公轨合建大直径盾构隧道车辆振动响应数值分析

对于大直径水下盾构隧道,研究并讨论列车振动荷载对隧道结构安全性及地基稳定性具有重大意义。以三阳路公铁合建长江隧道工程为背景,采用2.5维数值计算程序对三阳路长江隧道段典型断面处进行计算分析,研究地铁振动荷载和汽车振动荷载耦合作用对隧道结构及隧道下覆粉细砂层稳定性的影响。计算结果表明:(1)在地铁振动荷载与汽车振动荷载联合作用下,隧道衬砌结构的位移振动响应量值及受力情况均较小,振动荷载不会对衬砌结构自身产生不利影响;(2)列车和汽车车队耦合荷载引起隧道下覆饱和粉细砂层超静孔隙水压力在隧道正下方衰减较为缓慢;(3)隧道下覆饱和粉细砂地层由正常的地铁振动荷载及汽车荷载激发的超静孔隙水压力不会超过1 kPa,在正常地铁荷载及正常汽车荷载单独作用或联合作用下,该饱和粉细砂地层能够保持稳定,不会发生液化失稳。     

土质地层中隧道上覆荷载计算研究

在隧道结构计算分析时,如何计算确定作用在隧道结构上的上覆荷载的大小及分布是设计的关键。对于土质地层中的隧道,埋深较浅时上覆荷载计算时常采用全部覆土重量,而当土层较厚,隧道埋深较大时通常会采用太沙基公式、普氏压力拱理论公式及隧道设计规范公式等,这些公式在选用时尚存在一些问题,通过对比隧道在土质地层中几种公式计算的上覆荷载规律,分析各计算公式存在的问题,加以改进推导出了隧道在土质地层中竖向荷载的建议计算公式,并通过全国各地区实测数据加以验证。研究结果可为类似条件下工程的设计提供借鉴和参考。     

京张高铁八达岭长城站大跨深埋三连拱围岩压力计算方法研究

大跨度深埋三连拱隧道具有开挖跨度大、施工工序复杂、各洞室协同受力等特点,支护结构设计需要进行荷载-结构模型验算,而荷载如何确定尚无成熟的计算方法。依托京张高铁八达岭长城站三连拱隧道工程,基于普氏平衡拱基本假定并借鉴深埋双连拱隧道荷载计算方法,推导出深埋三连拱情况下围岩压力计算解析解。研究表明:三连拱隧道围岩压力由拱部松散土压力和中隔墙共同承担;中隔墙的主动支撑作用非常重要,这与双连拱隧道的受力变化规律吻合;该计算方法适用于具备一定强度的接近松散体围岩;通过解析法计算结果与现场监测数据对比分析,水平与竖向围岩压力最大相对误差分别为9.75%和10%,验证解析法计算结果的合理性。     

模拟土与隧道相互作用的液压加载系统设计与试验应用

目前,盾构隧道整环足尺试验,其加载模式主要采用荷载控制。液压系统施加在结构上的荷载来源于静止土压力的计算值。这种加载方式采用荷载结构法的思想,难以反映作用在盾构隧道上的土压力随结构变形而改变的特性。针对以上不足,提出荷载位移曲线控制原理并将其应用于盾构隧道整环足尺试验。首先通过数值计算和地勘资料确定地层位移和地层抗力之间的关系,将其输入系统。然后观察此曲线与以液压缸顶力和行程为坐标的点的相对位置,通过调整液压缸顶力使得该点位于曲线上。此控制原理能够实现结构所受荷载随结构位移变化而变化,从而真实地模拟地层对盾构隧道的作用。在盾构隧道足尺试验中具有良好的应用前景。     

大断面深浅埋黄土隧道围岩压力试验研究

研究目的:针对郑州至西安客运专线黄土隧道设计中存在的问题,开展大断面黄土隧道深浅埋分界、深浅埋围岩压力计算研究,提出大断面黄土隧道深浅埋分界高度;确定深浅埋黄土隧道围岩压力计算方法;明确深浅埋黄土隧道二次衬砌厚度的设计原则,指导郑州至西安客运专线黄土隧道的设计与施工,并为类似大断面黄土隧道工程的设计提供技术支持. 研究结论:通过对大断面深浅埋黄土隧道围岩压力的试验研究,提出了郑州至西安客运专线大断面黄土隧道深浅埋分界高度、围岩压力计算方法和二次衬砌厚度的设计原则.郑州至西安客运专线黄土隧道深浅埋分界高度应为40～60 m;浅埋黄土隧道荷载按谢家烋公式计算,深埋黄土隧道荷载按太沙基理论计算;不同埋深黄土隧道二次衬砌宜采用相同厚度.     

京张高铁八达岭长城站大跨度深埋三连拱隧道设计及施工方法研究

目前三连拱隧道衬砌荷载尚无成熟的计算方法且类似工程施工经验相对较少,以京张高铁八达岭长城站为例,研究在V级围岩地质条件下,大跨度深埋三连拱隧道设计计算方法及合理的施工工序。依据普氏平衡拱理论并借鉴双连拱隧道围岩荷载计算方法,提出深埋三连拱隧道围岩荷载模型,通过建立有限元模型,分析三连拱隧道的合理施工工序。研究表明:三连拱隧道围岩压力可以看作拱部松散土压力及中隔墙所承受的压力之和;三连拱施工工序推荐采用先侧洞后中洞的工序,对于施工过程中保持围岩及支护结构体系的稳定较为有利;通过右洞围岩压力计算结果与现场检测结果对比分析,围岩压力最大相对误差在10%以内,全施工阶段监测情况一切正常,验证了解析法计算结果的合理性及施工工序的优越性。     

地铁越江隧道爆炸冲击波荷载研究

利用数值模拟方法,对"单洞"和"双洞"隧道模型在药量为10kgTNT时的冲击波荷载进行了计算,获得了两种模型中隧道壁和隧道轴线的爆炸压力时程曲线型、超压峰值和冲量的变化规律,分析了获得隧道衬砌结构各部的荷载特征。最后,利用结构震塌理论,计算得到了结构各部位所受爆炸冲击波荷载的特点,分析结构受载的薄弱部位,可为隧道结构设计提供参考。     

土质地层中盾构隧道垂直荷载计算方法探讨

研究目的:目前盾构隧道计算中常用的荷载计算方法和现行隧道设计规范中采用的荷载计算方法有所区别.本文对土质地层中盾构法隧道结构设计时采用的垂直荷载计算方法进行了探讨,通过对不同荷载计算方法进行定量和定性的对比分析,并分析了不同方法计算结果与实测数据的吻合程度,提出了较为实用的垂直荷载的计算方法,可作为对现行规范中隧道荷载计算方法的补充.研究结论:铁路及公路隧道规范中推荐的垂直荷载计算方法对土质地层中盾构隧道不太适用;对于软粘土地层,可采用全土柱荷载模型计算垂直土压力,对于其它土层,不论覆土厚度大小,均可按泰沙基坍落拱理论计算垂直土压力,但在砂性土地层需水土分算.     

基坑施工对盾构隧道的影响分析

运用同济大学曙光软件,采用荷载结构法和盾构隧道修正惯用法,以广州地铁黄沙车站上建设物业商住发展项目为研究背景,计算了隧道外壁侧向土压力、水位降、土层基床系数和隧道上方超载四种因素不同组合工况下的隧道结构受力,分析了基坑施工对紧邻地铁盾构隧道的影响.研究结果表明,影响紧邻盾构隧道受力的最主要因素为隧道外壁侧向土压力释放程度,当外壁侧向土压力由静止土压力进入主动土压力状态,将导致隧道弯矩增大143%,并致使管片开裂,环缝接头张开增量1.36 mm,影响隧道正常使用,在其它不利因素共同作用下,将危及隧道结构安全.     

基于谷仓效应的砂卵石隧道围岩荷载计算研究

研究目的:砂卵石围岩颗粒体系级配分布不均匀，颗粒间点对点接触，隧道施工过程中易引起围岩松散、失稳坍塌等突出问题。本文针对砂卵石围岩典型的颗粒物质特性，基于谷仓效应原理，采用颗粒物质离散元理论，探明砂卵石隧道围岩荷载计算方法，分析砂卵石土在不同细观组构下的细观力学行为，探究砂卵石颗粒级配对土体压力的影响特征，揭示隧道跨度对隧道围岩荷载的影响规律。研究结论:(1)提出了用于计算砂卵石土竖向压力的修正Janssen计算公式，并确定了公式中重要系数转向比；(2)揭示了砂卵石颗粒级配对土体竖向压力与侧压力的影响规律，得到了砂卵石土体底部压力和侧压力的计算公式；(3)通过不同跨度的隧道模型模拟试验，提出了竖向荷载修正系数，使用修正系数法的砂卵石围岩荷载计算值与模拟计算的结果相近，验证了该公式计算的准确性；(4)建立了基于Janssen模型的砂卵石围岩荷载计算方法，可为砂卵石地层隧道精细化设计提供理论基础。     

隧道结构采用极限状态法设计探讨与建议

研究目的:房建、桥梁等结构已经采用了概率极限状态法进行设计,且编制了相应可靠度规范。隧道结构由于统计特征的离散性、计算模型的多样性以及荷载分配的不确定性,设计以类比为主。目前隧道行业正推广采用极限状态法,但根据隧道结构特点,推广方式和方法值得探讨。研究结论:(1)采用极限状态法是设计趋势,但目前隧道设计以类比为主,计算为辅,隧道设计统计特征离散,计算模型多样,初支和二衬荷载分配不确定,因此初期只能形式上进行极限状态法转轨;(2)建议优先在荷载离散性相对较小的明洞和浅埋隧道中推广采用极限状态法设计;(3)应大力推广隧道受力监测,通过数据积累获取统计特征,为隧道设计全面采用极限状态法打下基础;(4)本研究成果可为极限状态法在隧道结构设计领域的推广应用提供参考。     

基于统计分析的隧道围岩压力分布规律研究

围岩压力和支护荷载的确定是隧道支护结构设计的关键问题。利用调研和统计分析等方法,通过对54座已建隧道的174个监测断面的围岩压力实测数据进行统计分析,探明了深埋隧道围岩压力的总体分布特征,给出了深埋隧道围岩压力与围岩级别和跨度的关系,修正了铁路隧规深埋荷载宽度影响系数计算公式,并修正了《铁路隧道设计规范》深埋隧道荷载计算公式。研究结果对分析隧道围岩压力作用机制和完善支护结构设计方法提供一定的参考价值。     

铁路硬岩隧道支护结构非线性分析

在某铁路隧道支护结构实测围岩压力的基础上 ,采用荷载—结构法对该隧道支护结构在实测围岩压力作用下进行非线性分析。并对隧道支护结构内力进行了分析 ,支护结构内力状态处于弹性工作状态 ,拱顶沉降计算结果与实测结果比较吻合 ,具有很高的安全度。     

浅埋偏压隧道荷载特征的影响因素分析与计算

浅埋偏压隧道结构荷载计算的准确与否是影响隧道建设成败的重要因素之一。结合浅埋偏压隧道围岩荷载计算理论,对依托的具体实体工程进行多因素影响分析,揭示浅埋偏压隧道在不同偏压角和不同覆土层厚度下围岩垂直压力、侧向压力、侧压力系数和破裂角的变化规律,为隧道施工提供技术支持。     

砂层隧道列车振动响应与地基累积变形研究

采用动力有限元数值计算方法,对列车荷载作用下狮子洋隧道典型砂层段的动力响应进行计算分析。进一步借鉴路基累积变形计算方法,对列车长期荷载作用下隧道基底砂层累积变形计算方法进行探讨。狮子洋隧道基底砂层段孔隙水压力消散较快,基底土层实际动应力比小于其临界动应力比,隧道基底砂层不会由于列车长期运营而产生局部液化破坏;在列车荷载作用下,隧道衬砌结构中应力、位移均变化不大,隧道结构在列车运营荷载作用下处于安全状态;在列车长期运营荷载作用下,隧道基底砂层累积塑性变形小于25mm,隧道基底地基土累积塑性变形不会对列车长期运营造成破坏性影响。     

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。     

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。     

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。     

多线铁路大跨度隧道围岩压力研究

围岩荷载的确定是进行隧道工程衬砌结构设计的关键。现行铁路隧道规范中深埋隧道围岩荷载计算公式是根据单线铁路隧道施工塌方的调查统计资料建立起来的统计经验公式,多年来,对于指导单、双线铁路隧道的结构设计起到至关重要的作用,但用于指导当前三线,特别是四线铁路隧道时,就显得无能为力了。提出一种合理的适合于三线、四线甚至更大跨度的铁路隧道的围岩荷载计算方法,提出考虑围岩变形全过程的"统一围岩压力曲线",并基于贵昆铁路六盘水至沾益段增建二线上的乌蒙山2号四线车站大跨度隧道,开展现场试验,对围岩压力进行监控量测,结合统一围岩压力曲线,提出竖向围岩压力计算公式q=Kγha。     

基于壳单元的盾构隧道参数化结构计算与验证

三维壳单元较二维梁单元能更精细地模拟管片结构受土体作用下的力学行为。为了推广三维壳单元隧道结构计算模型在大直径盾构隧道结构计算中的应用,提出基于壳单元的参数化隧道结构建模方法(Shell element-based Parametric Tunnel Structure Modeling,SPTSM)。SPTSM基于隧道中轴线及截面半径参数,能自动生成由壳单元所组成的隧道模型。在模型中,相邻环之间的壳单元公共边被定义成线性铰,以此模拟管片环缝间的接头刚度;管片纵缝间的接头刚度通过均质圆环法引入折减系数进行替代;壳单元节点被施加荷载压力、地层弹簧及约束支座,以模拟管片结构与围岩之间的力学行为。SPTSM提供了结构自动建模算法和壳单元节点荷载的自动计算算法,并通过调用Karamba3D有限元结构计算内核,实现盾构隧道结构的建模-计算一体化。将SPTSM应用于杭州某大直径盾构隧道工程76 m区间段,对比结构变形的计算和实际检测结果,验证SPTSM的合理性。SPTSM能自动建立精细的三维壳单元盾构隧道结构模型,并同时完成荷载压力、地层弹簧、线性-铰刚度以及约束支座的布置和设定。对比点云扫描的结...