煤系地层公路隧道衬砌结构分析和设计

以高平至陵川高速公路郭家川2号煤系地层隧道为依托工程,利用ANSYS对衬砌结构进行了数值模拟,研究了煤系地层公路隧道衬砌结构的应力应变特征和变形规律。研究表明:煤系地层的地质构造和节理特征对隧道衬砌结构受力和变形有重要影响;隧道侧压力系数对衬砌结构的内力影响很大;衬砌结构拱脚和拱顶处弯矩很大,应力集中系数大,拱脚和拱顶处应作为结构安全性监控、隧道设计与施工控制性部位。     

高地应力软岩隧道圆形断面扩挖施工围岩及支护受力特征研究

针对高地应力软岩隧道开挖时围岩大变形问题,以某隧道圆形扩挖段为背景,采用三台阶法施工和3层初期支护+小导管注浆+二次衬砌的复合结构支护,并通过现场监测、数值模拟和理论计算研究开挖过程中的围岩变形及支护结构受力。结果表明:上、中台阶开挖时的隧道围岩变形速率较大,在仰拱封闭和第3层初期支护施作完成后,隧道变形趋于稳定;采用3层初期支护结构可有效改善隧道周边围岩应力,3层初期支护基本都是受压结构,拱腰和边墙处竖向应力最大,拱顶处水平应力最大;二次衬砌拱腰、拱顶、拱脚和边墙处安全系数均大于规范要求,保证隧道结构安全。     

纵向裂缝对山岭隧道衬砌结构安全性的影响分析

以云南地区某高速公路隧道为研究背景,采用荷载-结构方法和带裂缝衬砌截面刚度退化模型,从截面承载性能和结构安全性两个方面,分析了纵向裂缝位置、裂缝深度对衬砌截面和整个结构承载性能的影响。计算结果表明:随着裂缝的出现,衬砌截面极限承载力和刚度下降,并引起衬砌结构内力重分布,各开裂部位安全系数随裂缝深度的增加均表现为不同程度的降低,呈非线性变化。对于同样的裂缝深度,拱顶部位安全系数最低,拱顶两侧安全系数随偏离拱顶距离的增大而明显增大。对于衬砌结构而言,裂缝位于拱顶及其附近,对结构安全影响明显,裂缝位于拱腰、边墙、拱脚等部位则影响较小。除拱顶裂缝外,结构安全系数最小部位并未出现在裂缝处。     

爆破荷载作用下隧道初次衬砌结构的动力响应

为了研究隧道初次衬砌结构在爆破荷载作用下的动力响应,采用现场试验和数值模拟相结合的方法,应用TC-4850测振仪获得3个测点8次监测试验的质点振动速度峰值数据,依据最小二乘法拟合得出质点振动速度峰值传播规律的萨道夫斯基公式;采用LS-DYNA数值模拟软件,定义材料参数及其状态方程,在依据质点振动速度峰值传播规律可靠性分析验证数值模型合理性的基础上,建立隧道初次衬砌结构仿真模型,考虑初次衬砌强度的变化,分析隧道结构关键位置(拱脚、拱腰、拱肩、拱顶)处应力及位移的变化规律。研究结果表明:隧道初次衬砌结构X方向拱脚和拱顶处应力峰值明显大于其余关键位置,Y方向应力峰值出现在拱脚位置,为118 100 Pa,Z方向应力峰值同样出现在拱脚处,为239 100 Pa,且Z方向应力峰值明显大于X和Y方向;隧道初次衬砌结构位移峰值出现在拱腰位置,为0.361 cm,且Z方向位移峰值出现时间明显早于X和Y方向;在C30的基础上,增加C25和C35初次衬砌强度等级,随着初次衬砌强度的递增,应力呈正相关关系,位移呈负相关关系。     

基于自制试验平台的公路隧道破坏特征实例研究

为了探究和平公路隧道衬砌结构发生开裂的原因及特征,自行研制了适用于该研究的隧道结构性能测试平台。试验平台由控制系统、供压系统和加载系统组成,能够实现对隧道模型任意位置的精确加载,可研究隧道结构在多种形式外荷载作用下的力学性能。基于该试验平台,以和平公路隧道二次衬砌为原型,根据其现场测试结果进行了几何相似比为10的物理模型试验,详细分析了隧道结构在试验过程中的变形规律和破坏特征。将模型试验结果与现场裂缝分布特征进行对比以验证试验结果的可靠性,并根据试验结果对隧道原型的工作状态进行评估。研究结果表明:在依据现场实测确定的偏压加载工况下,隧道结构整体呈压扁趋势,最大径向位移位于拱顶右侧;结构的受力变形过程可分为3个阶段,分别以拱顶开裂和仰拱开裂为分界点;拱顶内表面和拱脚外表面被拉裂,边墙内表面由于局部压应力过大也产生开裂;拱顶最先开裂且开裂情况最为严重,偏压一侧边墙较另一侧边墙严重;随着外荷载的增加,拱部开裂状况加剧,最终形成主开裂区并引起结构整体的失稳破坏;模型试验结果与隧道现场裂缝分布特征基本吻合;隧道原型研究断面目前虽处于安全状态,但应及时采取有效的处治措施,防止衬砌裂缝的进一步发展和结构的失稳破坏。     

基于围岩浸水的黄土公路隧道衬砌开裂分析

针对甘肃省境内某黄土公路隧道的衬砌开裂现状,采用统计分析的方法对隧道衬砌裂缝的分布特征进行了系统研究;通过有限元数值模拟,详细分析了多种围岩浸水工况下隧道结构的变形规律和应力特征,并将数值模拟结果与隧道现场裂缝分布特征进行对比,给出了围岩浸水恶化条件下衬砌结构开裂的原因、规律和特征。研究结果表明:地表水通过土体裂缝入渗是衬砌开裂的主要原因,衬砌裂缝主要分布于拱部和边墙;围岩发生浸水后,浸水范围内的土体强度降低,失去承载力,隧道上部围岩下沉,挤压衬砌结构;随着围岩浸水范围的扩大,隧道结构的受力与变形状态逐渐恶化,结构呈压扁趋势且产生偏压,引起拱部内表面被拉裂,边墙内表面由于局部压应力过大产生开裂;拱部开裂先于边墙且开裂情况最为严重,隧道上下行线相邻两边墙衬砌开裂情况较另外两边墙严重,数值模拟结果与现场衬砌裂缝特征基本吻合;在相似工程条件的黄土隧道设计时,应加强隧道拱部结构的抗拉性能和边墙结构的抗压性能。     

砂卵石隧道施工力学效应数值分析

为了研究砂卵石隧道施工过程中支护结构的受力特征,本文借助数值模拟手段,对砂卵石地层隧道力学效应进行了详细分析。研究发现:(1)初期支护在施工过程中出现了应力集中,拉应力集中主要发生在拱顶、拱腰位置;压应力集中主要发生在拱脚、拱顶和拱腰位置。(2)随着施工的推进,应力一直在积累增加,同时压应力和拉应力最大值出现的位置主要在拱脚和拱顶处。其中压应力最大值由拱顶到拱腰再到拱脚,即由上往下转移,并且在下台阶支护施做后,拱脚处压应力突然增大。     

海底隧道施工缺陷对衬砌安全性影响研究

根据厦门翔安海底隧道的施工缺陷记录,分析了施工缺陷对衬砌安全性可能造成的影响。采用三维非线性有限单元法,对海底隧道衬砌背后空洞及衬砌厚度不足两种病害进行了数值模拟分析。研究结果表明,不同位置及程度的衬砌背后空洞均会对衬砌整体安全造成影响,拱顶背后空洞不会改变裂缝分布位置,拱腰背后空洞会使衬砌裂缝分布位置发生变化并产生新的裂缝。不同位置及程度的衬砌厚度不足,均只对衬砌厚度不足截面附近位置结构安全产生较大影响;拱顶衬砌厚度不足将会导致拱顶及拱腰产生裂缝,拱腰及边墙衬砌厚度不足不会使衬砌出现新的裂缝。     

富水区城市公路隧道中隔壁法各开挖步力学特征研究

以深圳东部过境高速公路连接线工程为依托,基于应力场-渗流场耦合的数值模拟方法,研究富水区城市公路隧道中隔壁法各开挖步力学特征。结果表明:中隔壁法各开挖步骤的围岩主应力变化特征明显,隧道目标面围岩总体受压,在隧道两侧拱腰至拱脚处存在较为明显的压应力集中现象,而拱底及掌子面则出现少量拉应力集中;不同开挖步拱脚处初期支护应力最大,拱腰、拱肩和拱顶处应力量值较为接近,而拱底处应力最小;初期支护受力随隧道开挖进程变化幅度较小,初期支护具有一定的安全储备;各径向特征点水压力均呈现从注浆圈外侧至初期支护外侧逐渐减小的趋势,而各环向特征点水压力由拱顶至拱底逐渐增大;对于作用于初期支护上的水压力值,数值计算结果稍大于不考虑开挖影响的理论预测值,表明中隔壁法隧道施工各开挖步对衬砌背后水压力大小及分布规律有一定影响。     

京张高铁东花园长大明挖隧道衬砌结构变形特征研究

为解决长大明挖高铁隧道施作衬砌结构时养护不充分、拆模较早等引起的衬砌结构容易裂缝问题,防止衬砌结构在自重应 力作用下对隧道运营期的防水及结构安全造成影响,基于京张高铁东花园长大明挖隧道工程,采用有限元分析和在衬砌结构典型 断面上的拱肩、拱腰不同位置布设钢筋计、混凝土应变计、土压力计、表面应变计,对衬砌结构的内力变形进行现场监测。分析得 出: 衬砌结构容易出现塑性应变的位置是拱腰处大于拱肩处,裂纹均出现在1/2 截面附近的矮边墙以上及起拱线以下位置,且均为 环向裂纹;对于矮边墙以上、起拱线以下的混凝土来说,其降温产生的收缩变形会受到矮边墙钢筋剪力的约束,使其不能发生水平 位移。最后,给出控制衬砌结构受力变形和加快施工进度的建议。