基于结构受力模式主动调整的高速铁路双线隧道预制装配式衬砌的设计选型

基于荷载-结构模型分析了不同围岩等级条件下整体衬砌内力特征,调整结构受力模式,从最大弯矩位置开始将衬砌结构分为7部分,分析了不同围岩等级及接头刚度条件下预制装配式衬砌结构的受力与变形特征。结果表明:与整体衬砌相比,各围岩等级下预制装配式衬砌的最大轴力和最大位移均不同程度增大,最大弯矩均不同程度减小,使隧道结构更加稳定;随着衬砌接头刚度逐渐增大,衬砌结构最大轴力和最大位移逐渐减小,最大弯矩先减小后增大;相对于整体衬砌,接头刚度小于45 MN·m/rad时预制装配式衬砌边墙、拱脚和仰拱安全系数略有下降,拱顶和拱肩安全系数大幅增加,因此接头刚度不宜大于45 MN·m/rad。     

单线隧道预制装配式衬砌结构选型及接头参数敏感性分析

预制装配式衬砌结构因施工速度快、质量高、易于维修等优点近年来在隧道工程领域备受关注。采用荷载-结构模型分析了不同围岩条件下整体衬砌内力特征。将衬砌结构分为8部分预制,采用有限元软件对预制结构进行了安全性验算,分析了不同接头刚度条件下接头处受力和变形。计算结果表明:隧道整体衬砌在Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ级围岩条件下轴力、弯矩、横向位移、竖向位移最大值分别为1 192 kN,480 kN·m,13.9 mm,4.9 mm;预制装配式衬砌较整体衬砌在Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ级围岩条件下最大横向位移分别增加1.6%,2.4%和1.0%,最大竖向位移分别增加1.3%,1.3%和2.4%,最大轴力分别减小0.02%,0.01%和0.06%,最大弯矩分别增加0.20%,0.11%,0.15%。综合考虑受力稳定与变形限制,衬砌接头刚度应不小于230 MN·m/rad。     

海底隧道衬砌结构受力特点及断面形状优化

针对青岛胶州湾海底隧道工程,选取设计参数不同的8个衬砌结构断面,基于荷载-结构模型,采用ANSYS有限元程序,分析衬砌结构受力特点.结果表明:衬砌结构仰拱半径不宜过大,减小仰拱半径可以有效减小衬砌结构仰拱、拱脚处的弯矩;衬砌结构拱脚半径不宜过小,增大拱脚半径虽可以有效减小衬砌结构拱脚、拱底处的弯矩,但同时会增加拱顶的弯矩;衬砌结构拱顶半径不宜过大,增大拱顶半径可以减小衬砌结构仰拱、拱脚处的弯矩,但将增大拱顶、拱肩处的弯矩.基于上述研究结果,根据相关规范设计要求,以各衬砌结构断面各单元最小安全系数最大化为目标函数,对青岛胶州湾海底隧道位于海域段V级围岩段衬砌结构断面形状进行优化,优化得到的衬砌结构断面,各处内力值(弯矩、轴力)更加均匀,安全系数离散性小,便于衬砌结构配筋设计.     

衬砌刚度对盾构隧道抗震性能的影响分析

研究目的:提高盾构隧道的抗震性能是保证隧道安全运营、保证人民生命及财产安全的必然要求。盾构隧道抗震减震措施主要有改变衬砌一定范围内围岩的性能和改变结构本身的性能。改变衬砌结构本身性能方面有多种方式,如增加衬砌厚度,改变管片环向或纵向接头方式、改变衬砌刚度等。本文通过数值分析比较不同的衬砌刚度对盾构隧道抗震减震性能的影响,为盾构隧道抗震设计提供参考。研究结论:根据不同衬砌刚度盾构隧道的受力分析,得出单纯提高管片的刚度并不能提高盾构隧道的抗震性能,反而增加衬砌管片的受力。随着隧道衬砌刚度的增加,衬砌结构的位移减少量不足2 mm,因此增加衬砌刚度对约束盾构隧道在地震作用下的变形并不明显。     

城市铁路明挖隧道装配式衬砌接头性能研究

城市铁路明挖隧道装配式衬砌纵向接头是隧道结构的薄弱部位。采用数值模拟方法研究在弯矩和轴力作用下新型明挖隧道装配式衬砌纵向接头的受力变形规律。结果表明:在轴力和弯矩共同作用下纵向接头受拉侧张开,其破坏以螺栓屈服断裂或受压侧混凝土剥落为标志;随着纵向接头所受轴力的增加,纵向接头能够承受的弯矩逐渐增大;轴力相同纵向接头破坏时所承受的负弯矩比正弯矩大。     

预切槽法开挖黄土隧道预衬砌支护参数研究

研究目的:随着我国交通建设的发展,迫切需要解决软弱围岩隧道机械化施工的问题,本文以洪亮营大断面黄土隧道为依托工程,采用数值模拟方法分析不同条件下预衬砌的整体安全性,通过对预衬砌的支护参数进行分析,以期为后续类似工程的设计与施工提供参考。研究结论:(1)钢拱架间距对预衬砌整体安全系数有显著影响,间距越小,安全系数越高;(2)不同的预衬砌拱脚处理措施,对预衬砌整体安全系数影响较大;(3)由于切槽采用分段施工,各段接头部位的安全系数较低,当预衬砌局部弱化程度超过50%时,预衬砌的整体安全系数不能满足安全要求;(4)本研究以洪亮营大断面黄土隧道实际工程为依托,获取了预衬砌在不同的埋深、不同的钢拱架间距、不同的拱脚处理措施以及不同的预衬砌局部弱化程度条件下的整体安全性,可为预切槽法隧道在今后的工程设计和施工中提供指导作用。     

预制装配式地铁车站单榫槽式接头抗弯刚度影响因素分析

预制装配式地铁车站接头是预制装配式地铁车站结构薄弱部位,以长春地铁2号线袁家店预制装配式车站为工程背景,采用数值模拟方法研究预制装配式地铁车站单榫槽式接头抗弯刚度的影响因素。计算结果表明:接头承受弯矩作用是导致接头抗弯刚度减小的最主要因素;增大轴力以及对接头部位注浆对提高接头抗弯刚度具有显著作用;接头部位尺寸参数的改变对接头抗弯刚度的影响程度与接头部位承受的轴力有关。     

上覆溶洞水压对小净距隧道衬砌结构的影响研究

隧道衬砌是确保运营隧道防水与结构稳定的重要结构，其受力状态会随着上覆溶洞水压力的改变而改变。鉴于此，以某小净距隧道为工程背景，利用有限元差分软件建立分析模型，研究上覆溶洞处于不同水压状态下隧道衬砌结构的受力状态，利用相应公式计算衬砌结构安全系数，结合实际数据与模拟结果对比验证模型的可靠程度，得出主要结论：拱底衬砌结构最大主应力为拉应力且其余位置为压应力，溶洞水压逐渐变化可能导致拱底破坏；整体衬砌结构最小主应力均为压应力，拱肩、拱腰与拱脚的最小主应力均随水压增加而增加；各部位衬砌结构安全系数随溶洞水压增大而减小，随溶洞水压进一步增大，拱腰处可能最先发生受压破坏。这可为处于溶洞等不良地质条件下的隧道安全稳定性研究提供参考。     

基于超大断面矩形顶管法的地铁车站建造方案

为解决繁华城区地铁车站采用明挖法施工带来的管线迁改、交通拥堵等难题，以下穿大型箱涵的深圳市轨道交通12号线沙三站为工程背景，采用有限元方法进行基于超大断面矩形顶管法的预制装配式地铁车站机械化暗挖建造方案研究。结果表明：顶进工况、结构转换工况和永久结构工况下，单柱方案最大变形分别为5.07,6.50和6.63 mm，双柱方案最大变形分别为5.53,5.20和10.50 mm，施工全过程中单柱方案车站结构整体变形较小；单柱、双柱方案的混凝土结构最大压应力分别为15.7和29.2 MPa，双柱方案须增大柱截面积以满足强度设计要求，因此单柱方案更经济合理；单柱方案中纵梁最大正、负弯矩绝对值均大于双柱方案，且满足强度设计要求，即单柱方案中纵梁受力更明确、抗弯性能充分发挥；预制管节环向接头分别按刚接、铰接设计时，单柱方案车站结构截面设计控制弯矩分别为最大正弯矩、最大负弯矩，考虑到接头实际刚度应介于刚接与铰接之间，结构设计时应按照接头刚接和铰接进行包络设计。     

大断面水下盾构隧道管片接头抗弯刚度及其对管片内力影响研究

以大断面水下铁路盾构隧道-狮子洋隧道工程为研究对象,运用有限元数值分析方法,并结合管片接头原型抗弯试验,研究环向管片接头抗弯刚度,并运用梁-弹簧模型进行接头抗弯刚度对整环管片结构内力影响的研究.结果表明:该隧道管片接头抗弯刚度的取值范围为50～700MN·m·rad-1,在相同轴力条件下,接头抗弯刚度会随接头弯矩的增加降低1个数量级左右;在相同接头弯矩条件下,接头抗弯刚度随轴力的增加而增大;接头抗弯刚度对管片轴力分布的影响微弱,对管片弯矩的影响显著;随接头抗弯刚度的增大,整环管片的弯矩分布趋于均匀;在抗弯刚度取值范围内,极值弯矩相差最大达80％左右,极值轴力最大减小5％左右,变形最大减小20％左右;基于接头抗弯刚度-弯矩-轴力的非线性关系改进的梁-弹簧模型,更能体现接头对整环管片受力的影响,也更适用于大断面盾构隧道管片内力的计算.     

海底盾构隧道双层衬砌 柔性垫层研究

针对大连地铁5号线工程梭鱼湾南站单洞双线盾构区间隧道施工建设问题,探讨岩溶发育区海底隧地铁盾构隧道支护技术。考虑岩溶发育地区工程地质情况复杂及在特殊工况,如地震作用下,结构发生附加变形时的隧道安全,提出使用盾构隧道双层衬砌结构及柔性柔性垫层,通过理论分析、数值计算等方法,分析一定强制位移条件下,不同厚度及密度的柔性垫层对盾构隧道双层衬砌结构内力分布的影响。研究结果表明：随着材料密度的增加,隧道外衬所受最大弯矩先减少后增加,而内衬所受最大弯矩先增大后减小。相同密度情况下,随着材料厚度的增加,外衬最大弯矩逐渐增大,内衬最大弯矩逐渐减小。当柔性垫层材料性能适中能提供充分的协调变形空间时,隧道内外衬砌能合理分配结构附加变形产生的内力,从而大幅提高隧道支护的安全性能。     

围岩浸水对黄土地铁隧道稳定性影响分析

为了了解黄土围岩在浸水后对隧道周围土体和衬砌结构稳定性的影响,选择西安地铁二号线南康村-方新村区间隧道工程,借助有限元分析软件对计算模型采用施工和浸水两种工况进行模拟对比,同时结合现场监测数据,对黄土地铁隧道周围土体和衬砌结构受力及变形特性进行分析研究.分析结果表明:浸水后衬砌整体下沉3 mm,地表沉降8.48 mm,...     

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。     

新近系泥岩隧道初期支护受力特性研究

富水区泥岩隧道开挖后经常出现支护结构大变形乃至开裂现象,影响隧道的施工和长期运营安全。为掌握新近系泥岩隧道支护结构和围岩的变形动态,开展相应的室内试验与现场监控量测以及数值模拟。采用室内试验方法获得泥岩的物理力学参数;通过现场监测方法得到围岩压力、钢拱架应变;采用数值模拟的方法获得泥岩软化前、后拱顶及拱脚沉降量、围岩压力、径向位移值的大小。研究结果表明:泥岩呈弱崩解性,且具有一定膨胀性,是导致围岩变形持续时间较长的主要原因;多数测点钢拱架弯曲,导致初期支护承载力不足,进而引起初衬混凝土掉块脱落;泥岩软化后,隧道同一位置处拱顶、拱脚沉降量、围岩压力、径向位移值均远大于泥岩软化前的数值,泥岩遇水软化是导致隧道支护结构产生大变形的原因之一。研究方法和结论对新近系泥岩隧道的设计和施工有一定的参考价值。     

基于现场监测的注浆式单榫接头性能分析

基于国内在长春地铁2号线预制装配式地铁车站结构的现场施工和运营全过程监测数据,对位于拱脚的注浆式单榫接头进行内力和变形分析,研究注浆式单榫接头在不同阶段的性能,并与数值计算值进行对比分析。结果表明：拼装成环之后,接头的凹凸榫彼此咬合,榫头表现出弯曲作用;覆土回填之后,接头以抵抗矩作用为主;覆土回填以及水位恢复对接头变形和受力起到正向作用;施工扰动结束直至通车运营之后,测试结果较为稳定,注浆式单榫接头整体内力和变形较小,安全余量较大。     

铁路大跨度连续梁拱组合桥结构参数研究

为了解结构设计参数对铁路大跨度连续梁-拱组合桥受力特性的影响,进而对今后同类桥梁设计提供引导作用,以兰渝线广元嘉陵江特大桥为工程背景,研究矢跨比、拱轴线形状、拱梁刚度比这3个设计参数对桥梁结构力学特性的影响。分析结果表明:矢跨比对拱肋轴力和拱脚、主梁中跨弯矩影响显著,取值在1/4~1/5时较为合理;1.6次抛物线、2.4次抛物线及圆弧线作为拱轴线时,拱脚截面弯矩过大,2次抛物线或悬链线作为此类桥型的拱轴线较为合理;拱梁刚度比对结构轴力影响较小,对拱肋弯矩影响较大,随拱梁刚度比的增大,拱肋分担的弯矩显著提高。     

黏土中圆形低真空隧道管片结构内力分布及其影响因素

针对盾构隧道管片结构在不同环境下的受力性能,建立基于修正惯用法的力学模型,推导出圆形低真空隧道管片结构内力的解析解;以武汉黏土作为模拟地层,分别采用修正剑桥模型和弹簧模型,模拟分析圆形低真空隧道结构的内力分布;在获得解析解和2种数值解的基础上,对比分析特定工况下3种方法得到的隧道管片结构内力分布,探讨真空力、弯曲刚度有效率、地基抗力系数、侧向土压力系数这4个关键参数的影响规律。结果表明:对于黏土中的圆形低真空隧道,顶部与底部的管片结构正弯矩较大,腰部则是轴力与负弯矩较大;真空力对管片结构的弯矩几乎没有影响,但对轴力影响非常显著,且随真空力的增大而增大;管片结构弯矩随弯曲刚度有效率的增大而增大,随地基抗力系数和侧向土压力系数增大而减小;管片结构轴力随地基抗力系数的增大而增大,随弯曲刚度有效率增大而减小;在隧道腰部附近,轴力随侧向土压力系数的增大而减小,但隧道底部和顶部附近则与之相反。对比3种方法,解析解与数值解具有较好的一致性,但求解结果偏于保守。     

考虑随机裂隙的寒区隧道冻胀力研究

研究目的:为进一步研究围岩和衬砌结构的冻胀力,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、室内试验和COMSOL数值模拟相结合的方法,探究考虑随机裂隙条件下,孔隙率、渗透率、随机裂隙孔径和模型下边界水头对冻胀力量值和分布规律的影响。研究结论:(1)衬砌结构的最大拉、压应力随孔隙率的增大而增大,随渗透率、随机裂隙孔径和下边界水头的增大而减小;(2)衬砌内、外边缘的第一主应力在拱腰处最大,内边缘第三主应力最大值位于拱脚处,而外边缘第三主应力量值由拱顶到仰拱逐渐降低;(3)围岩最大拉、压应力随着孔隙率和下边界水头的增大而增大,随着渗透率和随机裂隙孔径的增大而减小;(4)拱顶截线A的主应力量值及变化范围随孔隙率的增大而增大,随渗透率、随机裂隙孔径和下边界水头的增大而减小;(5)本研究结果可为寒区隧道冻胀力的量值大小和分布规律研究提供借鉴参考。     

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。