大跨扁平隧道中仰拱的研究

仰拱是隧道衬砌结构的重要组成部分,仰拱能提高隧道结构的承载能力。以往研究主要通过塑性区范围、应力、位移大小分析仰拱所起的作用;本文基于有限元强度折减法对比分析了各种工况下仰拱对大跨扁平隧道结构安全系数大小的影响,得到了一些有益的结论。     

空洞在围岩水平侧压力系数不同时对二次衬砌结构的影响

本文建立了山岭隧道衬砌背后空洞影响数值计算模型,并对水平侧压力系数不同时空洞对二次衬砌结构变形和内力的影响进行分析,研究结果表明：水平侧压力系数不同时,隧道衬砌结构的变形差异较大;水平侧压力系数不同时,弯矩的变化比轴力的变化更为明显,但水平侧压力系数的增加会导致轴力和弯矩都迅速增加;拱腰衬砌对拱顶空洞的产生是非常敏感的,尤其是当侧压力系数较大时,拱腰处的弯矩甚至会发生符号的改变;仰拱部位的衬砌结构在空洞产生后,随着侧压力系数的增加仰拱部位衬砌结构所受到的弯矩减小,但随着侧压力系数的增大,仰拱所受到的轴力大大增加,有可能产生压溃破坏。     

大跨扁平隧道仰拱研究

仰拱是隧道衬砌结构的重要组成部分,能提高隧道结构的承载能力。以往的研究主要通过塑性区范围、应力、位移大小分析仰拱所起的作用。基于有限元强度折减法对比分析不同地质状况下仰拱对大跨扁平隧道整体安全系数大小的影响,得到一些有益的结论,为解决类似问题提供一种新思路。     

大断面隧道包括仰拱全断面开挖施工技术

随着我国隧道修建技术的快速发展,仰拱液压栈桥等新工装、新工艺的出现,传统的隧道分部开挖方法已越来越适应不了时代的发展。另外,近几年许多学者研究的隧道全断面开挖施工技术,并未充分考虑仰拱曲率对装砟机械的影响,在实际施工中易造成装砟机械操作困难和功效降低。基于此,本文结合新建怀化至邵阳至衡阳铁路黄岩隧道,对隧道全断面施工方法进行分析讨论,总结出了大断面隧道包括仰拱全断面开挖施工技术的一些经验,可为类似工程提供参考。     

基于安全度的大断面黄土隧道施工方法对比分析

为研究大断面黄土隧道围岩和支护结构的安全与稳定,采用有限元软件ANSYS对弧形导坑法(AHM)和核心土加临时仰拱法(CSTIM)的施工过程进行了数值模拟,对比分析了2种施工方法引起的隧道周边围岩位移场、应变场以及初支和二衬的安全性。结果表明:1)采用CSTIM法施工可减小拱顶沉降40%左右,且沉降区域仅在隧道开挖跨度范围内;2)临时仰拱左右两侧安全系数最小仅为0.12,拱顶和左右拱腰安全系数均大于4.0,永久仰拱安全系数处于0.5~2.5之间;3)二次衬砌受力普遍较小,具有足够的安全储备;4)采用AHM法施工围岩竖向位移较大、支护安全系数分布不均、衬砌局部处于受拉状态。因此,从对围岩扰动大小、支护和衬砌安全性以及施工工序等方面综合考虑,CSTIM法均优于AHM法。研究成果可供黄土地区大断面隧道变形控制和施工方法的选择参考。     

小净距隧道开挖空间效应分析

依托某隧道的设计及施工,建立小净距隧道的三维计算模型,对小净距隧道IV级围岩段台阶法开挖进行数值模拟计算,对其开挖过程中位移场、应力场、喷射混凝土初期支护随空间变化规律进行分析,结果表明:小净距隧道施工过程中存在先行洞和后行洞相互扰动的现象,量测断面的位移主要产生于隧道开挖至量测断面及通过后;边拱和仰拱所受弯矩大,在拱腰位置出现较大的正负弯矩容易造成初期支护混凝土开裂。     

不同断面形状的装配式波纹钢管隧道受力特性对比

为了明确装配式波纹钢管隧道(FCSPT)在不同断面情况下的受力特性，设计了3种断面形状(圆形、管拱形、半圆形)的跨度均为10.4 m的波纹钢管(明挖)隧道，并借助ABAQUS有限元软件建立二维平面应变模型，对不同断面形状的装配式波纹钢管隧道在覆土荷载作用下的变形、内力、应力以及管周土压力分布情况展开研究。研究结果表明：相同覆土情况下，半圆形波纹钢管隧道变形远远小于圆形及管拱形；3种断面隧道内力最大处有所不同，圆形隧道在仰拱及起拱线位置，管拱形隧道在拱腋及其下方曲率变化较大处，而半圆形隧道集中在拱脚位置；3种断面形状的波纹钢管隧道起拱线以上区域管周土压力分布非常接近，而圆形与管拱形隧道之间管周土压力的差别主要出现在起拱线以下的拱腋及仰拱区域。     

大断面隧道双侧壁导坑法数值建模及力学特性分析

依托广西百色达康隧道实际工程,简化隧道施工模型,通过FLAC 3D数值模拟软件构建了隧道施工动态三维模型,模拟了大断面隧道采用双侧壁导坑法施工流程,得到在不同施工步骤时隧道围岩应力、变形,以及隧道衬砌的轴力、弯矩变化情况,探究动态施工过程中围岩变形规律和支护结构受力变化规律,并且分析了隧道向前掘进时距掌子面不同距离的断面拱顶、拱底的变形量,分析了其变化规律,对双侧壁导坑法施工时超前支护与施工量测具有参考作用。数值分析结果表明,隧道开挖过程中隧道拱顶底达到竖直位移极值,左、右拱腰处产生水平位移极值;隧道开挖对前方围岩影响范围大约为隧道跨度;隧道衬砌轴力与弯矩最大值均出现在左侧导洞初期支护中期支护中部偏上,二衬拱脚两侧和隧道洞室顶部和仰拱处,所受内力较大。     

特大断面城市道路隧道力学特性与变形规律研究

为了研究特大断面城市道路隧道施工过程中力学特性和变形规律，依托重庆火凤山隧道工程，采用现场监测和数值模拟方法对特大断面城市道路隧道支护结构力学特性及其位移规律开展了研究。研究结果表明：采用分部开挖的方法，围岩位移稳定需要的时间较长，仰拱与拱顶处的最大主应力值相对较大，而拱腰区域初期支护的最小主应力相对较大；隧道竖向相对变形值较水平方向相对变形值更大，约相差3～5倍，且这种差异随隧道断面形状的增大而增加；隧道上部围岩压力约为下部的1.44～2.16倍，呈现上部大下部小的分布规律。     

不同地表倾角下台阶法施工对大断面隧道变形的影响分析

依托简浦高速公路长秋山大断面隧道工程,运用有限差分软件FLAC3D对该隧道采用三台阶工法的动态开挖进行了模拟,分析了不同地表倾角下台阶长度对隧道洞周位移的影响规律。结果表明:浅埋大断面公路隧道三台阶法施工,隧道洞周位移大小顺序为:仰拱隆起 拱顶沉降 水平收敛;不同地表倾角下,隧道拱顶沉降及仰拱隆起变化主要发生在台阶长度为4~6 m之间,说明短台阶或超短台阶法能够较好地控制隧道的洞周变形,更为适合软弱围岩大断面隧道的施工;台阶长度从10 m开始,隧道洞周位移逐渐收敛,可作为浅埋大断面隧道台阶法施工下洞周位移的"起始收敛点";隧道地表倾角对隧道洞周位移的变化影响较大,因此,实际施工中应根据地表的不同倾角,选择更为合理的台阶长度进行施工,确保软弱围岩大断面隧道的安全施工。     

单洞四车道公路隧道优化研究

建立了以控制单洞四车道公路隧道断面形状的几何尺寸为变量、以隧道的内净空面积和内轮廓周长为目标函数的双目标优化模型,并对模型参数进行了分析,得出了最优断面几何尺寸;进而对断面优化后的单洞四车道隧道的仰拱优化设计、隧道施工的可行性进行了探讨,也得出了一些有用的结论。     

浅埋大跨偏压隧道的破坏模式分析

为研究浅埋大跨偏压隧道破坏模式,利用有限元强度折减法对三心圆曲墙式断面隧道和马蹄形断面隧道在不同埋深、坡比工况下的塑性应变和安全系数进行研究,得到隧道的破坏模式及发展规律:无偏压条件下,随着埋深增加,三心圆曲墙式断面隧道最大塑性应变由拱肩向下转移到边墙附近,而对于马蹄形断面隧道,当埋深较浅时,在拱肩和边墙出现破裂面,随着埋深的增加拱肩的破裂面逐渐向边墙脚转移;当存在偏压时,三心圆曲墙式断面隧道浅埋侧先破坏,随着埋深的增加,最大塑性应变由浅埋侧拱肩移到浅埋侧边墙位置,对于马蹄形隧道,破裂面从浅埋侧拱肩和深埋侧边墙转移到墙角;在同一埋深条件下,三心曲墙式断面隧道安全系数高于马蹄形隧道安全系数。     

线形空间几何突变对曲线路段车道偏移的影响

为了探讨道路线形变化对侧碰、刮擦等侧向安全事故的影响，以三维空间线形的曲率和挠率作为公路线形几何特征描述参数，以车道偏移量作为侧向行车安全的表征指标，剖析了线形在空间层面发生的几何突变对车道偏离的影响。在山区高速公路开展实车试验，采用侧向行车视频记录连续的车道偏移，进行图像距离与实际距离的标定，并通过图像识别技术自动读取连续的车道偏移曲线，从中获取最大车道偏移作为分析变量。采用单因素方差分析方法，对新手驾驶人和熟练驾驶人在线形空间几何特征不同的曲线路段所表现的最大车道偏移结果展开统计分析和检验。分析结果表明：当空间曲率突变超过一定的临界值时，空间曲率突变与最大车道偏移显著正相关；挠率突变对车道偏移产生的影响主要取决于线形扭转的方向，当线形扭转方向与路拱横坡反向时，会明显加剧最大车道偏移；而线形扭转方向与路拱横坡同向时，会降低最大车道偏移但降低效果不明显；熟练驾驶人的最大车道偏移小于新手驾驶人，这种现象在空间曲率突变较大和挠率突变不利的路段尤为明显。研究结论可为公路线形安全性评价、线形设计优化和路侧安全改善提供参考。     

再论文克勒地基板极限承载力的弹塑性解

为了完善文克勒地基板极限承载力的理论基础，针对圆形荷载作用下的文克勒地基上无限大板达到其极限承载力状态时的破坏性状，即板顶出现环状裂缝，以板切向弯曲曲率是否达到其弹性极限弯曲曲率为准则将板划分为2个区域，环内屈服区釆用刚塑性假设，环外弹性区采用线弹性假设，联立方程求解，推演得到了文克勒地基板上作用圆形均布或刚性承载板荷载的极限承载力问题的解析解。分析了材料泊松比、残余弯矩比、荷载圆半径、荷载类型等因素对地基板的极限承载力、屈服区和环裂区范围的影响，并将分析结果与刚塑性解、其他弹塑性解进行对比。最后，归纳给出了2种荷载形式下的地基板极限承载力近似计算式。研究结果表明：板材料的泊松比对屈服区半径、环状裂缝半径及极限承载力影响不大；当荷载圆半径较小时，环状裂缝发生在屈服区，当荷载圆半径较大时，环状裂缝出现在弹性区；板残余弯矩比对环裂半径的影响随荷载圆半径的变化而变化；随着板残余弯矩比的减小，屈服区边界内缩，板极限承载力减小；在荷载圆半径相同时，刚性承载板荷载的环裂半径比圆形均布荷载的环裂半径略大，相应的极限承载力也稍大，最大偏差约为30%；在常见荷载圆半径范围内，刚塑性解的极限承载力比所提方法弹塑性解要大，偏差随荷载圆半径的增大而减小。     

大断面公路隧道液压式栈桥仰拱台车施工工艺研究

本文通过液压式栈桥仰拱台车在大断面公路隧道仰拱施工中的应用研究,对液压式栈桥仰拱台车施工大断面高速公路隧道仰拱和仰拱填充层的施工工法进行了总结。该工法施工的公路隧道仰拱和仰拱填充层分开进行,达到标准化要求,与拱墙二次衬砌的受力形成闭合环,能有效保证仰拱的施工质量。相对于传统仰拱浇筑混凝土施工工艺具有明显的经济和社会效益,技术优势显著。     

基底状况对山岭隧道仰拱结构受力的影响研究

以云南地区某高速公路隧道为依托,针对隧道仰拱开裂状况,采用荷载-结构法建立隧道结构计算模型,分析外水压力、基底软化两种典型基底状况对隧道仰拱受力的影响,从而明确隧道仰拱病害成因。计算结果表明:外水压力和基底软化对仰拱结构受力的影响规律相一致,引起了衬砌结构内力重分布,改变了仰拱结构弯矩分布形态,仰拱弯矩由"驼峰状"分布向"鱼肚状"分布变化,弯矩最大值由两侧向仰拱中心转移;增大了仰拱结构偏心程度和应力集中情况,使仰拱结构受力条件恶化,易导致仰拱中心处发生拉裂破坏。比较而言,地下水的影响更为明显。外水压力和基底软化共同作用是引起本依托工程仰拱开裂的主要原因。     

暗挖电力隧道对邻近既有桥梁桩基的影响分析

对成都市某暗挖电力隧道穿越邻近桥梁桩基问题建立二维有限元模型,分析了隧道开挖在不同的隧道埋深、隧道与桩基中心距下对邻近桥梁桩基的影响规律。分析结果表明:在桩隧中心距小于一定范围时,开挖对桩基的影响很大;桩身最大水平变形和最大弯矩的位置随着隧道埋深变化而变化,且当隧道埋深位于桩中上部时,桩身最大水平变形和最大弯矩相对较大。     

杜公岭隧道衬砌结构加固方案优化研究

针对杜公岭隧道既有初期支护出现的碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀现象,采用数值计算方法分析了该腐蚀现象对病害处治措施安全性的影响,并通过测试隧道病害处治范围内衬砌结构与围岩的矿物成分确定了衬砌结构优化加固方案的范围。计算结果表明:在既有初支发生硫酸盐侵蚀失去承载能力条件下,仅置换二衬时,二衬结构拱脚、边墙关键位置的安全系数较小(最小1.44)、裂缝宽度较大(最大1.23 mm);采用二衬嵌拱方案时,二衬嵌拱结构拱脚、边墙、拱腰、墙脚等位置的安全系数很小(最小0.14);当二衬结构和初期支护同时置换,且新施作初期支护不出现腐蚀劣化时,新施作二衬结构的安全系数(最小2.23)和裂缝宽度(最大0.14 mm)。衬砌结构和围岩的矿物成分测试结果表明:碳硫硅钙石在既有衬砌结构中已广泛分布或正在侵蚀。依据数值计算与矿物成分测试成果,杜公岭隧道病害处治区段内的二衬与初支全部采用置换为抗硫酸盐混凝土结构,围岩采用锚杆进行加固,对于未设仰拱断面均增设仰拱支护。经施工后检测与长期监测,杜公岭隧道衬砌结构加固方案的处治效果良好。     

三车道连拱隧道施工引起围岩位移变化分析

采用有限差分法对某高速公路三车道连拱隧道施工进行实态建模,分析其施工过程对围岩位移的影响,得到了大跨度三车道连拱隧道开挖过程中周围地层位移的发展规律,结果表明:隧道拱顶、仰拱中部位移和上部地层沉降均主要发生在主洞上部开挖阶段.     

含水率差异对膨胀性红黏土隧道施工力学行为的影响

膨胀性红黏土因其特殊的水敏性,使得自身遇水膨胀,是造成隧道围岩失稳的重要原因。 为建立含水率与膨胀率的关系,从 而明确含水率变化对大断面膨胀性红黏土隧道及支护结构受力变形的影响,以银西高铁庆阳膨胀性红黏土隧道为研究背景,通过 现场监测确定围岩含水率波动范围;结合室内试验建立含水率与膨胀性和抗剪强度的对应关系;将土体含水率变化条件下的膨胀 关系同材料受热膨胀特性进行联系,利用ABAQUS内置的温度应力场模拟湿度应力场,分析不同含水率作用下隧道围岩压力、衬砌 结构内力与变形量值的重分布规律。 结果表明: 开挖后不同含水率最终趋于饱和时,随着初始含水率的降低,围岩及支护结构受 力增大,仰拱与拱脚处相对位移提高,拱顶、拱腰与边墙处相对位移降低,整体安全系数逐渐降低;对开挖后洞周平均含水率20.7% 而言,最终趋于饱和时围岩压力安全系数为2.2,衬砌安全系数为1.1,围岩相对位移为0.97%;相比于围岩压力和衬砌结构受力, 含水率变化对洞周围岩变形影响最大;基于特殊地质情况,建议将隧道预留变形量提至150~180 mm。