地震作用下隧道衬砌背后空洞影响机制研究

研究目的:由于隧道衬砌背后空洞的存在对隧道抗震影响很大,本文以高烈度地震区的敦煌-格尔木铁路阔克萨隧道为研究背景,研究隧道衬砌背后空洞位置、空洞大小、围岩级别和隧道埋深等因素对隧道结构的地震动力响应规律及影响机制,并提出合理的加固方案,确保地震作用下隧道运营安全。研究结论:(1)空洞的存在降低了衬砌结构的变形性能和抗震特性;(2)对空洞隧道拱顶最大主应力影响最敏感的因素是围岩级别,其后依次为空洞环向大小、空洞位置、空洞径向大小和空洞轴向大小,而隧道埋深则是最不敏感的因素;(3)回填注浆加固方案可降低隧道衬砌的拉应力,改善衬砌的内力和应力分布,回填注浆+套拱加固方案要比回填注浆+锚杆方案作用效果好,回填注浆+锚杆+套拱组合加固方案抗震效果最佳;(4)本研究成果对隧道衬砌背后存在空洞时在地震作用下的空洞影响机制和加固方案选取具有一定的指导意义。     

小净距隧道开挖爆破振动数值模拟研究

小净距隧道采用钻爆法施工过程中,爆破产生的地震波会对先行隧道衬砌结构产生一定的影响,甚至会危及其安全。以珠海眼浪山2号隧道为工程背景,采用FLAC3D有限差分软件,分析在不同围岩级别、不同埋深及不同隧道间距下,先行洞支护结构监测点振速的变化情况,得到了以下几点结论:(1)无论哪种工况,监测点振速随着离爆破点距离的增加而减小;(2)在相同埋深和隧道间距工况下,围岩越差,监测点振速越大;在相同埋深和围岩级别工况下,隧道间距越大,监测点振速越小;在相同围岩级别和隧道间距工况下,隧道埋深越大,监测点振速越小。     

大埋深对明挖地铁车站出入口结构影响分析

以武汉地铁12号线某明挖车站的出入口结构为背景,计算分析出入口结构顶板底埋深5m、9m和18m 3种条件下不同结构截面时的结构受力,分析大埋深对出入口结构的影响。结果表明,与一般埋深下的出入口结构不同,当结构埋深较大时,结构自重对受力影响相对较小,增加截面尺寸能够显著降低结构受力;在作对比分析时,引入正则弯矩概念,对不同埋深时结构正则弯矩与结构截面的关系进行计算分析,进而对大埋深出入口结构截面进行优化。     

不同埋深下近距交叠隧道施工地表变形研究

为研究不同埋深下近距交叠隧道施工引起的地表变形交互影响效应,以青岛地铁2号线枣山-李村站与3号线万年泉-李村站相互交叠区间隧道为工程原型。通过FLAC3D动态模拟和分析不同埋深下地表变形规律可知:不同埋深下地表变形趋势不同,埋深越大,受下穿施工影响越小,纵向变形逐渐由双峰沉降曲面向单峰沉降过渡;不同埋深下变形区域不同,埋深越大,变形区域逐渐由交叠隧道沿线向交叠区域中心发展;当埋深超过30 m时,下穿施工对地表影响较小;同时,提出不同埋深下地表沉降变形趋势经验公式。并结合工程应用验证上述分析的可靠性及适用性。     

含空洞地层隧道动力响应解析解

为探究地震荷载作用下地层空洞对隧道地震动力响应影响规律,建立含空洞地层隧道理论计算模型。以工程波动理论为基础,采用波函数展开法和Fourier-Bessel级数变换,给出平面SV波入射下含空洞地层隧道动力响应的位移解析解。采用MIDAS/GTS有限元软件建立三维数值模型,通过对比分析解析解与数值解计算结果,验证该解析解的合理性,且具有较高的精度。应用该解析解计算方法,依据正交试验设计理论,考虑隧道埋深、空洞与隧道中心距、空洞半径和地震波入射角共4种影响因素,采用极差分析和方差分析方法,得到各因素对隧道位移影响的敏感性。研究结果表明：相同工况下解析解以及数值解得到的位移时程曲线变化规律基本相似,解析解位移幅值峰值与数值解位移幅值峰值相差9%左右;地震波入射角对隧道竖向位移起控制作用,为显著性影响因素;增加隧道埋深和减小空洞与隧道中心之间距离会导致隧道拱顶位移值增大;在动力荷载作用下,当空洞直径达到0.3倍的隧道跨度时,空洞能够对隧道起到减震消能作用。     

围岩空洞对重载铁路隧道动力稳定性的影响

以浩吉铁路万荣隧道为研究对象,基于围岩拱部空洞的各类参数(长度、高度、分布范围),对隧道动力响应特性、隧道衬砌应力等进行研究。在分析列车动力荷载的施加机理与施加方法的基础上,建立车辆-轨道-隧道动力有限元模型,计算在列车荷载的作用下,不同的空洞参数对隧道位移、加速度、衬砌主应力等方面的影响。研究表明,空洞加剧了隧道各部位的振动响应,其中拱顶的动力响应变化最大,空洞高度从0增大到20 cm时,拱顶的位移峰值增大了近3倍,而仰拱部位位移最小;空洞也改变了衬砌混凝土的受力状态(由受压变为受拉),这对于混凝土材料极为不利;随着空洞范围的不断增大,动力荷载对拱顶的影响加剧,拱顶的加速度峰值由无空洞状态的1.62 m/s^-2增加到3.49 m/s^-2,此时结构已处于不稳定状态。     

砂层隧道开挖面失稳对侧邻既有框架结构的影响

通过设计小尺寸模型试验，探究在不同埋深、不同施工方法下砂层中新建隧道开挖面失稳对侧邻既有框架结构的影响。结果表明：隧道开挖面发生失稳时，在开挖面前方地层中产生的松动区先呈半个心形，然后沿竖向和横向扩展，逐渐呈上宽下窄的喇叭形，此时地表产生沉降；不同埋深、不同施工方法下开挖面前方土压力均先迅速减小，然后小幅上下波动，最后趋于稳定；隧道埋深和施工方法对地表最大沉降影响很大，地表沉降随隧道埋深增加而减少，采用中隔壁法施工时地表沉降仅为全断面法的17.7%；隧道开挖面失稳会导致既有框架结构产生纵向弯矩，随隧道埋深增加，结构中更多位置出现纵向弯矩；既有结构内力随失稳程度增加而增大，靠隧道侧既有框架结构受影响更大。     

北京地铁暗挖车站施工对管线的影响分析

地铁开挖对近邻管线的影响已成为地铁工程中的重点问题。通过隧道支护结构-土体三维有限元分析模型及施工监控量测相结合,对北京地铁黄庄站10号线地铁施工对管线的影响进行分析,根据管线的性质、埋深、管线与隧道的位置不同,考虑施工中可能会出现的风险,对管线分区段进行地表沉降控制,并结合有关管线安全性的评价标准对地下管线的安全性进行分析和预测。结果表明,开挖完成后的最大地表沉降预测值为94.7mm,未超过管线安全性要求,但由于黄庄站地层存在着比较多的空洞,地层富水和管线下漏水,因此为保证管线的正常使用,对管线及地层提出具体的加固措施。     

交通荷载下地下综合管廊力学特性和变形研究

依托雄安容西片区综合管廊项目,根据现场实测数据,研究了机动车移动荷载在地基中的传递规律。通过有限元软件建立了机车移动荷载-土体-管廊的数值模型,研究了管廊跨度、埋深、地质条件、断面舱数以及行车荷载等因素对综合管廊的受力特性和变形的影响。结果表明：综合管廊横向和竖向的拱顶振动速度峰值大于侧墙位置处;增大跨度和管廊舱数均会导致综合管廊拱顶的竖向振动速度峰值和变化幅度增大;单舱管廊下侧墙应力主要为压应力,三舱管廊侧墙则主要受到拉应力;管廊埋深越大,行车荷载对管廊的影响越小;增大埋深将导致管廊拱顶和侧墙的主应力增加;改变车速不会对管廊拱顶压应力变化趋势和峰值产生过大的影响,但会改变峰值出现时刻。     

承台-桩-土作用下铁路桥梁桩基础地震反应

研究目的:低桩承台桩基础是铁路桥梁广泛采用的基础形式,考虑承台-桩-土相互作用效应,对其进行精细化地震反应分析意义重大。以32 m铁路简支梁桥为研究对象,建立考虑承台-桩-土相互作用效应的单墩抗震计算模型,采用反应谱法研究承台侧向土埋深及桩侧土m值取值对桥梁动力特性及桩基础地震反应的影响规律。研究结论:(1)承台侧向土埋深对桩顶位移及桩顶剪力影响显著,增加埋深,能有效降低桩顶剪切破坏震害的发生;(2)承台侧向土埋深对桩身弯矩的大小及分布规律影响显著,随着埋深减小,横向激励下桩身弯矩最值可能同时出现在两个部位,而纵向激励下桩身弯矩最值仅出现在某一个部位;(3)同一种土层,m值取值不同,对桩顶位移及桩顶弯矩影响显著;(4)本研究成果可应用于铁路桥梁桩基础的抗震设计。