深埋大断面土质隧道初期支护结构受力特征研究

研究目的:新奥法中初期支护结构作为承受围岩压力的主要结构有着重要的作用。为研究深埋大断面隧道复合衬砌中初期支护结构的受力特性,本文以银西高铁庆阳某隧道为工程依托,通过现场监测,得到深埋大断面红黏土隧道的围岩压力、钢拱架内力与混凝土内力变化规律,分析初期支护结构内力变化规律及分布特征。研究结论:(1)红黏土大断面隧道两侧的围岩压力大于拱顶和仰拱内的围岩压力;(2)初期支护结构内力呈现出上大下小的分布规律,且钢拱架承担了大部分围岩压力;(3)可考虑在边墙及拱顶增高钢拱架标号,仰拱内减少拱架截面积,以达到充分利用材料降低造价,提高衬砌结构可靠性;(4)本研究结果可以为类似地质条件下衬砌设计优化及隧道初期支护的施工组织提供参考。     

基于等效周长法研究隧道衬砌水压力荷载及内力

为研究方形隧道断面衬砌水压力及内力,利用等效周长替代法,将方形隧道断面转变成圆形隧道断面,并运用轴对称解析法与有限差分FLAC3D分别计算在不同衬砌渗透系数、不同注浆半径和不同衬砌厚度情况下,隧道衬砌水压力、渗透量、内力、偏心距以及安全系数。结果表明:轴对称解析法的渗透量和水压力与有限差分数值计算法的很接近;在不透水情况下,水压力不进行折减;通过控制排水、减小衬砌渗透系数、适当增大围岩注浆或适当增大衬砌厚度可以调节衬砌水压力、偏心距与安全系数;衬砌厚度对边角处安全系数影响大;以设计水荷载为正算,施工监测水压力为反算,在施工过程中,检验并修正水荷载。     

各向异性渗流深埋隧洞衬砌外水压力解析研究

基于渗流力学基本理论，进行各向异性深埋隧洞渗流场解析研究。由稳定渗流场基本微分方程结合深埋隧道渗流场边界条件，利用坐标变换法将地层从各向异性转换为等效各向同性，运用保角变换将渗流方程转化为Laplace方程；将围岩渗流区域进行分区计算，得到围岩的渗流量计算公式；考虑衬砌为各向同性渗流，根据围岩与衬砌分界面上的渗流量相等得到衬砌外水压力的解析表达式，在此基础上考虑注浆圈及其对衬砌外水压分布的作用，得到了带注浆圈隧道衬砌水头和渗流量的解析解；通过与各向同性解析解和数值算例的计算结果对比，验证了公式的正确性。分析围岩水平与竖向渗透系数、注浆圈参数、衬砌参数、作用水头高度和隧道半径等因素对衬砌外水压力的影响，并考虑了各向异性渗流情况下衬砌外水压力与隧道渗流量的关系曲线。     

黄土隧道围岩湿陷衬砌结构力学响应分析

针对湿陷性黄土隧道围岩浸水后工程力学性质劣化导致的衬砌结构病害问题,考虑黄土围岩浸水湿陷过程中隧道围岩压力增大及围岩约束软化的特点,提出围岩浸水湿陷前后围岩压力及基床系数的变化取值计算方法,建立基于荷载-结构模型的黄土隧道围岩浸水湿陷衬砌结构力学响应分析方法。以曾开展现场试坑浸水试验的黄土隧道为对象,对隧道围岩浸水湿陷引起的衬砌结构内力变化及承载安全状态进行计算分析,结果表明,黄土围岩浸水湿陷会引起衬砌结构内力显著增大和分布形式变化,特别是仰拱中部和墙脚端部弯矩值增大2.5～3倍,相应部位截面承载安全系数可降低至1以下,发生拉裂破坏,衬砌结构设计中应予以加强。模型计算结果与现场实测结果相吻合,验证了该分析方法的合理性,可为湿陷性黄土隧道衬砌结构冗余设计提供参考。     

外水压力对渭河隧道下穿河谷段衬砌结构的影响研究

由于我国复杂的地形地质条件许多山岭隧道修建在地下水丰富的地区,但是目前铁路、公路隧道设计规范并未对衬砌承受水荷载的计算方法予以明确规定,隧道结构设计常采用全水压力或经验方法,导致设计不合理或过于保守。针对这种情况,本文以渭河隧道为工程背景,利用有限差分法对下穿河道的隧道进行流固耦合数值模拟分析,得出考虑外水压力时衬砌设计应采用的折减系数;同时,将考虑与不考虑外水压力条件下结构受力进行对比分析,得出了外水压力对隧道衬砌结构受力的影响,可供类似工程设计及施工参考。     

超大跨度隧道衬砌结构受力特征分析

为研究超大跨度隧道衬砌结构受力特征,以厦门某双洞八车道隧道为依托,建立三维数值分析模型,并结合现场实测数据,研究衬砌结构受力特征以及二次衬砌荷载分担比。结果表明：(1)围岩压力作用在初期支护上的应力小于围岩初始地应力,围岩自稳能力承受了部分围岩荷载;拆除临时隔墙在二次衬砌自重作用下,初期支护内力发生重新分布。(2)初期支护分担了约90%的围岩荷载,仰拱脚部位置的分担比率在85.7%～94%之间。(3)对于地质条件较好的地层,可以对二次衬砌支护强度进行优化设计,以节约工程成本。     

海底隧道衬砌结构受力特点及断面形状优化

针对青岛胶州湾海底隧道工程,选取设计参数不同的8个衬砌结构断面,基于荷载-结构模型,采用ANSYS有限元程序,分析衬砌结构受力特点.结果表明:衬砌结构仰拱半径不宜过大,减小仰拱半径可以有效减小衬砌结构仰拱、拱脚处的弯矩;衬砌结构拱脚半径不宜过小,增大拱脚半径虽可以有效减小衬砌结构拱脚、拱底处的弯矩,但同时会增加拱顶的弯矩;衬砌结构拱顶半径不宜过大,增大拱顶半径可以减小衬砌结构仰拱、拱脚处的弯矩,但将增大拱顶、拱肩处的弯矩.基于上述研究结果,根据相关规范设计要求,以各衬砌结构断面各单元最小安全系数最大化为目标函数,对青岛胶州湾海底隧道位于海域段V级围岩段衬砌结构断面形状进行优化,优化得到的衬砌结构断面,各处内力值(弯矩、轴力)更加均匀,安全系数离散性小,便于衬砌结构配筋设计.     

TBM施工隧道仰拱预制块的受力分析

运用计算软件ANSYS,采用围岩—结构模式,对TBM施工隧道仰拱预制块进行模拟动态施工的受力计算研究。计算结果表明,围岩初始应力场对仰拱受力有明显影响,随着竖向压力的增大,仰拱中心的内、外侧应力均增大;随着水平压力的增大,仰拱中心内侧应力减小、外侧应力基本不变;减小复合衬砌结构中初期支护厚度以及变刚性接头为柔性接头均会改善仰拱受力。试验数据对受力计算结果的验证表明,计算所得仰拱内力分布及变化趋势与试验结果一致。     

高速列车荷载作用下仰拱对隧道整体动力特性的影响分析

仰拱作为隧道衬砌的重要组成部分，其设置对改善隧道结构受力状况，提高隧道结构的整体稳定性都非常重要。但在列车激振荷载作用下，仰拱在隧道整体结构中所发挥的作用还需要进一步研究。通过数值分析方法，从动力学角度，对仰拱在高速铁路隧道列车振动响应中的作用和影响进行了探讨。比较了不同仰拱形式下隧道结构各控制点的动力学特性及衬砌和围岩受力特性，为隧道仰拱设置中综合考虑动静力影响提供一定的参考。     

大跨海底铁路隧道断面受力特点及优化建议

以甬舟铁路金塘海底铁路隧道矿山法施工段为依托，选其深埋段Ⅳ_b型衬砌参数，采用荷载-结构模型，基于内力分布特点研究仰拱加深、拱脚加厚及仰拱加深+加厚拱脚3种方案下的断面优化效果。结果表明，仰拱加深0.5 m可使断面弯矩分布更加均匀，可改善各关键节点安全性能并将衬砌可承受的最大水压由拱顶以上6 m提升至38 m;拱脚段加厚0.3 m对结构弯矩分布、底鼓挠度大小及整体安全系数的提升效果较小，可承受极限水压为拱顶以上23 m;仰拱加深0.5 m+拱脚加厚0.3 m优化方案与仰拱加深0.5 m方案优化效果大体一致，故建议断面优化优先考虑仰拱加深措施。     

Research on the Cause and Influential Factors of Tunnel Lining Cracking of Side Wall in Seasonally-frozen RegionsEI北大核心

Research purposes: In recent years, tunnel diseases like lining cracking and water leaking during spring thawing period, caused by frost heaving of surrounding rock, have occasionally occurred in high-latitude seasonally-frozen regions of northwest China and northeast China, which has seriously affected the tunnel structure and operation safety. Taking several railway tunnels in northwest China as an example, this paper investigates the cause and main influencing factors of longitudinal cracking of side wall in winter in seasonal frozen soil area by means of field test, laboratory experiment and numerical simulation. Research conclusions:(1) When the water content of surrounding rock of tunnel built in strongly-weathered sandstone is 12.3% and the frozen depth of surrounding rock is up to 60 cm, the maximum tensile stress of side walls is 2.28 MPa, which is larger than the ultimate tensile strength of C30 concrete, then the horizontal lining cracking will appear on side walls under the effect of continuous negative temperature in winter. If the lining bears part of the surrounding rock load, the longitudinal cracking degree of the side wall will increase. (2) Under the effect of frost heaving loads, the cracking of tunnel lining has its own characteristics of symmetry, seasonality and accumulation, etc. The cracks appear in winter and distribute in the middle of side walls. As the temperature is rising, the crack begins to shrink. (3) The frozen circle thickness and water content of surrounding rock should be used as main indicators during the process of calculation of frost heaving loads of surrounding rock in seasonally-frozen regions. (4) The research results can be used for reference in tunnel design, operation and maintenance in seasonal frozen soil area. © 2018, Editorial Department of Journal of Railway Engineering Society. All right reserved.     

膨胀性地层铁路隧道衬砌结构及防排水措施优化建议

结合膨胀性地层铁路隧道病害概况以及单、双线铁路隧道断面、防排水设计现状,提出相应的衬砌结构及防排水措施优化建议。衬砌结构的优化建议如下:对单线隧道而言,适当增大其边墙曲率、仰拱矢跨比,提高边墙、仰拱的强度和刚度;对双线隧道而言,适当增大其仰拱矢跨比,提高仰拱的强度和刚度;隧道仰拱处二次衬砌应采用钢筋混凝土,同时在隧道仰拱填充中增设格栅钢架或在隧道仰拱填充顶部增设钢筋。防排水措施的优化建议如下:将设置在仰拱填充内的中心水沟下移至仰拱下方,在仰拱下方设中心水沟或改设为排水渗沟,可将隧道衬砌背后积水均引入仰拱下方的中心水沟排出洞外;而改设的中心渗沟主要用于排出仰拱下方积水。     

重载铁路隧道仰拱施工关键技术应用——以中条山隧道为例

为解决软岩隧道仰拱采用传统台阶法施工易出现的初期支护封闭不及时变形大,仰拱二衬采用传统栈桥施工存在的质量缺陷多、安全性差的问题,依托浩吉铁路中条山隧道对仰拱施工技术进行了研究和创新,提出仰拱和下台阶一次开挖技术和仰拱二衬大区段技术。同时针对高地应力、第三系泥岩地层及富水地段等不良地质仰拱施工技术进行了研究和优化。研究结果表明:仰拱和下台阶一次开挖快速封闭成环技术在变形控制、安全性、工效均比传统台阶法好;仰拱二衬采用24m大区段技术在仰拱整体质量,安全性均比传统栈桥施工要好;高地应力段采取早封闭、强支护等措施有效解决了变形较大的问题。第三系泥岩地层采用碎石换填并注浆加固解决了仰拱承载力不足和基底通水问题。富水地段增设独立排水系统解决了地下水对仰拱的侵蚀,降低了地下水对仰拱的作用力。通过浩吉铁路全线多条隧道的应用以及一年多的铁路运营检验证明了仰拱系列施工技术的安全性和适用性,对软岩隧道仰拱施工具有较高的应用价值。     

富水复杂地质围岩稳定性评价与支护系统优化

研究目的:富水复杂地质隧道施工过程中,不良地质带受水-岩相互作用的影响,开挖过程中拱顶、拱腰等部位极易产生块体失稳,且隧底压力经常大于垂直地压,造成仰拱断裂、边墙下部内移错动甚至衬砌失稳破坏,从而给隧道施工造成很大的安全隐患,因此很有必要对围岩稳定性进行评价,并以此为基础对围岩支护系统进行优化探讨.研究结论:(1)隧道在弱风化的花岗岩中掘进时应尽快施作仰拱,使衬砌闭合成环;(2)CD法开挖段仰拱紧跟、衬砌尽早封闭成环很有必要;(3)文兴隧道与水库之间具有水力联系的可能性,对于隧道内的渗、涌水应及时采集水样进行必要的水化学及同位素分析,判断隧道内渗、涌水的来源.(4)隧道在断层破碎带的软弱围岩中掘进时,应尽早施做二次衬砌,必要时做专项的抗水压复合式衬砌设计;(5)一旦证实水库水与隧道之间存在水力连通,隧道的断层破碎带为力学和形变不良段,车行横洞应尽量避开该位置,适宜前移或后移数十米至微风化岩层段内.     

Discussion on the assessment of initial stress field of railway rock massEI北大核心

Research purposes: In actual work, according to the ground stress data for assessment, most railway tunnels are under very high ground stress and high ground stress state, which causes adjustment of surrounding rock and engineering measures to strengthen, thus these will cause large increased investment, even cause large dispute and chaos in analysis causes of tunnel lining cracking and deformation, but the engineering case that rock burst and large deformation occurred in actual excavation of tunnel is very rare. In this paper, according to rock mass mechanical theory, the ground stress information and engineering case, combined the relevant provisions of similar industry, the assessment of initial stress fields of rock mass in railway specification is discussed. Research conclusions: (1) The assessment of railway specification to initial ground stress field is not realistic and should be revised, preliminary judgment when the measured in-situ stress >30 MPa, the possibility of rockburst is increased. (2) Assessment conclusion of initial ground stress field should be discreet, the increased investment should be incorporated into the dynamic design. (3) The stress tests of survey design stage should be reasonable and appropriate. (4) The research results can be applied to the modification of railway norms and tunnel exploration.     

客运专线隧道断面方案研究和优化设计

研究目的:客运专线铁路隧道的建设在我国尚属首次,其断面选型和结构设计无成熟经验可以参考,原设计的时速250 km客运专线隧道衬砌断面和时速350 km客运专线隧道衬砌断面有不足之处。为满足客运专线隧道建设的需要,需要对客运专线隧道断面形式和结构进行优化设计研究。研究方法:广泛调研国外高速铁路隧道设计方案和施工经验,从隧道结构受力条件、排水系统布设及工程量大小等方面进行多方案比选研究。研究结果:合理选定了时速250 km客运专线隧道衬砌断面和时速350 km客运专线隧道衬砌断面形式,进一步优化了衬砌结构设计。研究结论:通过客运专线隧道断面研究和优化设计工作,克服了原设计客运专线铁路隧道衬砌断面的缺点。优化后的隧道衬砌断面具有受力更加合理、救援通道的使用更加方便、减少了隧道断面工程数量等优点。     

不对称双连拱偏压铁路隧道修建技术研究

研究目的:在我国30多年双连拱隧道工程实践史中,大多数都是在公路隧道中应用,隧道断面多为等跨对称结构,大跨不对称双连拱铁路隧道的工程实践在国内还几乎为空白,对此进行深入研究。本文以新建兰渝线新作坊隧道为工程背景,采用ANSYS有限元软件分别模拟了在V级围岩地形偏压条件下不对称双连拱隧道两种不同工序的施工过程,以获取不对称双连拱隧道的受力、变形特征、施工工法、支护体系。研究结论:通过对隧道结构体系关键部位在开挖过程中的受力和变形分析,得出:(1)开挖过程中左、右洞室及中隔墙顶部关键点的应力和变形随施工步变化的规律;(2)"中导洞+右洞+左洞"的三台阶施工工法更加适合该隧道施工;(3)大跨不对称双连拱隧道采用不均衡支护体系;(4)为有效解决中隔墙顶部渗漏水的问题,在其顶部V型区域设置小导管并进行注浆,对中隔墙顶部岩体进行加固提高其抗渗性能。计算结果为该隧道的设计提供了可靠的依据,同时为该类隧道的设计提供了参考。     

新建隧道施工对临近既有隧道结构安全性影响分析

新建隧道与既有隧道间距较近时,新建隧道的开挖导致围岩应力发生重分布,对既有隧道的结构产生影响,为此针对包西铁路通道新宝塔山隧道出口端,用有限元方法进行了数值模拟分析,并进行施工监控量测,对计算结果和监控量测结果进行分析,结果表明:新建隧道开挖将引起围岩应力重分布,使既有隧道衬砌结构的安全系数有所降低,其降低程度与两隧道间距有关,间距越小其影响程度越大。新建隧道的开挖对既有隧道临近开挖一侧的衬砌结构影响最大。     

海底隧道涌水量的预测及其应用

海底隧道深埋于海水以下，处于高水压富水区，涌水是海底隧道的最大威胁。涌水量预测是海底隧道防排水设计和施工措施制定的依据。采用理论分析方法，推导了均质围岩中海底隧道注浆圈外表面、衬砌外水压力及涌水量的理论解析公式，并分析了涌水量与各量值之间的关系。通过对地下水渗流场数学模型研究，采用等效连续介质模型用数值方法分析了隧道渗流场的分布，计算出海底隧道的每延米涌水量，并与理论解析解进行了对比分析。结果表明：海底隧道的涌水量不仅与围岩和注浆圈的渗透系数的比值关系密切，而且还与隧道的半径、远场水压力、注浆圈的半径有关；数值计算所得结果与理论解析公式计算得到的涌水量基本一致；为了确保海底隧道施工及运营的安全，应采取“以堵为主，限量排放”的治水方案。     

干湿交替条件下膨胀围岩隧道的力学性态研究

以广西南宁膨胀土为围岩材料,制作室内膨胀围岩隧道物理模型。通过对隧道模型进行干湿循环试验,得出围岩在吸水及失水条件下的围岩应力-时间关系曲线及衬砌应变-时间关系曲线。试验认为在吸水过程中大部分测点的围岩压力都经历了增长、减小、不同速率的再增长3个阶段。衬砌变形则经历缓慢增长、急剧增长、急剧减小、微增长4个阶段;在失水过程中,从整体上可以将围岩压力变化分为两部分,即围岩失水收缩致使衬砌和围岩的接触压力下降导致围岩应力值减小以及土体收缩产生收缩应力导致应力监测值增大。并分析这种变化规律的形成机理,证明时间效应和空间效应的存在。为今后膨胀围岩隧道的结构设计和施工优化提供一定的理论参考。