交叉隧道耦合动荷载动力响应及安全分析

研究目的:因立体交叉隧道会同时受到来自入射、反射、绕射等多元荷载耦合导致的振动,其所受影响相比一般隧道而言更大。因此,对立体交叉隧道只受高速列车荷载作用及同时受高速列车与地震等多元荷载耦合作用下隧道结构的动力响应规律进行定量分析,并确定多元荷载耦合作用下立体交叉隧道结构安全性,从而找出不同隧道存在形式在多元荷载耦合作用下隧道衬砌结构断面的不同危险部位。研究结论:(1)地震荷载的出现改变了原有荷载的传播模式,且隧道结构断面不同位置受其影响最大不一定在交叉断面;(2)多元荷载中的地震荷载是对立体交叉隧道上跨结构产生不利影响的主要因素;(3)进行立体交叉隧道抗震设计时,应该增加上跨隧道左拱腰和左拱脚以及下跨隧道拱顶和左拱腰等危险部位的配筋率及混凝土的厚度,同时研制抗拉性能更好的轨道板;(4)本研究成果可对立体交叉隧道多元荷载耦合作用下的抗震设计提供指导。     

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。     

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。     

立体交叉隧道爆破动力响应和安全范围研究

研究目的:目前矿山法在隧道施工中非常普遍,在交叉隧道施工中,隧道爆破施工对既有隧道的影响是近些年人们非常关注的问题。因此,研究常规爆破方式爆破对立体交叉隧道动力响应规律,确定安全振速标准及不同影响程度的安全范围。研究结论:(1)新建下穿隧道施工至交叉位置时,既有隧道拱底和拱脚峰值振速较断面环向其他位置大,对爆破振动相对敏感,为薄弱环节,需重点关注;(2)爆破作用下位移对既有隧道的运营安全和结构安全都不会产生影响;(3)以振速作为评判标准,对新建隧道爆破施工下穿既有隧道全过程中既有隧道受到的结构破坏、影响运营和关注围岩等三种不同程度的影响范围进行了定量划分,并确定了相应程度的安全范围;(4)本研究成果可为立体交叉隧道爆破荷载作用下的抗震设计提供指导。     

浅埋小净距偏压隧道地震响应特性与承载力安全分析

与非偏压隧道相比,浅埋偏压隧道稳定性较差,受地震动荷载的影响更为敏感.结合实际工程,运用FLAC有限差分法研究了浅埋、偏压、小净距隧道结构在水平地震荷载作用下的动力时程响应,对比分析了左、右两洞的内力(轴力、剪力、弯矩)变化规律和动力安全系数.研究结果表明:衬砌结构的地震响应、受力状态与地形条件密切相关;在两洞埋深差异...     

小净距隧道开挖爆破振动数值模拟研究

小净距隧道采用钻爆法施工过程中,爆破产生的地震波会对先行隧道衬砌结构产生一定的影响,甚至会危及其安全。以珠海眼浪山2号隧道为工程背景,采用FLAC3D有限差分软件,分析在不同围岩级别、不同埋深及不同隧道间距下,先行洞支护结构监测点振速的变化情况,得到了以下几点结论:(1)无论哪种工况,监测点振速随着离爆破点距离的增加而减小;(2)在相同埋深和隧道间距工况下,围岩越差,监测点振速越大;在相同埋深和围岩级别工况下,隧道间距越大,监测点振速越小;在相同围岩级别和隧道间距工况下,隧道埋深越大,监测点振速越小。     

平行盾构隧道施工地表变位影响因素研究

研究目的:探明平行盾构隧道施工引起地表沉隆变位分布变化规律,及各制约因素(如围岩条件、隧道埋深、隧道净距、顶推力等)的差异对地表沉隆变位量的影响。研究方法:以西安地铁二号线尤家庄至南康村区间盾构隧道研究对象,引入荷载释放系数和等效刚度系数,采用三维有限元法对平行盾构隧道施工引起地表横向沉降槽和纵向沉隆曲线分布及变化规律进行了研究。研究结果:揭示了围岩条件、隧道埋深、顶推力、隧道净距等因素差异对平行盾构隧道施工引起地表沉隆变位的影响,运用三维曲线探讨得出平行盾构隧道施工过程中的地表沉隆变位曲线空间分布变化规律。研究结论:围岩条件恶化、隧道埋深降低、顶推力加大、净距减小等都将导致平行盾构隧道施工引起地表沉隆变位量的增大,建议工程施工中采取调整顶推力、适当增大隧道净距等措施以降低平行盾构隧道施工对地表环境的影响。     

近场地震动作用下山地隔震框架结构抗震性能

研究目的:近断层地震动具有明显的长周期高能量的速度脉冲,对隔震结构可能造成严重的破坏,我国大部分山地地区处于地震多发带,对于修筑其上的隔震建筑结构来说,对其抗震性能的研究显得尤为重要。本文通过筛选来自台湾集集地震的不同特性的近断层地震波,并对不同特性的近断层波进行频谱分析,引入多次透射边界以模拟场地的无限性,分别考察上盘效应、脉冲效应、向前方向效应以及滑冲切效应对山区多层接地基础隔震框架结构动力响应的影响。研究结论:(1)未调幅的上盘地震动作用下结构的地震响应大于下盘,调幅后却下盘大于上盘;(2)在含滑冲切效应脉冲、含向前方向性效应脉冲、无速度脉冲地震动作用下,结构的地震响应的大小关系为:含滑冲切效应脉冲含向前方向性效应脉冲无速度脉冲;(3)向前方向效应地震动断层法向分量作用下结构的响应明显大于断层平行分量地震动;(4)本文给出了近断层地震动特性对多层接地隔震框架结构地震反应影响的规律,对近震区山地隔震框架结构的设计具有一定参考意义。     

高速铁路隧道列车振动响应影响因素分析

运用有限差分法,建立了隧道-围岩相互作用的动力计算模型,分析围岩条件、列车运行速度、隧道底部结构设计参数以及基底状况对列车振动荷载作用下隧道结构动力响应的影响.结果表明:隧道衬砌结构动力响应随着围岩级别的提高、行车速度的增加和基底软弱层厚度的增加而增大,随着仰拱厚度、填充层厚度和仰拱矢跨比的减小而增大.隧道底部结构厚度...     

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。     

考虑场地条件影响的隔震框架结构抗震性能分析

运用有限元软件对隔震与非隔震的五层钢筋混凝土框架结构在4种不同场地条件的28条地震波作用下的弹塑性时程响应进行分析，研究了不同场地条件对隔震框架结构抗震性能的影响。对比结构的位移响应及层间剪力结果可知，隔震系统对结构的抗震性能有明显的增强作用，地震作用下隔震结构的位移反应和层间剪力远小于非隔震结构；场地类型对隔震结构的抗震性能有显著影响，随场地类型增加隔震结构的位移响应逐渐增大，且随设防烈度提高而提高，平均最大可达70%。     

基于荷载结构法的隧道初期支护设计方法研究

研究目的:现有隧道初期支护的设计方法主要有工程类比法、地层结构法、特征曲线法等,这些方法在实际工程应用中均存在一定的局限性和困难,且没有提出明确的安全系数要求,导致设计的可靠性降低,不便于设计应用,因此有必要研究便于量化设计并具有明确安全系数的荷载结构法。研究结论:(1)本文所建立的初期支护荷载结构模型,可以得出初期支护的具体安全系数;(2)在锚杆长度满足模型三所需安全系数的前提下,喷锚组合支护的安全系数由喷层和锚杆各自的安全系数相加而成;(3)初期支护的最小安全系数取值需要根据计算模型的计算精度、初期支护的设计作用以及隧道工程的特点等因素综合确定,建议初期支护作为承载主体时为1.8～2.1,作为临时支护时为1.3～1.5;(4)现行时速350 km高速铁路双线隧道深埋Ⅲ、Ⅳ级围岩支护参数的安全性计算结果表明,当初期支护作为承载主体时,Ⅲ级围岩支护参数具有一定的优化余地,Ⅳ级围岩支护参数能适应400 m以内埋深;当初期支护仅作为临时承载结构时,Ⅳ级围岩支护参数能适应1 000 m以内埋深;(5)隧道埋深对围岩压力影响较大,建议按照不同埋深进行初期支护设计,以提高经济性;(6)本研究结果可为隧道初期支护设计提供思路和方法。     

跨断裂地铁隧道地震动力响应特征研究

研究目的:活动断裂在我国分布较广,然而在长距离工程选线及设计中,线路往往会穿越或邻近活动断裂带。断裂粘滑作用常造成地震发生,加之地震动力作用下地铁隧道的地震响应和受力变形问题又是隧道设计的重点和难点,因此本文对地铁隧道跨越活动断裂进行地震荷载时程分析,从定量角度研究跨断裂地铁隧道地震动力响应特征。研究结论:(1)地表断裂位置处PGA放大系数最大,向两侧逐渐减小,具有典型的上盘效应;(2)地震作用改变了断裂附近隧道结构接触压力,在地震过程中,拱顶最大接触压力在上盘增大下盘减小,而拱底最大接触压力在上盘减小下盘增大,接触压力的主要变化范围在上盘40 m和下盘30 m范围内;(3)地震荷载下断裂附近隧道结构拱顶轴力在上盘增大下盘减小,而拱底轴力在上盘减小下盘增大,此外,在断裂位置处隧道结构弯矩和剪应力数值明显增大;(4)基于地震作用下跨断裂地铁隧道内力显著变化范围,给出了地震动力作用下跨断裂地铁隧道的纵向设防长度建议值为上盘40 m、下盘30 m,在此区域内应采取设置减震层、加固围岩和采用柔性接头等抗震设防措施;(5)本研究成果可为跨断裂地铁隧道抗震设防提供科学参考和理论依据。     

高速公路小净距隧道施工方法探讨

小净距隧道是双洞隧道净距介于连拱隧道与规范要求上下行分离式隧道最小净距之间的一种特殊隧道结构形式。由于隧道净距小,施工时双洞相互影响较大,对隧道围岩特别是中夹岩岩体稳定性有很大的影响。因此,探讨安全、合理、经济的高速公路小净距隧道施工方法十分必要。本文结合净距4.0 m、埋深30.0 m的Ⅰ类同岩段高速公路小净距隧道工程实践,通过三维弹塑性有限元数值仿真模拟,分析双洞侧壁导坑法、侧壁导坑与上下台阶组合法及双洞上下台阶法三种施工方法施工时隧道围岩破坏接近度、围岩变形位移特征,探讨其优劣和适应性,为高速公路小净距隧道设计、施工提供科学依据。     

基于正交试验的立体交叉隧道施工影响因素研究

通过既有隧道研究成果的归纳分析,重点对6种非支护因素开展研究,运用正交试验设计原理,设计了16种实验工况,并进行了数值建模分析,进一步通过对交叉点位置新建隧道开挖前后既有隧道的拱顶下沉、喷层轴力和二次衬砌应力的极差分析,探讨不同因素对立体交叉隧道施工的影响显著程度。研究结果表明:围岩条件、交叉角度和净距分别是影响立体交叉隧道施工的重要因素,且实例证明其与实际结果相符,可作为工程设计和施工的重要依据。     

水平层状围岩铁路隧道地震动力响应特征研究

研究目的:中国汶川8.0级特大地震中,均出现了大量隧道结构的严重震害。国内学者对隧道结构抗震进行了细致深入的研究,主要集中在复杂地质及破碎地段隧道地震反应、偏压隧道与隧道洞口段地震反应、隧道抗减震研究等方面。虽然目前关于隧道与地下结构抗震分析的研究颇丰,但大多是按照均匀连续介质模型进行模拟,考虑水平层状围岩特性的隧道结构动力响应分析还不多见。本文基于连续介质力学的离散元方法软件CDEM模拟水平岩层的结构面特性,主要针对不同水平岩层的厚度和不同地震动输入方向,共计12种计算工况,分析隧道衬砌关键部位的动力响应特性。研究结论:(1)结构面(层面)存在会引起主应力增加,产生相对位移,降低加速度,尤其对穿越中厚层状围岩的隧道要加强措施;(2)地震动方向对隧道衬砌大主应力的影响比较明显,特别对拱顶、墙腰、仰拱的大主应力(压应力)影响比较大,对拱顶的影响尤其明显,且岩层越薄,影响越大;(3)地震动方向对隧道衬砌拱顶的拉应力影响特别大,在竖向地震作用下,拱顶的拉应力将超过1.54 MPa,当岩层层厚为0.2 m时将超过2.66 MPa,已经超过了混凝土的抗拉强度,水平层状围岩隧道拱顶衬砌需加强;(4)该研究结论对类似地质条件下地下工程的建设具有指导意义。     

昔格达地层隧道围岩稳定性及系统锚杆功效研究

昔格达地层隧道围岩水敏感性强,遇水易泥化,易造成围岩大变形、支护结构破坏和掌子面塌方等灾害。冉家湾隧道穿越昔格达地层,本文采用强度折减法对该隧道围岩稳定性进行数值模拟分析。结果表明:当含水率在20%以下时隧道具有一定的自稳能力,当含水率超过20%时隧道开挖需要采取超前支护措施;埋深小于45 m时埋深对昔格达地层隧道围岩稳定性影响显著,埋深大于45 m时,隧道围岩稳定性对埋深的敏感性降低;喷射混凝土对隧道安全系数的提升率大于设置系统锚杆;对于昔格达地层在天然含水率下,浅埋隧道破坏从拱部开始延伸至边墙,深埋隧道破坏从边墙开始蔓延至拱部。     

邻近上覆空洞浅埋隧道施工引起的地层变形和破坏特征

地层空洞的存在会严重降低围岩的整体性,在浅埋地铁隧道的施工扰动下,极易发生失稳破坏,诱发地面塌陷事故。针对城市浅埋地铁隧道上方存在空洞地层的问题,通过三维数值模拟和模型试验对空洞大小及空洞与隧道间净距对地层变形的影响进行了研究。数值模拟研究结果表明:地层空洞导致地表沉降呈现出不同程度的增大,并且空洞越大、净距越小对地层变形影响越显著;对于较大直径的空洞,空洞与隧道间存在一临界净距,当净距小于临界值时,地表沉降随着净距增大而减小,当净距大于临界值时,地表沉降随着净距增大而增大,并且空洞越大临界净距越小;对于小直径空洞,随着净距增大,地表沉降只呈现出逐渐减小的规律;空洞与隧道周围塑性区扩展贯通导致地层发生整体失稳,以及空洞周围塑性区发展至地表导致局部塌方是隧道上方含空洞地层两种典型破坏模式。模型试验得到的净距对地表沉降的影响规律与数值模拟结果基本一致,说明模型试验结果的合理性。研究成果可为含空洞地层中隧道施工地层变形控制研究提供参考和借鉴。     

列车荷载作用下高铁隧道下有小净距地铁隧道穿越时的结构动力响应特性模拟分析

基于某地铁线路以极小净距下穿京张高铁盾构隧道工程,采用人工激振函数模拟列车振动荷载,分析不同工况下的隧道动力响应特性,探讨了高铁隧道结构的振动加速度、振动速度及竖向位移规律。模拟研究结果表明:隧道监测点振动幅值变化不仅与振动强度有关,还与激振源荷载作用位置有关,高铁隧道中心截面前后±15 m范围内的位移响应最大;隧道交叉位置呈现显著的振动放大现象,造成列车动荷载影响下衬砌结构薄弱区;振动响应总体趋势为自仰拱向拱顶逐渐衰减,即仰拱为隧道振动响应的最不利位置;考虑不同工况,高铁隧道结构的最大振动加速度、振动速度和竖向位移分别为110.204 mm/s~2、3.006 mm/s、0.043 4 mm,低于结构安全振动控制标准的限值,满足安全要求。     

沉管隧道地震响应的影响因素分析

以南京长江沉管隧道为背景,采用动力有限元法分析沉管隧道的地震响应。沉管隧道二维分析的合理计算范围分析表明,横向半宽取3倍洞径为宜。隧道结构的地震响应随着周围岩土的黏聚力及内摩擦角的增大而增大。沉管隧道的地震响应随着埋深的增加而增加,但增加幅度在减小,因此,从抗震的角度讲沉管隧道宜浅埋,但浅埋必须满足抗浮稳定性、安全性等要求。在水平地震力作用下,沉管隧道4个角的动力反应较大,是结构的薄弱部位,在设计中应予以加强。考虑水的耦合作用时,隧道的地震反应增强,在水深20 m条件下,应力增量最大超过10%。实际工程中水深一般较大,因此,计算中应该考虑水的影响。