高水压作用下单线铁路隧道衬砌受力特性研究

铁路隧道衬砌结构在运营期间的高水压致裂问题日益突出。本文依托新圆梁山隧道工程,采用数值分析方法研究了三种隧道衬砌断面在全环均匀水压力下的内力分布特征。结果表明:普通衬砌(a型)、蛋形衬砌(b型)的轴力和弯矩分布相似,拱顶、拱腰和拱脚为这两类衬砌的受力最不利位置;圆形衬砌(c型)的拱顶和拱腰为受力最不利位置。不同的衬砌结构形式下,衬砌轴力值和弯矩值与水压力均呈线性关系。不同衬砌断面形式下轴力相差不大,采用蛋型衬砌能小幅度降低衬砌所受弯矩,而圆形衬砌则能显著降低衬砌所受弯矩。研究成果可为类似工程提供借鉴和参考。     

某铁路隧道衬砌拱腰拉裂拱顶压溃病害原因探析

隧道衬砌缺陷致害研究是当前热点,对衬砌病害产生原因进行探析对隧道施工及设计来说尤为重要。通过结合相关资料、建立FLAC2D二维模型对某隧道出现的拱腰拉裂、拱顶压溃病害原因进行初探,研究结果表明:(1)拱顶背后存在空洞是引起隧道衬砌拱腰拉裂、拱顶压溃病害的主要原因。(2)拱顶背后存在空洞将引起衬砌受力发生显著变化,具体表现为拱部由衬砌背后无脱空工况下的洞内侧受拉转变成洞外侧受拉,且拱顶衬砌内表面处出现压应力集中。     

基于渗漏水的隧道渗流场有限差分法分析

建立FLAC3D有限差分计算模型,模拟隧道围岩、地下水、初期支护和二次衬砌,探讨在不同的渗漏水位置和地下水位条件下隧道衬砌结构的各种内力及参数响应。数值模拟计算结果显示:当水压力较小时,拱顶渗漏水对结构影响最大;当水压力逐渐增大时,拱腰渗漏水对结构的影响逐渐显现,而且结构出现不对称的内力及参数响应,分析结果可为渗漏水病害条件下隧道结构安全评估提供判断基础。     

寒区隧道冻胀力模型试验及围岩注浆效果研究

为了研究寒区隧道衬砌背后积水位置不同时结构的受力变化规律和破坏形式,进行冻胀力的室内模型试验。模型试验采用不同水囊大小和分布位置来模拟衬砌背后积水情况,通过模型试验箱外界环境整体降温和隧道底部局部降温的方式,模拟隧道外界的低温环境。试验结果表明:衬砌背后冻胀力在拱顶处较小,在边墙和拱脚处较大;在相同的冻胀压力作用下,拱顶处更容易破坏。最后采用数值计算,对比分析围岩注浆前后3种试验工况下隧道衬砌结构的可靠度。结果表明:仅靠提高衬砌结构的厚度和强度来预防或消除衬砌结构冻害的方法是不可取的,在富水区的寒区隧道采用围岩注浆加固具有较好的效果。     

隧道质量无损检测中雷达波形分析与探讨

通过对不同衬砌类型下的衬砌密实性、拱架的特征波形做进一步地梳理和深入探讨,分析不同衬砌工况下空洞、拱架对应的主要判定特征;对衬砌结构划分类别,并对衬砌密实性、拱架的判定特征在不同衬砌工况下多条隧道雷达波形差异性进行分析和对比,总结出不同衬砌工况下的共性。在隧道二次衬砌内无钢筋布设时,空洞和拱架之间存在影响,但可以判定;在隧道二次衬砌内存在钢筋布设时,钢筋对背后的脱空和拱架具有屏蔽作用,影响雷达图像的判释。     

不同工况下横通道开挖对隧道结构影响分析

基于FLAC 3D软件建立摩擦土层及黏性土层等多种工况下的三维数值模型。从主线隧道中心线上方土体位移、地表沉降及主线隧道衬砌内力等方面,研究分析了横通道开挖对隧道结构的影响作用。主要研究结论为:(1)在不同的隧道间距、隧道埋深及地质条件下,横通道开挖对主线隧道上方位移、地表沉降及隧道衬砌受力分布的影响也不尽相同;(2)随着横通道向前掘进,横通道中心线上方垂向位移及地表沉降呈现逐步增加趋势,对横通道中心线上方的影响更为显著;(3)随着横通道的开挖,先行隧道拱顶处的衬砌弯矩、边墙处的衬砌轴力呈增加趋势,后行隧道拱顶、边墙处的衬砌弯矩以及边墙处的衬砌轴力在横通道开挖结束的几个计算步时均呈增加趋势。     

明洞隧道衬砌环向非受力裂缝分析及控制技术

目前国内对明洞隧道拱墙衬砌浇筑过程中出现的环向裂缝研究较少,该类裂缝由于是非受外力作用产生,没有引起足够的重视,但该类裂缝会引起隧道渗水、甚至影响结构耐久性。为了解决明洞隧道拱墙衬砌环向裂缝问题,依托京张高铁东花园明洞隧道工程实例,对明洞隧道衬砌环向非受力裂缝宽度影响因素进行了深化研究,通过对环境温度、配筋率、每版衬砌长度、底边墙的约束度等不同工况进行理论分析,提出明洞隧道衬砌混凝土非受力裂缝关键影响因素,并对裂缝的宽度和长度进行理论量化计算,提出该类裂缝控制关键技术,研究结果可为其他类似的明洞隧道衬砌设计、施工提供借鉴和参考。     

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。     

地形偏压连拱隧道模型试验衬砌受力研究

运用相似理论分析模型材料的选择原则,设计了能进行围岩压力、位移、衬砌变位及竖向加压测试的平面应变模型试验装置。通过1∶20比例尺寸的模型试验对地形偏压作用下连拱隧道衬砌受力和拱顶沉降的分析,表明在不同荷载下左右洞室衬砌都受压力,随着隧道上覆荷载的增大而增大,左洞最大轴力值分布于仰拱和边墙的结合部位,右洞最大轴力值分布于靠近中墙的左拱腰;试验过程中,左右洞室有被压扁的趋势,连拱隧道整体向浅埋侧移位,浅埋侧和深埋侧围岩出现被动压力和主动压力作用。     

列车振动荷载作用下近距离空间交叠盾构隧道的动力响应特性及损伤规律分析

采用拟合的列车振动荷载,研究在上部列车振动荷载作用以及不同围岩等级、不同隧道间距条件下空间交叠盾构隧道的动力响应特性和损伤分布规律。结果表明:上部隧道衬砌振动加速度在拱底最大,拱腰相对较小,拱顶最小,下部隧道衬砌振动加速度在拱顶最大,拱腰相对较小,拱底最小;上部隧道的压致与拉致损伤均在拱底最大,拱腰次之,其余各处相对较小,且上部隧道底部约130°范围为损伤主要区域;随着围岩等级的提高,上部隧道衬砌的最大主应力逐步增大,最大主应力峰值由拱腰逐渐向拱底转移;随着隧道间距的增大,上部隧道衬砌的最大主应力逐步减小。     

山岭隧道突水对衬砌结构受力影响数值分析

用有限元数值模型,分析隧道断面上8个不同位置10种不同水压突水条件下衬砌结构的受力特征。结果表明:突水位置发生在仰拱或墙脚位置时,对衬砌结构的受力影响显著;突水对衬砌结构上的最大正弯矩和最大剪力影响最显著,而对最大负弯矩和最大轴力影响要相对小一些。运用结构力学的弯矩影响线理论,把突水压力作为衬砌结构上的移动荷载,给出不同突水压力下衬砌结构的弯矩包络图。     

Research on the Mechanical Characteristics of Primary Supporting in Deep Buried Large-section Red Clay TunnelEI北大核心

Research purposes: In the New Austrian Tunneling Method, the primary supporting has the vital function as the main structure of taking the pressure of surrounding rock. In order to study the force characteristics of primary supporting in the composite lining of deep buried large section tunnel, this paper is based on Qingyang tunnel engineering in Yinchuan-Xi'an High-speed Railway. After the on-site monitoring of the process, we can find the variation law of surrounding rock pressure on the deep buried large section red clay tunnel, steel arch internal force and concrete internal force, and analyze the internal forces and distribution characteristics of the primary supporting structure. Research conclusions:(1) The pressure of surrounding rock on both sides of the large section tunnel of red clay is greater than that in the vault and the inverted arch. (2) The internal force of primary supporting structure shows a distribution pattern of big top and small bottom, and the steel arch bears most of the surrounding rock pressure. (3) It can be considered to increase the marking of steel arch frame on the side wall and vault roof, and reduce the section area of arch frame in inverted arch, so as to make full use of materials, reduce the cost and improve the reliability of lining structure. (4) This research conclusion can provide reference for the optimization of lining design and construction organization of tunnel primary support under similar geological conditions. © 2018, Editorial Department of Journal of Railway Engineering Society. All right reserved.     

隧道二衬欠厚检测及结构安全性分析

针对西部某高速铁路隧道二衬病害问题,采用SIR-3000型探地雷达进行二衬检测,根据病害部位、类型以及程度不同,建立多种工况的有限元模型,并以拱顶、拱腰和边墙的安全系数为评价标准,对二衬病害引起衬砌结构安全问题进行总结。检测结果表明：二衬缺陷主要表现为欠厚问题,占总病害数的69.9%,且各部位欠厚数呈正态分布。分析表明：欠厚部位内力整体变小,安全系数减小,承载力降低;且距离欠厚部位越近,所受影响越大;二衬整体欠厚时,满足安全的临界厚度为19.2 cm;拱顶欠厚时,拱顶厚度16.7～26.3 cm为受拉破坏区间;拱腰欠厚时,无极限破坏情况;边墙欠厚时,临界厚度为3 cm。     

隧道衬砌水压力荷载及内力研究

通过轴对称解析计算和有限元数值计算隧道在不同衬砌渗透系数、不同注浆圈厚度、不同衬砌厚度条件下,衬砌背后的水压力、流量及衬砌内力,分析影响水压力的因素和水压力对衬砌内力的影响,轴对称解析计算和有限元数值计算结果显示水压力和流量十分接近。衬砌不透水时,水压力荷载系数不折减;在控制排水的条件下,调整衬砌渗透系数、注浆半径和衬砌厚度可以改变水压力、流量和衬砌内力。设计时正算水荷载,施工时通过监测流量反算水荷载,对水荷载设计进行检验和修正。     

基于结构受力模式主动调整的高速铁路单线隧道预制拼装衬砌设计选型研究

基于荷载-结构模型分析了不同等级围岩条件下350 km/h单线隧道断面整体衬砌内力特征.在此基础上,通过主动调整结构受力,在整体衬砌对应的弯矩极大值处将衬砌结构分为7部分进行预制,分析了不同围岩等级下接头刚度对预制装配式衬砌受力与变形的影响.结果表明:相对于整体衬砌,Ⅲ,Ⅳ,V级围岩条件下预制装配式衬砌最大轴力分别增加5.6%,6.5%,7.3%,最大弯矩分别减少39.9%,43.0%,54.6%,最大横向位移分别增加22.4%,36.4%,64.7%,最大竖向位移分别增加41.8%,44.6%,52.5%;边墙、拱脚和仰拱安全系数略有下降,拱顶和拱肩安全系数大幅增加,接头刚度不宜大于45 MN·m/rad.     

富水软土地区单墙衬砌地铁车站防水技术

研究目的:解决富水软土地区地铁车站采用单墙衬砌(地下连续墙直接作为结构的侧墙)结构的防水问题。研究方法:针对上海地铁2号线西延伸工程淞虹路车站设计采用连续墙直接作为主体结构侧墙的实际情况,结合地下工程防水技术规范和地铁设计规范,研究地铁车站混凝土结构自防水、连续墙(侧墙)接头、诱导缝、施工缝防水技术以及侧墙抗裂砂浆防水涂层(刚性四层抹面防水层)防水技术。研究结论:富水软土地区单墙衬砌地铁车站较双墙结构防水技术难度大,设计和施工要求高;连续墙(侧墙)接头是防水设计和施工的关键部位;采用十字型钢板的刚性止水接头可以满足结构防水需要;当连续墙接头与主体结构诱导缝对齐时,采用包覆丁基橡胶腻子的十字型钢板,既起到防水作用,又满足诱导缝结构变形作用。     

基坑开挖对既有隧道的影响与支护方案对比研究

为研究基坑开挖时不同支护方案对既有铁路隧道的影响,本文通过MIDAS-GTS有限元软件进行分析建模,模拟在基坑开挖的过程中,地下连续墙支护方案与钻孔灌注桩支护方案下对既有铁路隧道的影响。计算结果表明,随着开挖的进行,地下连续墙方案中,隧道衬砌上的最大主应力值、最小主应力值和剪力值均小于钻孔灌注桩方案下的应力值;同时,地下连续墙支护方案中的隧道沉降量也明显小于钻孔灌注桩支护方案下的沉降量。可以得出结论,在基坑开挖过程中,地下连续墙支护方案更加稳定,要优于钻孔灌注桩支护方案。研究成果可为相似的工程施工提供参考。     

黄土隧道大挖方段明洞拱墙衬砌快速施工技术研究

为减少边坡防护工程量,消除运营安全隐患,高速铁路高挖方路堑段多以隧道代替路基,即以隧道明洞的方式通过。传统的明洞拼装模板施工时间长、耗损多、且混凝土外观质量无法保证,进而影响防水施工。本文以银西高速铁路宁县一号隧道出口段175 m明洞施工为例,采用多作业面平行施工技术,利用钢筋绑扎台车,配合衬砌台车和外侧整体钢模板连续施工的方法,通过加强对模板拼装、衬砌浇筑及回填等关键工序的过程控制,在确保安全质量的前提下,实现明洞拱墙衬砌快速高效施工的目的。