了计算时间;(3)本研究成果为复合衬砌内力分析提供了一种新的方法。     

狮子洋水下盾构隧道衬砌结构受力的现场测试与计算分析

以狮子洋水下盾构隧道为背景,对管片衬砌在施工期和后期所受外荷载和结构内力进行长期现场追踪测试,总结衬砌结构外荷载和内力随时间变化规律。并采用三维壳-弹簧计算模型对大断面宽幅管片结构内力分布形态进行研究,与现场测试结果相互验证。研究结果表明:施工期管片衬砌脱环后容易形成无水压环箍作用下土体偏压状态;施工后期水、土压力长期随时间增长,结构内力随之增大,结构轴力较弯矩增幅明显。三维壳-弹簧计算模型适应大断面宽幅管片衬砌结构计算。试验和数值计算结果在量值和分布规律上一致。封顶块处弯矩较小,其弯矩由临近环衬砌结构承担;受环间接头错缝效应影响,幅宽边缘靠近衬砌结构纵缝处轴力发生突变。     

盾构隧道衬砌结构计算模型探讨

研究目的:目前被工程界广泛采用的隧道拱底为压缩弹簧形式的衬砌结构计算模型,缺少相应的理论支撑,得到隧道拱底处相对较小的衬砌内力,以及隧道拱底的沉降变形趋势,与实际情况不符,且可能导致拱底处衬砌结构安全系数偏低。为了进一步加强衬砌结构设计的准确性与可靠性,对不同的衬砌结构计算模型展开对比分析,指出该模型被广泛采用的根本原因,并提出合理的计算模型。研究结论:(1)隧道拱底的地基反力形式与拱底位移趋势密切相关,当拱底呈隆起变形时,地基反力仅由反作用力组成,当拱底呈压缩变形时,地基反力由反作用力与地基压缩抗力两部分组成;(2)对于盾构法隧道,应采用拱底为反作用力形式的衬砌结构计算模型,该模型能准确地反映衬砌的受力特点与位移趋势,可以有效克服隧道拱底处安全系数不足的隐患;(3)提出了基于拱底地层位移趋势的拱底作用力形式以及相应的荷载-结构计算模型;(4)研究成果可用于盾构法隧道、矿山法隧道、明挖或暗挖的地铁车站等地下工程。     

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。     

关于复合式衬砌整体计算模型的思考

复合式衬砌传统计算方法常忽略初期支护内力计算及其安全性检验,二次衬砌所承担的围岩荷载根据围岩条件进行经验确定。针对其不足,提出适用于复合衬砌的整体计算模型,并通过实例计算分析传统计算模型与整体计算模型下内力产生差异的原因。围岩与初支间接触的模拟需考虑其法向及切向约束作用。软弱围岩对初衬的最大剪切约束力与围岩的黏聚力、内摩擦角及两者所传递的法向压力有关,当围岩与初衬间的剪切力大于最大剪切约束力后,软弱围岩所能发挥的剪切约束与剪切位移、摩擦系数及两者所传递的法向压力有关。因防水板的设置,初衬与二次衬砌仅需考虑其法向约束作用,以仅受压弹簧模拟围岩与初衬及初衬与二次衬砌间的法向约束,可较为真实地模拟接触受压后方能传递压力的特性。传统计算模型下,围岩荷载承担比例的增加对衬砌内力分布形式影响较小,衬砌内力值与围岩荷载基本成同比例变化;整体计算模型下,围岩荷载在初衬与二次衬砌间进行自适应分配,衬砌所受荷载大小及分布形式与传统计算模型下的荷载具有较大差异,因此内力大小及分布形式也随之发生变化。     

运营期间地铁隧道衬砌结构纵向温度应力分析

从北京地铁实际的运营环境出发,通过数值计算,分析地铁区间隧道衬砌结构的纵向温度应力,探讨地铁区间隧道伸缩缝的设置间距和设置宽度.研究结果表明:温降引起的拉应力对隧道结构安全和使用功能影响显著;衬砌结构纵向温度应力与温度荷载、材料弹性模量呈线性关系;水平外约束对隧道端部(或伸缩缝)附近一定长度的衬砌结构温度应力分布产生一定影响;典型设计参数条件下的北京地铁区间隧道,其衬砌结构能承受7℃左右的温降荷载,当温降荷载超过7℃后,混凝土衬砌结构可能产生环向受拉裂缝;在实际工程中,对衬砌结构温度应力可采用环控技术和设置伸缩缝2种方法进行综合控制,以保证结构安全.针对北京地铁情况,建议伸缩缝设置间距取80～120 m、设置宽度取20～30 mm.     

深埋软岩盾构隧道围岩压力控制方法研究

以广佛环线东环隧道工程为背景,从盾构隧道动态施工全过程出发,参考考虑开挖面空间效应的二阶段分析方法,拓展盾构隧道施工全过程的两阶段分析方法,以此分别建立盾构隧道施工第一阶段和第二阶段分析模型,研究围岩蠕变过程中围岩应力释放率、填充层厚度、填充层弹性模量对大埋深软岩盾构隧道围岩和支护结构相互作用规律的影响。结果表明:(1)施工过程中可从两方面控制围岩压力,分别为第一阶段中围岩的应力(位移)释放率及第二阶段中管片和填充层的联合支护效果;(2)第一阶段,超挖量、盾壳长度及填充层滞后距离越大,围岩传递到管片衬砌上的荷载越小;(3)壁后填充层在管片衬砌与其的联合支护体系中能起到缓冲作用,使围岩传递到管片衬砌上的荷载更均匀;(4)壁后填充层的弹性模量存在临界值,其值在50～200 MPa范围内,当壁后填充层的弹性模量远大于此临界值时,能分担较多围岩压力,当其弹性模量小于临界值时,围岩能释放一定的围岩应力,以此减小管片衬砌所受围岩压力;(5)第一阶段应力释放率对管片衬砌变形和内力的影响程度在围岩的蠕变作用下有所减小,但填充层厚度及其弹性模量对管片结构的作用规律几乎不受围岩蠕变的影响。     

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。     

考虑水荷载作用的铁路隧道衬砌结构设计

采用室内模型试验方法,通过改变围岩注浆圈模拟介质的渗透系数,进行10组铁路隧道衬砌结构的水荷载折减系数测试试验,研究水荷载折减系数与注浆圈综合渗透系数的关系。试验结果表明,当围岩注浆圈渗透系数小于10-5cm.s-1时,水荷载折减系数取0~0.3为宜;反之,取值为0.3~1。按考虑水荷载和不考虑水荷载两种受力模式对隧道衬砌结构进行计算分析结果表明,存在较大水荷载作用的隧道衬砌结构设计不宜套用标准图,建议采用钢筋混凝土圆形衬砌结构。