地震对交叉隧道影响机制及抗震方案研究

研究目的:因立体交叉隧道会同时受到来自入射、反射、绕射等地震波导致的震动,其所受影响相比一般隧道而言更大。因此,对立体交叉隧道受地震荷载作用下隧道结构动力响应规律进行定量分析,分析确定影响隧道结构主应力各因素敏感性,从而优化抗震方案。研究结论:(1)对立体交叉隧道净距、围岩级别、隧道埋深等因素对隧道结构加速度、应力以及位移的响应规律进行定量分析,得到隧道净距、埋深的增大和围岩变好对交叉隧道的抗震有利;(2)地震作用对交叉隧道的上跨隧道和下穿隧道影响敏感性大小都依次是围岩级别、隧道净距和隧道埋深;(3)改变隧道衬砌混凝土的强度抗震方案效果不明显,设置隔震层效果显著,但增加隔震层厚度对抗震影响较小;(4)本研究成果可为立体交叉隧道在地震荷载作用下的抗震设计提供指导。     

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。     

不同类型列车撞击盾构隧道动力响应研究

研究目的:盾构隧道为装配式管片衬砌结构,其整体稳定性相对较差,防撞能力较弱,一旦列车撞击事故发生在隧道内,列车的撞击荷载极有可能导致隧道破坏和失稳。本文基于H. H. T时间积分法,通过构建列车-刚性墙动力耦合模型,获取不同类型列车在相应速度区间内的撞击荷载时程曲线,研究不同类型列车撞击的荷载特性,并将所得撞击荷载施加在盾构隧道上,以揭示在不同类型列车撞击作用下盾构隧道管片衬砌破坏特性及其差异性。研究结论:(1)列车运行速度对于撞击荷载时程曲线变化趋势影响不大,但对于撞击荷载大小和撞击持续时间影响显著;(2)各类型列车的撞击荷载均经过撞击瞬间迅速增大、撞击中期持续震荡、末期逐渐减弱三个阶段,但不同类型列车的撞击荷载在撞击中期持续震荡时间不完全一致;(3)列车撞击作用下管片损伤区域分布范围呈现纵向大于环向的特点,不同类型列车撞击所致管片损伤的差异性主要体现在压缩损伤面积上;(4)在不同类型列车撞击荷载作用下管片结构将产生不同程度的张开和错动,并且管片接缝部位最大张开量和最大错动量均已超过工程容许限值;(5)本研究成果可为盾构隧道防撞优化设计和撞后隧道结构安全性评估提供参考。     

邻近地裂缝地铁隧道地震响应分析

西安地铁3号线有3个区间隧道近距离平行通过地裂缝。采用数值模拟方法分析地震荷载作用下地铁隧道场地的动力响应。分析结果表明,地震荷载作用下竖向土压力增量在地裂缝上下盘处差异明显,地裂缝上盘竖向土压力增量明显大于下盘;在施加地震荷载后地铁隧道拱顶处的竖向土压力迅速上升,震级越大竖向土压力越大;隧道内力中轴力最大值在右拱脚处,左拱脚次之;剪力最大值在右拱腰处,左拱腰次之;正弯矩和负弯矩的最大值接近,均在右拱腰处,左拱肩和右拱脚处弯矩偏小,其余弯矩值在30～60 k N·m。     

高速列车动荷载作用下立体交叉铁路隧道动力响应研究

本文对列车动荷载一维正弦激振力模型进行修正,使其适合350km/h以上高速列车的模拟,并推广到三维模型计算中。以六沾线乌蒙山隧道与新梅花山隧道立体交叉工程为背景,通过数值模拟方法,对隧道立交结构进行列车荷载动力分析。在动力模拟中设定3种不同的立体交叉结构形式,分别为分修、半分修、合修结构,并研究这3种结构形式在列车动荷载作用下位移、加速度、内力的响应规律。分析结果表明,立交框架与挡头墙连接上下隧道的合修结构形式具有较高的安全储备。     

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。     

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。     

复杂地质大直径盾构隧道列车振动响应分析

对于高速铁路大直径盾构隧道,研究并讨论列车振动荷载对隧道结构安全性具有重大意义。以佛莞城际铁路狮子洋隧道工程为背景,基于ANSYS有限元方法,采用列车-轨道系统确定列车荷载后,计算不同工况下高速列车振动荷载对软硬不均地层大直径盾构隧道结构的影响,选取不同计算模型对比分析往复荷载作用下隧道地基累积变形的特征。计算表明:(1)双线同时有列车荷载作用时,产生的动力响应更为显著,且与两车间隔的时间有关,当间隔时间为振动周期的倍数时,振动效应最大;(2)较之主应力,列车振动对隧道位移和加速度的影响更加明显;(3)双线列车振动发生时间的偏差会引起响应的振动时程曲线产生约等于Δt的偏移现象,且振动幅值也会偏移,结构的动力响应与地层的动力响应(位移、加速度和主应力)存在相似的变化规律;(4)随着列车运行时间的累加,隧道基底土的累积塑性变形逐渐增大,但随着时间推移后期的增长速率明显减慢;(5)针对佛莞城际铁路狮子洋隧道,近东莞侧隧道基底以砂土为主,建议采用Anand J.Puppala模型进行累积塑性沉降计算;近广州侧隧道基底以淤泥为主,建议采用DingQing Li模型进行累积塑性沉降计算。     

高速列车振动荷载作用下沉管地基整体稳定性研究

通过数值模拟方法研究高速列车在通过沉管隧道时,对沉管地基的影响,分析评价沉管地基在高速列车作用下的液化可能性。利用车轨动力相互作用模型,重新研究确定高速列车在不同速度下作用于沉管隧道整体道床上的动荷载;对沉管隧道的三个典型断面,计算高速列车动载作用下地基的最大剪应力分布;最后确定了沉管地基3种等效振次的抗液化剪应力。结果表明长江沉管隧道地基有足够的能力抵抗列车的周期性荷载。     

隧道衬砌结构地震响应的三维数值分析

运用Ansys软件对盾构隧道在不同地质条件下的水平、竖向耦合地震的响应进行三维数值模拟，分析隧道衬砌结构的不同部位上应力和位移的分布状况，探明了盾构隧道在地震作用下衬砌结构的动力响应规律，找出了衬砌衬砌结构的受力最薄弱部位，研究可对盾构隧道的抗震设计提供理论参考。     

青岛地铁某地下车站结构抗震数值模拟计算分析

为了研究地铁地下车站在地震荷载作用下的受力情况,以青岛地铁某明挖地下车站为例,通过静力法和时程分析法分别建立二维数值模型,对明挖地下车站标准断面的受力进行结构抗震性能模拟分析;对车站大里程端节点结构建立三维数值模型,进行结构抗震性能模拟分析。车站标准断面二维模拟计算结果表明,时程分析法与静力法2种计算方法得到的内力计算结果比较接近,顶板跨中、底板支座、底板跨中、侧墙支座、侧墙跨中均受静力法计算结果控制,顶板支座、中板支座、中板跨中受时程分析法控制,对比基本荷载组合、准永久荷载组合的内力及相应的配筋计算,地震荷载组合对车站结构各构件承载力并不起控制作用;大里程端节点结构三维模拟分析结果表明,车站结构各构件满足抗震设计要求。     

跨断层隧道震害特性的能量分析方法

研究目的:跨断层隧道在地震中容易产生破坏,在变形直至破坏的过程中都伴随着能量的吸收和释放。鉴于此,为了解跨断层隧道的震害特性,本文采用基于能量释放率的分析方法对断层影响下的隧道震害进行研究。此外,利用FLAC3D软件对隧道进行数值模拟,以验证该方法的适用性。研究结论:(1)在断层错动与地震耦合作用下,隧道拱肩、拱腰和拱脚的动力响应最大,而拱顶和拱底的动力响应稍弱;(2)在断层错动与地震耦合作用下,应力集中的位置不随断层宽度而改变,随着断层宽度的增加,能量释放和应力集中的范围逐渐扩大,而地震作用在断层处逐渐减弱;(3)依据动力响应曲线,可以确定隧道的塑性屈服区以及核心设防的长度;(4)能量分析方法可用于隧道的震害特性分析,为隧道抗震设防提供可靠依据。     

地铁盾构隧道与矿山法隧道接口段抗震计算研究

为确保地裂缝条件下地铁盾构隧道与地裂缝设防段矿山法隧道接口抗震设计满足要求,采用数值模拟与理论分析相结合的方法,针对西安地铁5号线某区间盾构隧道与地裂缝设防段矿山法隧道接口部位进行横向地震作用时程分析,并与横向地震作用的反应位移法结果进行对比,结合现有理论及规范,分析地铁隧道接口处的抗震性能及合理的计算方法,发现对于结构断面形式突变的地下结构,宜采用反应位移法进行强度及变形计算,同时采用时程分析法进行校核,明确了不同断面接口两侧隧道横向剪切刚度的差异是导致位移与变形差异的主要原因,同时提出减震层、管片柔性结构与弹性垫圈、变形缝以及加强钢筋与后浇环梁等抗震措施,在高烈度地区还可考虑将矿山法隧道设计为圆形或类圆形断面以提高整体抗震能力,研究结论可为类似工程提供参考。     

列车动荷载对下方引黄隧洞的影响分析

以神华新建准池铁路风洼梁隧道上跨万家寨引黄入晋工程南干线6#隧洞立体交叉为背景,重点考察了铁路隧道运营期间,风洼梁隧道中货运列车振动荷载对下方引黄隧洞结构的影响。通过建立"列车-轨道"动力相互作用系统、"隧道结构-地层"三维模型进行分析,运用动力学瞬态分析的完全FULL法,分别研究了在列车时速40 km、80 km、120 km工况下的引黄隧洞结构的动力响应。计算结果表明:风洼梁隧道运营后的列车振动荷我的动力作用对下方引黄隧洞结构产生的影响较小,基本可忽略不计。     

环境荷载作用下盾构隧道断面变形特征分析

研究目的:城市地铁盾构隧道在环境荷载作用下容易诱发衬砌结构变形。为分析城市盾构隧道结构变形成因及变形基本形态特征,基于向量基本概念,提出定量分析隧道结构断面变形特征的描述方法,并结合有限元数值分析方法,模拟盾构隧道在不同环境荷载作用下的结构变形形态,以验证隧道变形描述方法的正确性。研究结论:(1)盾构隧道处于无软弱滑动面的一般地层中,结构变形大小和方向与环境荷载作用形式密切相关,且结构最大向内变形与最大环境荷载作用方向一致;(2)盾构隧道处于软弱滑动面地层中,隧道衬砌结构向内变形极大值不与最大加载方向一致,而与滑动面的滑动方向有关,且在滑动面穿越隧道断面的衬砌端点位置变形大小具有突变特征;(3)本研究结果对于揭示城市盾构隧道变形机理以及预测隧道周边环境荷载变化具有理论价值。     

重载铁路隧道隧底围岩劣化的CFD-DEM模拟研究

研究目的:重载铁路隧道隧底结构较普通铁路受到更大的动力作用,列车动载-地下水耦合作用下隧底软弱围岩将发生劣化,甚至形成脱空,引发基地下沉、翻浆冒泥等一系列隧底病害。本文采用CFD-DEM耦合分析方法研究列车动载-地下水耦合作用下重载铁路隧道隧底软弱砂性土围岩劣化及脱空规律,为重载铁路隧道设计、施工及病害治理提供参考。研究结论:(1)列车动载-地下水耦合作用下隧底附近围岩细颗粒向两侧迁移流失,仰拱-围岩接触面形成局部脱空;(2)列车动载-地下水耦合作用下仰拱-围岩接触压力逐渐减小,隧底结构受力劣化,轨线位置最为明显;(3)列车轴重和行驶速度的增加将加速隧底围岩脱空及劣化的发展;(4)本研究成果可用于优化重载铁路隧道隧底结构设计,减少隧底病害,提高隧道的耐久性。     

列车振动荷载作用下高速铁路近距地铁平行隧道的动力响应特性分析

为研究高铁列车和地铁列车同向以不同速度行驶时的振动对高铁隧道衬砌结构的影响,采用模拟的列车振动荷载,在铁轨上施加对轮轴的模拟振动荷载并考虑列车速度来研究同向列车振动荷载下高铁隧道衬砌的动力响应特性。结果表明:在同向行驶的列车振动荷载作用下,对于隧道特定监测点而言,存在一个列车行驶振动响应的影响区,列车行驶至该监测点时,其振动响应最大;高铁隧道中部横断面衬砌振动响应从上到下逐渐增大,拱脚、拱底竖向应力幅值分别为拱腰的1.63、2.26倍,加速度最大幅值分别为拱腰的1.21、1.29倍。     

简支梁桥上Ⅰ型板式无砟轨道挠曲受力与变形

研究目的:桥上无缝线路受力比较复杂,桥梁、轨道结构的受力变形成为广泛关注的问题。为研究列车荷载作用下桥上轨道结构的受力变形规律及影响因素,根据多跨简支梁桥上单元板式无砟轨道无缝线路的结构特点,基于有限元法建立多跨简支梁桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道无缝线路空间耦合模型,计算列车荷载作用下桥上轨道结构的挠曲力与位移,并分析扣件纵向阻力、墩台顶固定支座纵向水平线刚度以及桥梁跨数等因素对挠曲受力与变形的影响规律。研究结论:(1)在列车荷载作用下,钢轨挠曲拉力及压力最大值分别出现在左侧桥台固定端与最后一跨跨中位置,钢轨位移呈先增后减的趋势,并在两侧路基段逐渐减小至零;(2)采用小阻力扣件可明显降低钢轨及轨道结构的受力,但同时会增加轨板相对位移,需要重点关注钢轨在桥台处的爬行;(3)采用较大纵向水平线刚度的低墩桥对列车荷载作用下桥上轨道结构纵向位移而言是不利的;(4)随着桥梁跨数的增加,轨道结构的纵向力与位移也不断增大,在6跨之前增幅明显,6跨之后增幅明显放缓并逐渐趋于平稳;(5)本研究成果对桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道的设计及结构安全性具有参考价值。     

水下隧道立交段设计与施工方案研究

水下隧道已逐步成为我国跨江越海的主要交通方式之一,水下隧道立体交叉的情况也越来越常见。针对目前国内缺乏完善的水下立体交叉隧道设计及施工体系,以我国某座水下隧道立交段为研究对象,对立体交叉段做了总体设计,确定了主线与匝道的内轮廓;同时,基于ANSYS有限元软件对主线隧道及匝道开挖过程进行模拟分析,提出隧道主线及匝道的开挖方案。得出如下结论:(1)通过采取CRD法等进行开挖,将大断面化为小断面,分部开挖,双层支护,成功解决了水下隧道立交段施工安全稳定的难题,可有效确保水下立交段隧道开挖的安全;(2)开挖过程中应严格遵守"先下后上、错开施工、超前支护、减少振动、分部施工、及时二衬"的施工原则,能够保证隧道的施工安全;(3)应紧密结合现场实际量测数据对围岩及支护结构的稳定性进行判别,二次衬砌尽量紧跟初期支护施作。     

气动荷载作用下高速铁路隧道衬砌结构的疲劳累积损伤及残余寿命计算方法

基于高速铁路隧道壁面气动荷载特征,考虑气动荷载之间相互作用以及列车通过隧道不同次数之间的影响,提出1种针对高速铁路隧道衬砌结构的疲劳累积损伤及残余寿命计算方法;依托京沪高铁德州—枣庄段某隧道工程,研究高速列车单次通过隧道后气动荷载持续周期数以及列车车速对衬砌结构疲劳损伤的影响,分析列车通过隧道次数与衬砌结构疲劳累积损伤及残余寿命之间的关系,判断隧道设计年限内气动荷载长期循环作用下衬砌结构的安全性。结果表明:衬砌结构疲劳累积损伤随气动荷载持续周期数增加而增加,随车速提高先增加后减小;列车多次通过隧道后,衬砌结构疲劳累积损伤随列车通过隧道次数增加而增加,残余寿命则逐渐减小;高速列车单次通过案例隧道诱发的衬砌结构疲劳损伤为25.6×10~(-12),在日开行209对的相同工况下,疲劳累积损伤每天为10.7×10~(-9),每年为3.9×10~(-6),100年(隧道设计年限内)为3.9×10~(-4),气动荷载长期循环作用下,完整衬砌结构在案例隧道设计年限内不会发生损伤破坏。