铁路隧道衬砌结构分项系数的优化分析研究

研究目的:采用带有分项系数的实用设计表达式,不仅能继承传统结构设计式的形式,而且能体现结构设计对目标可靠指标的要求,是应用可靠指标衡量结构设计安全水平的重要途径。本文根据铁路隧道衬砌结构的受力特点和材料性能,采用混凝土衬砌结构抗压、混凝土衬砌结构抗裂和钢筋混凝土衬砌结构三种极限状态设计式建立"荷载-结构"模型。研究结论:利用Monte-Carlo随机有限元的方法分析铁路隧道衬砌结构作用效应的统计特征,根据材料特性分析抗力的概率统计特征以及计算可靠指标与目标可靠指标差值最小化的原则,分析得到:(1)铁路隧道衬砌结构检算时,围岩压力分项系数为1.4,自重荷载分项系数为1.2;(2)钢筋混凝土、混凝土抗压、混凝土抗裂三种工况下的调整系数分别为1.05、1.85、2.35;(3)该研究结果可为《铁路隧道设计规范》的修订提供理论依据。     

铁路隧道钢筋混凝土衬砌结构可靠度分析

研究目的:针对现行《铁路隧道设计规范》中钢筋混凝土构件极限状态方程存在的不足,本文细分钢筋混凝土衬砌中钢筋的各种受力状态,并寻求更精确适用的功能函数及可靠度计算方法,为按可靠度理论修订《铁路隧道设计规范》提供参考。研究结论:(1)基于荷载-结构法模型,通过调研分析得出钢筋受力状态判断的界定方程,建立了适用于隧道钢筋混凝土衬砌结构的大、小偏心受压构件的功能函数及极限状态方程;(2)根据钢筋混凝土衬砌功能函数,应用JC法基本原理,通过分析推导提出一套钢筋混凝土衬砌结构可靠度分析方法,并在铁路隧道标准图衬砌可靠指标计算中得到成功验证;(3)本文提出的钢筋混凝土衬砌的功能函数及可靠度分析方法可直接指导铁路隧道钢筋混凝土衬砌设计。     

客货共线铁路弹性支承块式无砟轨道结构极限状态设计法研究

为研究客货共线弹性支承块式无砟轨道极限状态设计方法,系统分析计算模型和加载方式,开展随机变量概率模型及统计参数研究,提出弹性支承块式无砟轨道极限状态设计分项系数,并进行道床板极限状态法配筋设计。结果表明：(1)对于距洞口小于200 m地段隧道内弹性支承块式无砟轨道道床板,建议承载能力极限状态下,列车荷载和温度梯度作用分项系数分别取1.2、0.5,正常使用极限状态下分别取0.7、0.5;(2)采用极限状态法对道床板进行配筋计算,距离洞口小于200 m地段道床板纵向配筋结果与容许应力法计算配筋一致,横向上表面和下表面配筋分别减少2根和6根。     

复杂地质大直径盾构隧道列车振动响应分析

对于高速铁路大直径盾构隧道,研究并讨论列车振动荷载对隧道结构安全性具有重大意义。以佛莞城际铁路狮子洋隧道工程为背景,基于ANSYS有限元方法,采用列车-轨道系统确定列车荷载后,计算不同工况下高速列车振动荷载对软硬不均地层大直径盾构隧道结构的影响,选取不同计算模型对比分析往复荷载作用下隧道地基累积变形的特征。计算表明:(1)双线同时有列车荷载作用时,产生的动力响应更为显著,且与两车间隔的时间有关,当间隔时间为振动周期的倍数时,振动效应最大;(2)较之主应力,列车振动对隧道位移和加速度的影响更加明显;(3)双线列车振动发生时间的偏差会引起响应的振动时程曲线产生约等于Δt的偏移现象,且振动幅值也会偏移,结构的动力响应与地层的动力响应(位移、加速度和主应力)存在相似的变化规律;(4)随着列车运行时间的累加,隧道基底土的累积塑性变形逐渐增大,但随着时间推移后期的增长速率明显减慢;(5)针对佛莞城际铁路狮子洋隧道,近东莞侧隧道基底以砂土为主,建议采用Anand J.Puppala模型进行累积塑性沉降计算;近广州侧隧道基底以淤泥为主,建议采用DingQing Li模型进行累积塑性沉降计算。     

复合式衬砌隧道的总安全系数设计方法探讨

研究目的:铁路、公路等交通隧道常采用复合式衬砌,其中初期支护一般采用地层-结构法或工程类比法进行设计,二次衬砌采用荷载-结构法进行设计,由于二者采用的分析方法不同,难以统一评价整体结构的安全性。现有隧道设计规范仅提出了二次衬砌的安全系数要求,但复合式衬砌并非单一结构,有必要研究初期支护和二次衬砌的总安全系数。同时为建立总安全系数设计法,有必要研究初期支护的荷载-结构模型。研究结论:(1)对于采用喷锚支护的复合式衬砌隧道结构,围岩压力随埋深的增加而增加,隧道支护参数应根据埋深进行相应调整;(2)采用荷载-结构模型可以建立复合式衬砌初期支护和二次衬砌的统一设计方法;(3)复合式衬砌隧道的总安全系数应包含初期支护和二次衬砌各自的贡献,当二次衬砌为钢筋混凝土时,总安全系数建议不低于3.0,否则不低于3.6;(4)不同设计方法所建议的初期支护和二次衬砌的安全系数分配可按表2采用;(5)采用本文设计方法对现有高速铁路隧道结构安全性进行再分析,结果表明,在埋深为300 m左右时,Ⅲ、Ⅳ级围岩支护参数有进一步优化的空间;(6)本研究结果可为复合式衬砌隧道结构设计提供思路和方法。     

铁路隧道洞门体系极限状态及可靠度研究

研究目的:铁路隧道洞门结构体系受力极为复杂,本文从结构可靠度理论出发,建立一套系统完善的铁路隧道洞门极限状态研究方法,为铁路隧道洞门的设计和规范转轨提供参考。研究结论:(1)铁路隧道洞门结构体系可靠度是串联系统,可通过失效概率或可靠指标进行度量,采用近似方法计算铁路隧道洞门结构的可靠度是一种有效而实用的途径;(2)提出铁路隧道洞门体系可靠度分析和计算方法,实现了铁路隧道洞门的可靠度分析计算,并通过实例进行了验证,通过对时速为140 km单线铁路隧道端墙式洞门的安全概率进行计算,其安全概率在99.22%以上,倾覆极限状态是隧道洞门结构失效主要控制模式;(3)本文提出的铁路隧道洞门极限状态设计方法,可直接指导铁路隧道洞门设计。     

基于可靠度理论的铁路隧道复合式衬砌结构设计软件研究及应用

《铁路隧道设计规范(极限状态法)》(Q/CR 9129—2018)使得概率极限状态法在铁路隧道结构设计领域得到迅速发展,但常规计算中引用的经验值“荷载分担比”对结果有很大影响,可建立初期支护与二次衬砌共同作用的复合式衬砌模型避免其影响。为了排除“荷载分担比”的模糊影响、实现独立进行复合衬砌结构设计,开发了铁路隧道复合式衬砌结构设计的专业软件CLAS,该软件支持对单层衬砌模型和复合衬砌模型进行3种设计方法计算,包括破损阶段法、极限状态法、可靠度分析。该软件由软件界面、前处理、截面检算、可靠度分析、后处理5部分组成。前处理支持导入AutoCAD文件完成几何建模;截面检算可采用破损阶段法和极限状态法,实现内力分析、安全性检算和配筋计算;可靠度分析提供JC法和蒙特卡罗法的计算;后处理提供结果数值导出与云图显示、计算报告生成功能。工程应用表明,CLAS功能全面、操作简单,精度满足工程要求;“荷载分担比”经验值对二次衬砌拱顶处的荷载有明显低估,复合衬砌模型能更有效地反映衬砌结构的受力情况。     

铁路隧道洞门目标可靠度及分项系数确定方法

研究目的:铁路隧道洞门受力复杂、断面变化大,洞门可靠度研究少。研究隧道洞门目标可靠度及分项系数计算方法可为铁路隧道洞门的可靠度设计提供参考。研究结论:(1)目标可靠指标由各极限状态中最小的可靠指标决定,目标可靠度分项系数基于目标可靠指标求得;(2)目标可靠指标计算中,不同计算方法计算结果有差异,通过对三种适用于铁路隧道洞门目标可靠指标计算方法进行分析比较和结合实例计算,认为分位值法相对比较简便实用,可用于隧道洞门目标可靠指标的计算;(3)明确了分位值法计算铁路隧道洞门目标可靠指标分项系数的详细计算过程,并通过实例计算验证了分位值法计算分项系数的可行性;(4)土压力分项系数对铁路隧道洞门各极限状态均有影响且最大,因此应加强隧道洞门土压力统计特征研究;(5)本文提出的铁路隧道洞门目标可靠度及分项系数确定方法,可直接用于铁道隧道洞门结构设计。     

铁路路基浅埋式桩板结构极限状态法荷载组合与配筋设计研究

我国铁路工程设计正从容许应力法向极限状态法转轨,2019年实施的《铁路路基设计规范(极限状态法)》缺少桩板结构极限状态法设计的荷载组合和配筋相关规定。桩板结构作为应用广泛的地基处理方式,有必要研究其极限状态法设计方法,为铁路路基设计全面转轨提供基础。通过系统研究浅埋式桩板结构极限状态法与容许应力法的荷载组合与配筋设计理论,采用有限元方法对瑞九铁路典型浅埋式桩板结构的荷载组合与配筋进行计算分析对比,主要结论为：(1)浅埋式桩板结构采用铁路桥涵极限状态法与铁路桥涵容许应力法荷载组合存在较好对应关系,设计方法转轨衔接流畅;(2)铁路桥涵极限状态法计算正截面承载力控制的板配筋量比铁路桥涵容许应力法计算配筋量多出约23%,安全余度存在较大差别;(3)浅埋式桩板结构采用建筑极限状态法设计存在组合值系数不明确、板抗剪安全余度低和裂缝控制配筋量低的问题,可靠度存疑,不建议采用。     

铁路隧道复合式衬砌极限状态设计研究

研究目的:随着我国隧道设计施工技术的不断发展,现行《铁路隧道设计规范》规定的极限状态设计法在实际应用中逐现不足,为更好地将可靠度理论应用于实践,本文以铁路隧道复合衬砌部颁通用图为研究对象,对铁路隧道复合式衬砌极限状态设计进行研究。研究结论:(1)建立了更具实用性的铁路隧道衬砌极限状态设计表达式,表达式中不直接含有基本变量的标准值、作用效应和抗力分项系数,但却体现了结构可靠性要求;(2)提出了新的分项系数优化原则与确定方法,并给出了相应的调整系数;(3)当结构自重分项系数取1.0、围岩压力分项系数取1.4时,各类型复合式衬砌的可靠指标与目标可靠指标取得良好的一致性;(4)该研究成果可直接指导铁路复合衬砌极限状态设计并为《铁路隧道设计规范》的修订提供依据。     

隧道型钢混凝土粘结滑移力学性能研究

隧道初期支护中型钢混凝土其粘结滑移性能对支护协同变形、整体承载能力具有重要影响。本文针对在型钢混凝土组合结构中是否添加钢纤维进行两组推出试验,分析试件破坏特征,并结合有限元软件进行数值模拟,得到粘结滑移曲线,分析试件的粘结滑移性能,并在此基础上分析钢纤维掺量对试件特征荷载的影响规律,通过计算得出特征粘结强度。结果表明：(1)试件破坏模式呈现纵向劈裂破坏;(2)试件混凝土裂缝形态主要有以45°方向向四角延伸和垂直于翼缘中部方向两种;(3)试件粘结滑移曲线大致可分为无滑移段、滑移段、下降段和残余段四个阶段;(4)钢纤维的掺入不能显著提高型钢混凝土推出结构极限荷载和极限强度值,但可以提高型钢混凝土推出结构的残余荷载和残余强度值;(5)数值模拟结果较为理想,误差较小。所得结论可对隧道初期支护结构破坏特征研究、隧道设计与施工工程措施制定提供参考依据。     

盾构隧道管片结构设计几个问题的探讨

由于国内盾构隧道结构现有计算方法考虑因素不全面、部分计算方法不合理,造成盾构管片配筋量偏大,对管片预制及工程造价都带来很大影响。为提高现有盾构隧道结构设计方法的准确性和可靠性以及优化管片配筋,通过大量的盾构隧道结构计算和工程经验,对多个设计问题进行分析,结果表明:深埋等复杂地质条件下长大盾构隧道结构计算需要考虑管片的环、纵向接头作用;极限状态法没有区分施工和运营工况受力特点等。通过研究提出以下解决方案:(1)采用改进管片接头单元的梁-弹簧模型,结合接头试验对抗弯刚度等取值进行优化;(2)考虑盾构隧道施工阶段为短暂设计工况,运营阶段为持久设计工况进行安全校核;(3)提出纤维梁单元模型,对管片配筋进行校核;(4)提出多种管片配筋优化设计方法,减少钢筋用量。     

基于极限状态法的桩板式挡土墙设计研究

研究目的:桩板式挡土墙是常用的支挡结构,桩板式挡土墙极限状态设计的研究,是为了考察现行规范设计下,该结构的安全度并给出锚固段极限状态设计表达式。本文通过对桩板式挡土墙研究思路的总结和主要计算结果的分析,为桩板式挡土墙极限状态设计提供参考。研究结论:(1)桩板式挡土墙极限状态设计研究步骤:建立极限状态方程→计算可靠指标并确定目标可靠指标→计算分项系数及建立设计表达式;(2)路肩式桩板墙可靠指标分析表明,可靠指标满足或接近公众需求;(3)桩板墙可参照现行《铁路路基支挡结构设计规范》进行设计,但高边坡路堤和路堑墙应采用较大的荷载分项系数,同时设计中应注意采取减小边坡土压力的措施;(4)提出了路肩式桩板墙锚固段计算的设计表达式及分项系数建议取值;(5)该研究结论可供路肩式桩板墙设计参考。     

铁路隧道复合衬砌内力计算方法研究

研究目的:随着新奥法的普及,采用复合式衬砌的隧道越来越多,目前对其进行计算的方法主要分为荷载-结构法和地层-结构法。荷载-结构法通过弹簧支撑来模拟围岩对支护的约束,并不能真实的反映围岩与支护结构的相互作用;地层-结构法在围岩压力释放率的问题上存在一定的经验性。本文从复合式衬砌角度出发,以荷载作用于地层边界的模型对复合式衬砌的初支及二衬进行计算,并与传统荷载-结构法计算结果进行对比。研究结论:(1)通过对比荷载-结构法与地层-结构法的优缺点,提出了将荷载作用于地层边界的共同作用模型,即用均匀施加在四周的荷载代替围岩产生的压力,同时又用围岩自身的形变来抑制支护结构的位移,将围岩作为荷载的传递介质,充分体现了围岩和支护结构的共同作用和变形协调;(2)采用共同作用模型对铁路隧道复合衬砌的初期支护及二次衬砌进行了内力分析,并与荷载-结构法所得结果进行对比,结果说明共同作用模型更能符合新奥法的思想,在考虑围岩相互作用的同时大大减少了计算时间;(3)本研究成果为复合衬砌内力分析提供了一种新的方法。     

基于Burgers蠕变模型的圆形隧道内力分析方法对比研究

以高黎贡山TBM施工的特定段圆形隧道为工程对象,基于围岩蠕变的Burgers模型,提出了隧道衬砌内力计算的地层结构分析法和荷载结构分析法,对比研究两种分析方法的异同点和特点,得出以下结论:(1)地层结构分析法能模拟地层自重应力及其重分布、隧道开挖和支护效应,并能通过蠕变的非线性迭代获得隧道衬砌内力结果,在隧道开挖后围岩蠕变的整个过程中,模拟精度较高,但计算耗时稍长;(2)荷载结构分析法不能考虑地层自重应力以及隧道开挖支护效应,建模相对简单,计算耗时短,但计算前需准备等效节点荷载,对蠕变早期的模拟精度相对较差,对蠕变中后期的模拟结果与地层结构分析法较为一致;(3)综合考虑各种因素,建议围岩蠕变下的隧道衬砌内力分析优先选用地层结构分析法。     

铁路隧道概率极限状态设计分项系数标定与讨论

目前，我国结构设计规范中广泛采用以荷载和抗力分项系数代表概率可靠性的概率极限状态设计方法。然而，在Eurocode 7等岩土工程结构的设计规范及相关研究中，对荷载与抗力分项系数方法，即以一组固定分项系数来保证不同工况下工程结构可靠性提出质疑。基于多年来我国铁路隧道衬砌结构概率极限状态设计的研究成果与应用情况，进一步细化不同围岩分级、埋深和衬砌类型的分项系数标定，共标定28种工况下衬砌结构设计的分项系数；分别采用本文、《铁路隧道极限状态法设计暂行规范》和《铁路隧道设计规范》的衬砌结构可靠性与安全性评价指标，对京张高铁八达岭隧道8种工况下设计方案的安全性与可靠性进行对比分析，不同工况下的隧道衬砌结构设计可靠指标与安全系数差异较大，说明荷载与抗力分项系数方法在铁路隧道衬砌可靠性设计中的稳健性较差。建议在隧道设计规范层面应逐步开展基于概率可靠性地勘和计算两阶段的研究，并提出铁路隧道设计方法转轨的部分建议。     

铁路隧道衬砌极限状态法设计软件开发及应用

目前,铁路隧道设计方法已由安全系数法向极限状态法转轨,但缺乏隧道衬砌结构极限状态法设计专用软件,衬砌设计仍需采用多软件协同作业的传统方法完成,过程繁琐,效率较低.提出基于VB6.0开发的铁路隧道衬砌极限状态法设计软件的构建思路、软件功能、软件模块及操作流程,介绍软件在铁路隧道极限状态法转轨工作中的应用成果.该软件集建模...     

重力式挡土墙列车荷载侧压力计算

铁路目前主要采用库伦理论进行重力式挡土墙列车荷载侧压力计算。针对在极限状态设计法中采用库伦理论计算存在的问题,讨论库伦理论、朗肯理论、弹性理论三种方法按极限状态设计计算列车荷载侧压力的适用性,研究国内外规范中列车荷载侧压力的不同计算模型,对比30 t轴重C96列车荷载侧压力的理论计算、有限元模拟及现场实测结果,分析不同墙高库伦理论、弹性理论土压力计算结果的合理性,得出列车荷载侧压力合力作用于挡土墙中部不利于挡土墙抗倾覆稳定的结论,按现行规范荷载模型采用库伦理论不能充分反映这一不利后果,建议加大荷载分布宽度予以改进,推荐在极限状态设计法中采用弹性理论计算列车荷载侧压力。     

基于荷载结构法的隧道初期支护设计方法研究

研究目的:现有隧道初期支护的设计方法主要有工程类比法、地层结构法、特征曲线法等,这些方法在实际工程应用中均存在一定的局限性和困难,且没有提出明确的安全系数要求,导致设计的可靠性降低,不便于设计应用,因此有必要研究便于量化设计并具有明确安全系数的荷载结构法。研究结论:(1)本文所建立的初期支护荷载结构模型,可以得出初期支护的具体安全系数;(2)在锚杆长度满足模型三所需安全系数的前提下,喷锚组合支护的安全系数由喷层和锚杆各自的安全系数相加而成;(3)初期支护的最小安全系数取值需要根据计算模型的计算精度、初期支护的设计作用以及隧道工程的特点等因素综合确定,建议初期支护作为承载主体时为1.8～2.1,作为临时支护时为1.3～1.5;(4)现行时速350 km高速铁路双线隧道深埋Ⅲ、Ⅳ级围岩支护参数的安全性计算结果表明,当初期支护作为承载主体时,Ⅲ级围岩支护参数具有一定的优化余地,Ⅳ级围岩支护参数能适应400 m以内埋深;当初期支护仅作为临时承载结构时,Ⅳ级围岩支护参数能适应1 000 m以内埋深;(5)隧道埋深对围岩压力影响较大,建议按照不同埋深进行初期支护设计,以提高经济性;(6)本研究结果可为隧道初期支护设计提供思路和方法。     

铁路隧道衬砌目标可靠指标研究

研究目的:现行铁路隧道设计规范中概率极限状态法的适用范围局限于单线铁路隧道的整体式衬砌,而我国铁路隧道的现状是双线及大跨隧道越来越多,复合式衬砌已经广泛使用,因此现行规范中的概率极限状态法无法满足隧道工程设计需要。为拓展概率极限状态法在铁路隧道设计中的适用范围,便于开展国际交流,有必要开展铁路隧道概率极限状态设计方法研究,而结构目标可靠指标是应用概率极限状态的前提和基础。研究结论:研究表明:(1)现行铁路隧道复合式衬砌通用参考图可靠性水平较高,对于钢筋混凝土衬砌、素混凝土衬砌抗压及素混凝土衬砌抗裂三种极限状态下,其对应的可靠指标均值分别为4.27、13.71和7.48;(2)国内相近规范中在结构安全等级为二级的情况下,对于延性破坏状态其目标可靠指标变化范围为3.2~4.2,对于脆性破坏状态其目标可靠指标变化范围为3.7~4.7;(3)北欧国家的目标可靠指标不区分混凝土的延性破坏或脆性破坏,在结构安全等级为二级时,北欧国家规定设计目标可靠指标取4.26,而英国的CIRIA标准规定设计目标可靠指标取值3.71;(4)综合考虑参考图校准及国内外调研结果,提出我国铁路隧道衬砌承载能力极限状态目标可靠指标,对于延性破坏和脆性破坏两种情况:当安全等级为二级时,其对应的目标可靠指标分别为4.2和4.7,当安全等级为一级或三级时,对应的目标可靠指标分别提高或降低0.5;(5)本研究成果已经成功应用于《铁路隧道极限状态法暂行规范》。