岩层隧道荷载结构响应影响因素分析

为探究岩层隧道各因素对管片荷载结构响应的影响规律,采用理论模型推导了岩层隧道外荷载与结构内力响应及位移响应的解析解。基于岩层隧道管片荷载结构特征,探究了上覆围岩荷载、水头高度、岩层侧压力系数、等效抗弯刚度系数、隧道直径、管片厚度以及混凝土等级等7个主要影响因素对管片荷载结构响应的影响规律;并结合成都市锦绣隧道现场监测试验进行了验证。研究发现：上覆围岩荷载增大与岩层侧压力系数的减小将显著增大管片内力与位移响应;水头增大对管片弯矩与径向位移的影响较小,将大幅增大管片轴力水平;等效抗弯刚度系数的增大不影响管片内力响应,但会使结构径向位移小幅减弱;隧道直径增大将导致管片弯矩、轴力与径向位移小幅增大;管片厚度对结构内力响应影响较小,厚度减小将使管片径向位移小幅增大;混凝土等级变化对隧道荷载结构响应影响细微。对比现场监测结果与模型计算结果,所得荷载结构响应规律相似,表明所提出的分析方法具有较高的准确性。     

楼排隧道衬砌结构安全评估

排楼隧道洞口段处在V级围岩中．围岩自稳能力差,对隧道衬砌结构带来不利的影响。本文采用荷载结构法对V级围岩衬砌结构进行了静力计算,得出初期支护和二次衬砌的最大轴力、最大弯矩,以此来评价衬砌结构的稳定性。     

坑道超挖回填材料对衬砌受力和变形影响分析

坑道施工中,超挖回填材料性能对衬砌的受力分布有较大影响。基于FLAC 3D有限差分数值计算软件,模拟坑道开挖施工,通过改变回填层的弹性模量和厚度,分析了不同回填介质对衬砌结构弯矩和位移的影响,并比较了不同围岩级别对衬砌结构的弯矩影响。计算结果表明： 1）拱顶、侧墙和底板的最大弯矩随弹性模量的增大而减小,弯矩开始降幅较大,但最终趋于平缓;拱顶、侧墙和底板的最大弯矩随回填层厚度的增大而增大,几乎成线性增加。2）拱顶和底板的最大位移随弹性模量的增大而增大,侧墙反之;拱顶和侧墙的最大位移随回填层厚度的增大而增大,底板则基本保持不变。     

影响铁路隧道衬砌结构内力的因素分析

以新建的200km时速双层集装箱运输的赣州至韶关铁路单线隧道衬砌断面为研究对象,借助数值模拟手段,得到了围岩压力百分比、弹性反力系数、二次衬砌厚度、浅埋隧道覆土厚度和偏压隧道地面坡对隧道衬砌内力的影响规律,其结果可为今后200km时速的铁路隧道衬砌设计和优化提供参考。     

深埋砂层隧道欠厚二衬安全性及加固效果分析

为研究隧道二次衬砌厚度局部不足对隧道结构受力的影响及加固效果,依托蒙华铁路某隧道,运用有限元软件建立隧道二次衬砌局部厚度不足荷载-结构模型,对衬砌缺陷位置、缺陷厚度及缺陷范围对二衬结构安全性能的影响进行了分析,并结合现场加固方案对其加固效果进行评价。结果表明:衬砌厚度不足对其所在缺陷部位的安全系数影响最大;拱顶安全系数相对最小,拱脚对缺陷厚度最敏感;衬砌欠厚时对结构轴力影响很小,但会造成欠厚位置弯矩值的大幅度降低;对衬砌加固后,结构弯矩值能得到有效改善,安全系数显著提高。     

富水隧道施工期及运营期衬砌结构力学特性研究

以米亚罗3号隧道为依托工程,首先通过现场实测应力监测数据,对米亚罗3号隧道施工期支护结构应力的演变规律进行了分析研究;然后进一步借助数值分析软件,对不同初始水头高度下,米亚罗3号隧道运营期间围岩和衬砌结构的力学特征进行了研究。应力监测结果表明:隧道上台阶开挖后,拱顶和拱肩处的围岩-初支接触压力、钢拱架应力和外水压力迅速增大,约在30~40d后趋于稳定;下台阶开挖后,拱腰处的接触压力、钢拱架应力和外水压力快速增长,约在30~50d后趋于稳定;随着下台阶的开挖,拱肩处的围岩-初支接触压力再度缓慢增长,而钢拱架应力则明显下降;二衬施作后,其内力快速增长,并在20d后趋于稳定。数值模拟结果表明:当初始水头高度增加时,运营期间米亚罗3号隧道的洞周位移、二衬内力和外水压力均成一定比例的增加;隧道变形主要为竖直和水平方向的挤压变形,最大位移发生在拱底;相对于无地下水的情况,地下水的存在会影响衬砌弯矩分布,导致弯矩最大截面从拱顶转移至拱脚;衬砌所受外水压力在拱底处最小,其余部位分布较为均匀;随着初始水头的增大,拱腰和拱脚背后围岩的塑性区范围会明显增加。     

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。     

海底隧道寿命影响因素敏感性的灰色关联研究

基于灰色关联模型原理,选择厦门海底隧道为实例,以海底隧道主要寿命影响因素（包括衬砌结构表面氯离子浓度、钢筋开始锈蚀时其表面氯离子临界浓度、混凝土扩散系数和钢筋保护层厚度）为子序列、以结构寿命为母序列、以极差法为数据转化方法、以关联度为评价准则,对各因素的敏感性进行研究。结果表明：衬砌表面氯离子浓度和临界浓度对海底隧道寿命影响最为敏感、混凝土扩散系数和结构保护层厚度影响程度略小。     

基于流固耦合的高水压隧道支护结构研究

高水压是山岭隧道建设的重要难题之一,抗水压衬砌是隧道穿越这些区段的常用措施,其衬砌结构断面厚度远大于标准断面。衬砌厚度过大施工相对不便,施工质量不能保证,且不能及时分担水压。针对广西某隧道高水压段,采用双层初期支护和二次衬砌组成的支护结构承受高水压,减小二次衬砌厚度。为了分析双层初期支护的效果与获得基于双层初期支护的支护结构参数,利用有限差分法研究了不同防渗等级的单层与双层初期支护、不同注浆范围及不同二次衬砌厚度对围岩的变形影响和对支护结构的力学状态影响。结果表明:在相同支护体系中,喷射混凝土的不同防渗等级对围岩变形、支护应力影响不大;初期支护的防渗等级相同时,相比于单层初期支护,双层初期支护体系使围岩变形、喷射混凝土应力、二次衬砌的轴力与弯矩均减小40%以上;当拱顶以上水头为90 m且采用防渗等级为P8的双层初期支护时,径向注浆能够有效减小支护应力。当径向注浆范围超过4 m后,注浆对减小支护结构受力的效果不明显;采用双层初期支护体系,注浆范围为4 m时,二次衬砌的厚度设计为40 cm就能保障支护结构处于安全状态;径向注浆条件下,采用双层初期支护+二次衬砌的支护体系能够有效保障隧道高水压段的安全。     

大跨隧道软弱围岩高效施工工艺

以对桐梓隧道出口段软弱围岩为研究对象,分别模拟双侧壁导坑法、CD法、台阶法3种开挖施工方法下围岩变形的不同特征及衬砌结构的工作状态,分析不同施工过程对围岩及支护的影响。结果表明:3种施工方法初期支护轴力从大到小分别为台阶法、CD法、双侧壁导坑法,弯矩最大值三者相当;台阶法施工隧道二次衬砌的最大主应力比CD法、双侧壁导坑法略小。     

高外水压山岭隧道衬砌结构安全性分析

基于中国在高外水压地区修建长大山岭隧道增多的现象,就涉及隧道衬砌结构在高外水压作用下的力学响应相关问题进行了研究.运用荷载结构法,采用三维有限元模型,以白芷山隧道工程为依托,对白芷山隧道在无外水压、均匀分布的高外水压和不均匀分布的高外水压影响下衬砌结构最大弯矩、轴力值大小及发生位置的变化进行研究；并根据外水压最大断面处衬砌结构的实际配筋情况计算其在外水压分布均匀和不均匀条件下的安全系数.分析结果表明:在高外水压作用下隧道衬砌结构的最大弯矩和轴力值都显著增加,且发生位置也在发生变化；水压最大断面处的安全系数大小在水压分布不均匀情况比水压分布均匀情况整体降低.     

软弱围岩公路隧道衬砌结构形式拓扑优化

首次基于连续体的结构优化理论和有限元方法,采用简化的假定条件,应用拓扑优化理论,以应变能最小即刚度最大为约束条件,成功对不同应力场软弱围岩公路隧道衬砌结构体进行了结构优化.单拱隧道衬砌结构拓扑优化结果表明:不同的应力场和不同的围岩强度,衬砌结构的断面型式和厚度差别较大;随着侧压力系数的增大,衬砌结构断面高跨比应越来越小...     

连拱隧道衬砌厚度不足对结构安全性的影响研究

为解决因衬砌厚度不足而诱发的连拱隧道结构裂损及安全问题，针对整体式曲中墙连拱隧道，通过相似模型试验，重点研究衬砌厚度不足条件下连拱隧道围岩压力特征、衬砌内力分布以及裂损演化规律。研究结果表明： 1)连拱隧道中墙墙角部位的弯矩最大，中墙墙角外表面产生裂缝,内表面结构压溃，裂损程度最为严重，为最不利位置。 2)衬砌厚度不足部位的边缘是衬砌薄弱截面，左线左拱肩存在衬砌厚度不足时，厚度不足位置右边缘的衬砌内侧开裂；左线左边墙存在衬砌厚度不足时，厚度不足位置上边缘的衬砌外侧开裂。 3)连拱隧道中墙顶部与拱腰接触部位出现较大的拉应力，衬砌厚度不足位置的改变对中墙顶部衬砌受力造成一定的影响，厚度不足位置对侧隧道中墙右上角部位的裂缝出现晚于拱顶裂缝，是连拱隧道结构破坏的重点区域。     

高地震烈度下超大直径海底盾构隧道地震响应分析

运用FLAC3D软件采用动力有限元法对高地震烈度下超大直径海底隧道地震响应进行分析。通过分析得出如下结论:①与单纯自重应力场作用下相比,地震作用会造成结构内力增大,拱顶及拱腰为其受力薄弱部位;②在重力及地震共同作用下,衬砌结构的拉应力主要出现在拱顶附近,最大拉应力超过C60混凝土的抗拉强度设计值,拱顶的衬砌管片可能出现局部脱落;③衬砌结构的最大受力和位移一般发生在地震2-6 s的时间段;④各关键点位置的位移、弯矩、剪力、轴力时程曲线具有相似的变化规律;⑤隧道衬砌最大水平位移为3.6 cm,最大竖向位移为3.7 cm。     

覆土厚度对城市软岩隧道围岩稳定性的影响分析

针对城市地铁隧道浅埋表层土厚度对隧道围岩稳定性的影响,利用有限元方法研究了不同覆土厚度条件下浅埋软岩隧道开挖过程中的变形规律.结果表明：受开挖的影响,左右两侧的x方向位移较明显,y方向位移主要表现为竖向沉降且由于受到开挖的影响其变量较大;表层土厚度越大,隧道围岩越不稳定;覆土较薄,围岩应力集中现象出现在隧道两侧,覆土较厚,围岩应力集中出现在x方向下方45°位置;衬砌区域上下侧所受应力高于左右两侧,且衬砌区域应力显著大于软岩.     

Elastoplastic Analysis of Surrounding Rocks of Subsea Tunnel Considering Seepage

基于双剪统一强度理论,推导圆形海底隧道围岩在流固耦合作用下的应力场、位移场、塑性区半径、围岩特性曲线方程的解析解.通过计算表明:由于海底隧道通常位于高水压富水区,很高的孔隙水压力和渗水压力会降低隧道围岩的有效应力,使地层的成拱作用和稳定性降低;中间主应力对海底隧道围岩的应力场、位移场、塑性区半径都有一定的影响,考虑中间主应力效应有利于充分发挥围岩的自身强度;在海底隧道的围岩稳定性分析和衬砌结构设计中,合理地考虑渗流作用以及围岩材料的中间主应力效应是必要的,选用符合岩体自身实际的强度准则是正确进行岩石工程力学分析的基础.通过选用不同的中间主应力效应系数和不同的有效孔隙水压力系数,可以使本研究结果适用于各种工程实际情况,并对海底隧道围岩稳定性的判别、支护结构的设计以及预注浆范围的确定具有一定的工程实用意义.     

基于厚度检测的运营隧道二次衬砌安全评价研究

二次衬砌作为隧道复合式衬砌结构的重要组成部分和最后一道防水防线,其安全评价历来备受关注,而二次衬砌的厚度通常是评价运营隧道安全的重要指标。以运营中的代古寺隧道为工程依托,开展了二次衬砌外观质量及厚度现场检测;采用MIDAS有限元软件对衬砌厚度不合格段进行变形及受力分析,基于数值计算结果校核了二次衬砌的安全性状;针对不同等级的围岩,分析了二次衬砌厚度与其安全性的关系,并给出了相应的最小安全厚度。研究结果表明:二次衬砌最不利位置位于边墙和拱脚附近,衬砌厚度不足会使结构的轴力与弯矩减小,导致隧道结构的安全系数降低;对于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩,二次衬砌最小安全厚度建议值分别为31cm、36cm和41cm。     

局部破碎带下海底岩体隧道稳定性分析

以局部破碎带的某海底岩体隧道为例,采用有限元极限分析法分析了海底隧道岩体注浆加固前后的稳定性.计算表明,对于整体较为安全的隧道,当存在局部破碎带时,安全度降低,破碎带越宽,注浆堵水圈厚度越小,安全系数越小.与完整围岩破裂面位于两侧相比,含倾角45°破碎带围岩的堵水部分最先失稳.因此,必须做好破碎带的超前注浆堵水,以减少其渗水量,并对破碎带进行局部加固,此种情况下,隧道衬砌原则上可按无水压设计,衬砌厚度与采用全水头设计相比可以大大降低.     

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。     

高水压公路隧道的结构受力特征及对围岩稳定性的影响

以四川省某公路的高水压隧道为对象,采用有限元软件ANSYS11.0,对其结构的受力特征和围岩的稳定性进行了研究。结果表明,水压力对隧道所受的轴力、弯矩、剪力影响最大,受水压力的影响,轴力增加69%以上、弯矩增加97%以上、剪力增加203%以上。在水压力作用系数相同时,在衬砌背后排水系统排出的地下水时,衬砌内力、塑性应变、隧道位移最大值要大于从衬砌渗出的数值,但增幅很小。无论是蛋形断面还是圆形断面,隧道轴力、位移矢量、竖向位移的最大值均有一定程度的减小,两种断面的减小幅度非常相近,圆形断面对隧道结构受力与围岩稳定性要比蛋形断面好。水压力分布不均匀的衬砌内力、塑性应变、隧道位移最大值比分布均匀的要大,其中弯矩、塑性应变最大值增加非常明显,分别增加了100%、443%,水压力分布不均匀对隧道结构受力、围岩稳定性影响较大。