考虑基础刚度的新型高填方双层衬砌式明洞的动态力学特性

为解决高填方明洞整体式衬砌过厚导致的水化热裂缝问题,在渝利铁路重庆丰都高填方明洞工程中首次采用双层衬砌设计,通过现场实测及数值模拟2种方法分析该新型结构的动态力学特性。结果表明:在回填土达到明洞顶部前,即仅有侧向荷载时,明洞结构的内力增量很小,在回填高度超过明洞顶部后,明洞的内力则随回填高度的增加而线性增长;双层衬砌明洞的外衬和内衬的轴力之比接近二者的厚度之比,而二者的弯矩之比则无类似规律,二者的相互作用方式与组合梁类似;采用混凝土坝基础时一定程度上增大明洞的荷载,其上明洞的轴力和弯矩分别为软岩基础上明洞的1.2~1.6倍和1.6~2.4倍;明洞拉应力集中现象主要出现在边墙位置。建议对混凝土坝基础上的明洞采取减载和优化边墙结构措施。     

海底盾构隧道双层衬砌 柔性垫层研究

针对大连地铁5号线工程梭鱼湾南站单洞双线盾构区间隧道施工建设问题,探讨岩溶发育区海底隧地铁盾构隧道支护技术。考虑岩溶发育地区工程地质情况复杂及在特殊工况,如地震作用下,结构发生附加变形时的隧道安全,提出使用盾构隧道双层衬砌结构及柔性柔性垫层,通过理论分析、数值计算等方法,分析一定强制位移条件下,不同厚度及密度的柔性垫层对盾构隧道双层衬砌结构内力分布的影响。研究结果表明：随着材料密度的增加,隧道外衬所受最大弯矩先减少后增加,而内衬所受最大弯矩先增大后减小。相同密度情况下,随着材料厚度的增加,外衬最大弯矩逐渐增大,内衬最大弯矩逐渐减小。当柔性垫层材料性能适中能提供充分的协调变形空间时,隧道内外衬砌能合理分配结构附加变形产生的内力,从而大幅提高隧道支护的安全性能。     

铁路盾构隧道双层衬砌结构耐火性能的数值模拟分析

以某铁路盾构隧道为背景,选用RABT和RWS共2种火源曲线,通过数值模拟方法,分析在不均匀温度场作用下,铁路盾构隧道管片及二衬的应力和变形、管片混凝土的劣化深度、裂缝的产生及发展,并与单层管片衬砌结构进行对比,研究铁路盾构隧道双层衬砌结构的耐火性能。结果表明:在2种火源曲线下,无论是否使用防火涂料,铁路盾构隧道单层衬砌结构都无法达到耐火设计标准,而双层衬砌管片的温度远低于250℃的耐火极限;与单层衬砌相比,施作二衬后,管片温度与应力的变化幅度受火源曲线的影响减小,管片的最大主拉应力和主压应力均减小,衬砌结构的整体刚度增加、整体变形减小;衬砌的劣化深度对隧道半径和埋深不敏感,劣化深度为125~150mm;双层衬砌盾构隧道的防火效果较好,但建议二衬的混凝土设计标号不小于C30,设计厚度不小于150mm。     

二衬厚度对盾构隧道双层衬砌纵向力学性能的影响

盾构隧道作为一种复杂的三维线性地下结构,容易受围岩特性不均等因素影响产生不均匀变形,引发结构局部破坏等病害。为研究双层衬砌盾构隧道在运营过程中的纵向力学行为,结合武汉地铁8号线越江隧道工程,建立纵向三维壳-弹簧力学分析模型,结合工程实际探讨二次衬砌厚度对盾构隧道双层衬砌力学性能的影响,以期获取合理的二次衬砌厚度取值。研究结果表明:(1)盾构隧道双层衬砌结构的纵向等效弯曲刚度随二次衬砌厚度增加呈线性增加;(2)施作二次衬砌可降低隧道纵向不均匀沉降量及管片间的错台量,二者随二次衬砌厚度增加而减小,但幅度不大;(3)在隧道纵向出现极端不均匀变形条件下,施作二次衬砌会导致位移突变点附近部位的管片局部内力及环缝张开量增大;(4)综合分析盾构隧道管片衬砌变形及受力,同时考虑工程造价和二衬是否设置配筋等因素,对于直径12 m级盾构隧道,其二次衬砌厚度建议取20~35 cm。     

内衬施作时机对双层衬砌 盾构隧道内力的影响

双层衬砌是盾构隧道一种相对较新的结构形式,其被用来以期解决单层衬砌隧道在防水和受力等方面上的一些问题。但由于其结构相对更为复杂,目前工程界并无统一的设计理论和方法。本文以大连湾5号线火车站站到梭鱼湾南站跨海段隧道工程为背景,采用midas有限元分析软件对本双层衬砌隧道进行了2维荷载结构法有限元分析,研究内衬不同施作时机对于内外衬砌内力的影响。同时考虑到跨海隧道特殊的工程地质条件,还对卸载过程对于内衬的影响做了分析。结果显示,如果隧道承受的外荷载在不断增加的过程中,内外衬体现为协同受力,施作越晚,内衬承载越小。另一方面,若在施作内衬后外部荷载发生了卸载,会使得内衬产生拉应力,尤其是周期性的加载和卸载会使得内衬首先压应力和拉应力循环,这会对防水产生不利的影响。综上,内衬的施作时机对于两者之间的荷载分担有着巨大的影响,且内衬施作后如果卸载会对结构有较大不利影响,因此内外衬之间相互作用不宜过强,本文依托项目也改变了原有设计构想改为考虑采用柔性垫层的结构形式,未来相关设计与研究可就此问题予以必要的关注。     

EPS板减载对宽坦式高填黄土明洞衬砌结构内力和厚度的影响分析

为改善宽坦式高填黄土明洞衬砌结构内力,减少衬砌厚度,采用数值模拟方法,研究有无EPS板减载时高填黄土明洞不同位置处衬砌结构内力和厚度随回填土高度的变化规律。结果表明:无EPS板减载时,明洞衬砌结构内力随回填土高度的增加呈线性增长,拱顶至拱肩衬砌厚度呈非线性增长,其余位置呈线性增长;有EPS板减载时,明洞衬砌结构内力和厚度随回填土高度变化规律均与荷载作用下EPS板的应力—应变曲线有关,当EPS板处于塑性阶段时,内力与厚度变化率最大,减载效果最佳,当EPS板进入硬化阶段后,减载效果开始逐渐减弱;明洞的宽高比越大,衬砌结构内力和厚度越大,内力减载量也越大,减载效果越明显。建议针对不同回填土高度、宽高比的宽坦式高填黄土明洞,进行EPS板密度和厚度的优化设计。     

长大明挖隧道回填土堆载预压研究

堆载预压是处理软弱地基的一种有效方法,可以加快软弱地基的固结沉降。为了研究在明洞回填土地段采用堆载预压加快固结沉降的可行性,以京张高铁东花园隧道为工程背景,通过有限元软件对结构覆土进行验算,得出不同衬砌类型明洞所能承受的最大覆土厚度,利用改进高木俊介法对明洞回填土堆载预压进行计算,得出不同堆载高度下回填土的固结度。研究结果表明:(1)在堆载条件下,回填土的固结度随着覆土厚度的增大而呈幂函数形式减小,且固结度受堆载高度的影响不大。(2)在相同的覆土条件下,堆载高度对保留土高度影响较小;(3)堆载预压可以加快明洞回填土的固结沉降,是一个比较可行的方案。     

高地应力板状软岩隧道大变形控制试验研究

研究目的:针对板状高地应力软岩隧道开挖的大变形问题,采用单层初期支护+双层二衬的结构形式进行支护,并进行现场试验,对初期支护、钢拱架以及两层二衬的变形与受力进行了测量,分析该支护结构在控制高地应力软岩隧道大变形方面的效果及该方案的可行性是本文的主要研究目的。研究结论:(1)传统的初期支护方式在控制高地应力软岩隧道的大变形方面效果不佳;(2)板状岩层的走向和岩层的倾角对高地应力软岩隧道开挖后的变形及受力会产生影响,一般来说,在垂直于板状软岩岩层(倾斜线)方向上的挤压力最大;(3)采用双层二衬结构,使初支与围岩一起产生变形而消除围岩的部分压力,第一层二衬起到强而稳定的支护作用并承担绝大部分的围岩压力,使第二层二衬受力很小而起到装饰作用,因此从高地应力软岩长期流变性的角度考虑,双层二衬结构对高地应力软岩隧道建成后的长期稳定性和安全运营具有很好的保障作用;(4)本研究成果可为类似工程的施工提供参考依据。     

高速公路隧道衬砌结构病害整治技术研究

以麂子岗隧道为研究对象,创新性地将左线和右线衬砌结构病害进行对比分析,基于自然地质条件及病害成因机理提出较为完备的整治措施,采用数值模拟方法对整治效果进行验证,结果如下:(1)对比统计分析左线、右线衬砌结构病害,得到在横断面不同位置及纵向里程上病害的分布规律及差异;(2)在横断面位置上,拱顶和拱腰处衬砌裂损及厚度不足病害最严重;在纵向里程上,左线、右线在ZK1963+600~ZK1964+180段多种衬砌结构病害均大量集中分布,建议加强对该区段的地质监测、衬砌结构健康状况检测及病害整治工作;(3)运用数值分析软件对套衬加固及钢带加固前后衬砌结构的受力进行模拟,得到衬砌厚度不足病害整治前后衬砌结构的安全系数及变化,对衬砌结构的安全性进行检验,证明相应整治措施有效。     

高填方双层衬砌式明洞土压力和结构内力特性研究

采用现场测试和数值分析方法对高填方双层衬砌明洞的土压力和结构内力进行研究,分析明洞上方和两侧土体的沉降差分布,结果表明:明洞垂直土压力系数在回填过程中先增大再减小最后趋于稳定,明洞上方与两侧土体沉降差使其土压力值高于土体自重;在相同的填方高度下,基础刚度对明洞荷载有较大影响,混凝土大坝基础明洞的土压力系数可达基岩基础明洞的1.5倍以上,内外侧土柱沉降差前者达到后者的6倍。在回填土达到拱顶前,衬砌结构内力变化缓慢,回填土达到拱顶后结构内力线性增大,且混凝土大坝基础明洞轴力值达到基岩基础明洞的1.2～1.6倍,弯矩值则为1.6～2.4倍;此外,外层和内层衬砌的轴力比与二者的厚度比基本一致,轴力分配与组合梁类似。     

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。     

隧道二衬结构安全性评估及改进方案

为解决较长段深埋隧道二衬钢筋缺失情况下结构安全性问题,基于破损阶段法理论,运用ANSYS有限元软件建模分析隧道二衬结构受力情况,综合分析隧道埋深、围岩级别、围岩水平竖直荷载、初支二衬荷载分担比,并引入结构抗拉抗压安全系数来评定二衬结构安全状况,计算出隧道断面各点处弯矩值、轴力值,进而得出钢筋缺失段安全系数.以石家庄地区...     

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.     

圆形隧道快速衬砌施工技术探讨

以色尔古电站引水隧洞衬砌施工为例,阐述了圆形隧道中几种不同衬砌方法,并对其优缺点进行比较,并着重介绍了在特殊地质情况下,为保证隧道结构安全稳定和高强度工期进度要求,采用了目前圆形隧道衬砌在国内非常少见单工作面针梁+(边顶拱+底拱)相对砌施工和单工作面双针梁台车平行衬砌施工方法,使衬砌进度成倍提高,而且保证了隧道的稳定和安全,对今后类似的工程具有指导意义。     

山区软岩大跨大断面四线铁路车站隧道二衬施工技术研究

对大跨大断面隧道,特别是在浅埋且围岩地质条件较差的情况下,为保证隧道衬砌施工过程中的安全,尽可能采用整体衬砌。以位于贵昆线六盘水至沾益段增建二线工程上的乌蒙山二号隧道出口四线车站隧道为例,结合现场实际施工,对山区软岩大跨大断面四线隧道整体二次衬砌进行了研究,所得成果可为今后类似工程提供参考。     

基于有限单元法的隧道抗水压衬砌结构设计

研究目的：客运专线铁路隧道结构设计中往往会碰到水荷载作用计算难题，考虑抗水压衬砌结构设计仍然是隧道设计与研究热点之一。为检验隧道衬砌结构设计的安全性及防水性，有必要对抗水压衬砌设计结构进行内力计算。研究方法：针对金沙洲隧道特定地质条件和工程设计要求，采用基于有限单元法的荷载结构模型，对按围岩类别设计的3种隧道断面衬砌结构受力进行数值模拟。研究结果：研究得到了衬砌外水压力以及结构内力及分布特征，并验算了衬砌结构的安全系数。通过对计算结果分析验证，选出了各自围岩级别下合适的衬砌结构。研究结论：在全断面封闭排水的衬砌结构设计中，应着重考虑发挥混凝土的抗压性能；在富水区地下水头较大时。采用帷幕注浆法改善堵水圈的渗透系数，可有效降低衬砌的外水压力；选择仰拱外轮廓隅角半径、仰拱与曲边墙的连接处的半径以及仰拱厚度作为控制变量，可以改善衬砌结构受力特征。     

在役隧道结构多失效模式时变可靠性研究

隧道衬砌结构服役寿命期内的可靠性研究对隧道安全管理具有重要意义。对于混凝土衬砌而言,在服役过程中受到多种时变因素的共同作用,结构存在多种失效模式。为此,提出基于抗力衰减控制、最大裂缝宽度控制和混凝土碳化深度控制的多失效模式的服役隧道衬砌结构时变可靠度分析方法,采用概率故障树模型构建衬砌多失效模式系统可靠度分析模型,利用JC法计算结构的可靠度指标和失效概率,分析衬砌结构可靠度服役期内的变化规律和不同失效模式对可靠性的影响。将该方法进一步应用于某一病害隧道的可靠度分析中,结果表明:随着服役时间的不断增长,结构的可靠度指标不断降低,且多失效模式下的结构失效概率高于单一失效模式。拱顶处相比于其他位置失效概率较高,抗力衰减失效模式对结构可靠性影响最大。模型可以较为合理地反映结构的可靠度水平及变化规律,为衬砌结构可靠性评价提供一种科学合理的参考方法。