地表大范围开挖卸载引起下卧盾构隧道管片碎裂机理研究

针对地表大范围开挖卸载引起下卧盾构隧道管片出现大量裂缝与碎裂掉块现象,以成都地铁某盾构隧道为例,从地层条件、土方开挖与施工顺序、管片拼装质量以及管片开裂掉块情况出发,运用有限元仿真方法,对地表大范围开挖卸载过程中下卧隧道的位移和内力的变化规律进行分析。结果表明:下卧盾构隧道的整体隆起变形呈现水平向直径变小、竖向直径增大的规律;隧道拱顶和拱底的弯矩减小、轴力基本不变,拱顶处局部区域由内侧受拉转变成外侧受拉,拱顶接缝由内侧张开转变为外侧张开、内侧挤压;隧道安全的威胁主要来自隧道拱顶处内侧挤压、隧道竖向椭圆度增加以及接缝两侧管片不平整接触(错台),而非结构内力变化。由此提出采用改性环氧树脂灌注、环氧砂浆填充和粘贴碳纤维对隧道管片的裂缝和破碎处进行修补的方案,修补后管片的承载能力完全满足地铁运营的要求。     

盾构隧道施工过程中管片内力的研究

在北京地铁5号线北新桥一雍和宫左线区间隧道试验段,选取3个不同地质情况的测试断面,进行盾构施工过程中管片内力研究.结果表明,在盾构施工过程中,从管片结构形成局部稳定状态到最终与地层之间形成平衡状态,管片的内力不断调整、变化;管片在尾板保护范围之内时,管片在左右45°方位和拱底处轴力较大;管片脱离尾板保护后,土体和填充浆液对管片产生作用,使管片内力迅速增加,增幅最大达30%～40%,此时是装配式管片单层衬砌安全的关键时刻之一;地质情况对管片轴力有较大影响,在粉土层中管片轴力大,在砂土和卵石地层中管片轴力较小;地质情况对管片弯矩的影响不明显;注浆效果对脱离尾板保护管片的内力有直接影响,提高注浆效果可使管片受力均匀,提高管片的耐久性.     

大断面水下盾构隧道管片接头抗弯刚度及其对管片内力影响研究

以大断面水下铁路盾构隧道-狮子洋隧道工程为研究对象,运用有限元数值分析方法,并结合管片接头原型抗弯试验,研究环向管片接头抗弯刚度,并运用梁-弹簧模型进行接头抗弯刚度对整环管片结构内力影响的研究.结果表明:该隧道管片接头抗弯刚度的取值范围为50～700MN·m·rad-1,在相同轴力条件下,接头抗弯刚度会随接头弯矩的增加降低1个数量级左右;在相同接头弯矩条件下,接头抗弯刚度随轴力的增加而增大;接头抗弯刚度对管片轴力分布的影响微弱,对管片弯矩的影响显著;随接头抗弯刚度的增大,整环管片的弯矩分布趋于均匀;在抗弯刚度取值范围内,极值弯矩相差最大达80％左右,极值轴力最大减小5％左右,变形最大减小20％左右;基于接头抗弯刚度-弯矩-轴力的非线性关系改进的梁-弹簧模型,更能体现接头对整环管片受力的影响,也更适用于大断面盾构隧道管片内力的计算.     

地层膨胀力对盾构管片结构受力影响分析

膨胀土具有显著的吸水膨胀和失水收缩、且胀缩变形往复可逆的特点,类似地层盾构隧道研究相对较少。针对成都地铁某盾构区间实例,根据盾构隧道埋深与盾构隧道外径关系进行分类,通过单一变化膨胀力,借助有限元软件采用壳单元建立荷载-结构模型计算各工况下管片的内力,对比分析管片内力和安全系数,研究膨胀力对盾构管片结构受力的影响。研究结果表明:随着隧道埋深的增加,地层膨胀力对管片结构受力表现为有利;可通过调整线路高程、增加盾构管片埋深、管片背后注浆等措施,降低地层膨胀力对管片结构受力的影响。     

大直径泥水盾构隧道管片结构力学特性研究

以扬州瘦西湖隧道为例,介绍了盾构隧道穿越地层的工程地质与水文地质条件、典型断面管片布置形式,以及管片结构受力监测方案。共设计了4个监测断面,对管片的力学特性进行监测。通过实测结果分析和数值模拟分析,得出的主要结论是:柔性土压力计和光栅传感器能够较好地应用于管片的现场监测工作,可以得到较为全面准确的隧道衬砌结构荷载和内力在施工期的分布;衬砌结构荷载总体随时间呈先减低后趋于平稳的规律,施工期的注浆作用会使衬砌结构荷载大于稳定后的结构荷载,同时注浆压力控制不当会导致结构荷载的分布不均匀(在设计时应重点关注);注浆阶段(同步注浆到注浆效应消散),衬砌结构内力处于波动状态,与各同步注浆孔压力分布不均有关,稳定后的结构轴力大致为注浆作用下最大值的60%~65%,注浆作用对结构轴力影响较大。     

基坑支护结构两侧有限土体作用数值模拟分析

本文应用数值模拟的方法,以北京市通州区某典型深基坑土层条件为基础,研究了支护结构两侧有限土体范围及坑中坑宽度对支护结构桩顶水平位移、桩身最大弯矩及桩身土压力分布的影响。计算结果表明:(1)在北京地区地层条件下,基坑外侧有限土体对支护结构的影响范围为1.5h,当基坑外侧有限土体范围为大于1.5h(h为基坑深度)时,基坑外侧土体对支护结构影响较小。(2)基坑内侧有限土体对支护结构的影响范围为1.5h,当基坑内侧有限土体范围为大于1.5h时,坑中坑施工对支护结构影响较小。(3)坑中坑宽度对支护结构的影响较小。研究成果对相关工程的设计和施工具有一定的借鉴意义。     

大直径双护盾TBM隧道管片厚度设计研究

以我国一高原地区大直径公路隧道为依托,运用ANSYS有限元软件计算分析合理的衬砌管片厚度。结果表明:弯曲刚度有效率、弯矩提高率的不同组合对管片结构轴力、剪力影响不大,弯矩随弯曲刚度有效率的降低而增加;不同计算模型对管片结构轴力的影响较小,修正惯用法计算模型所得的弯矩、剪力最大,实体单元-弹簧模型所得的弯矩、剪力最小;管片厚度的改变对于管片结构轴力影响较小,随着管片厚度的增加管片结构所受弯矩增大。综合有限元分析结果、类似工程经验以及本工程所处的特殊地质条件,确定管片结构厚度为0.35 m。     

TBM施工隧道仰拱预制块的受力分析

运用计算软件ANSYS,采用围岩—结构模式,对TBM施工隧道仰拱预制块进行模拟动态施工的受力计算研究。计算结果表明,围岩初始应力场对仰拱受力有明显影响,随着竖向压力的增大,仰拱中心的内、外侧应力均增大;随着水平压力的增大,仰拱中心内侧应力减小、外侧应力基本不变;减小复合衬砌结构中初期支护厚度以及变刚性接头为柔性接头均会改善仰拱受力。试验数据对受力计算结果的验证表明,计算所得仰拱内力分布及变化趋势与试验结果一致。     

南京地铁小净距隧道施工力学及工序优化研究

以在建“南京地铁”非对称小净距隧道为背景,深入研究施工全过程力学行为及工序优化,总结变形特性、力学响应及塑性区分布规律.得出主要结论:①先行洞(断面小)变形主要受自身施工控制,后行洞(断面大)关键控制步为右Ⅲ区开挖和临时支撑的拆除,CRD法能有效减少洞身变形,控制塑性区增长.②随着后行洞施工,先行洞支护内力不断演化,轴力和弯矩峰值逐渐向中岩墙侧移动,成为支护稳定关键控制部位.由于先行洞开挖,相当于中岩墙围岩部分约束解除,后行洞竖向临时支撑承受较大轴力.临时支护拆除,其轴力向环向支护转移,后行洞中岩墙侧支护轴力明显小于外侧支护轴力.③右洞(断面大)先行时,支护结构受力与左洞先行正好相反,并且安全系数最小值更小,支护最大压应力会增大.综合考虑轴力、弯矩、安全系数、压应力及塑性区,宜先施工左洞(断面小),利用施工偏压消除或减弱非对称小净距结构偏压作用.④隧道宜采用非对称设计,加强左洞中岩墙侧支护参数,而后行洞背离中岩墙侧支护需加强参数,与先行洞规律相反.     

不同地层和滑坡推力分布对微型桩受力影响分析

针对"八"字形顶板连接微型桩组合结构,采用有限元方法研究不同地层组合条件下微型桩组合支护体系加固分级开挖边坡的地震动力特性。研究结果表明:最不利情况下,静力开挖作用与地震作用微型桩组合结构的变形方式均呈现出整体向山体外侧弯曲的趋势,且地震作用下微型桩轴力值较大;滑床岩体性质越好,微型桩所受轴力越小;在滑坡推力作用下,微型桩轴力极值基本都出现在靠山体侧微型桩上,实际工程中可根据靠山体侧桩受力进行设计;对于具有同一地层组合结构的边坡,不同滑坡推力分布形式下微型桩轴力大小排序为:滑坡推力均匀分布梯形分布三角形分布。     

挤压性围岩单线铁路隧道受力变形分布规律研究及工程应用

挤压性围岩隧道大变形问题是近年来困扰隧道建设者的突出难题之一。以丽香铁路长坪隧道为工程依托,采用数值计算与现场测试相结合的方法,研究了挤压性围岩单线铁路隧道受力变形分布规律,并应用于工程实践。主要研究结论为:(1)单线隧道受洞室形状影响,变形以水平方向为主,围岩压力以垂直方向为主;(2)支护结构均以受压为主,拱腰和墙脚是易产生应力集中的薄弱环节,实测锚杆多受拉,墙中锚杆轴力远大于拱部及墙脚锚杆;(3)实测受力变形分布规律与计算结果基本一致;(4)工程实践中通过采取断面曲率优化、加长边墙系统锚杆、两台阶法开挖、高效锚杆钻机等措施,有效控制了围岩变形,隧道结构安全稳定。     

不等跨小净距隧道施工力学分析与应用

为研究不等跨小净距隧道施工时两隧道相互影响关系,基于大横琴山隧道,建立有限元模型,对各开挖步与不同围岩条件以及开挖顺序引起围岩位移、应力及支护结构轴力、弯矩变化进行分析,得到地表及特征线沉降位移、围岩主应力、支护结构特征点轴力及弯矩。结果表明:施工时大跨度断面隧道上部位移较大,同时其地表沉降极值位于隧道中间偏向大跨度隧道处;中夹岩柱在小跨度隧道侧的水平位移较大,因此在支护时,需要对小跨度隧道侧的中夹岩柱进行水平支护,以防止失稳;对比不同围岩条件变形受力特性,较弱围岩条件下施工时,需要进行不对称支护,同时先施工小跨度隧道较优。     

高速铁路采空区群桩受力机理数值模拟

对高速铁路采空区桥梁群桩基础的受力机理研究,目前还非常少见。以合肥至福州高速铁路官山底特大桥采空区群桩基础为原型,通过数值模拟获得群桩受力规律。研究表明:随着荷载增大,桩上部轴力变化明显,桩身轴力沿深度逐渐减小,在采空巷道内桩身轴力不变,所有桩均为端承摩擦桩;桩侧摩阻力沿桩身先增大后减小,整个桩的侧摩阻力分布重心下移,穿过采空区的桩侧摩阻力分布重心比未穿越采空区的桩下移深度略深;承台下中部的桩间土应力要大于承台边角位置的桩间土应力,随着荷载增大,桩间土应力增长速率小于桩顶应力,桩身开始承担更多荷载。     

连拱隧道中墙受力研究

采用有限元数值计算方法,进行连拱隧道中墙的受力分析研究。结果表明:在中墙一定的情况下,两侧主洞的施工顺序、支护情况、应力释放系数对中墙的最终受力影响不大;中墙轴力随中导坑的扩大而减小,其中中导坑宽度影响较大;中墙应力随中墙厚度的增加而减小,但超过2m以后,减小幅度变得不明显,说明一味采用增加中墙厚度来确保中墙安全的做法是不合理的;在一定范围内,随着埋深的增加中墙受力增大;当埋深较大时,在中墙顶部预留适当的变形量,可以有效减小中墙承受的形变压力。     

黏土中圆形低真空隧道管片结构内力分布及其影响因素

针对盾构隧道管片结构在不同环境下的受力性能,建立基于修正惯用法的力学模型,推导出圆形低真空隧道管片结构内力的解析解;以武汉黏土作为模拟地层,分别采用修正剑桥模型和弹簧模型,模拟分析圆形低真空隧道结构的内力分布;在获得解析解和2种数值解的基础上,对比分析特定工况下3种方法得到的隧道管片结构内力分布,探讨真空力、弯曲刚度有...     

考虑随机裂隙的寒区隧道冻胀力研究

研究目的:为进一步研究围岩和衬砌结构的冻胀力,以2022年冬奥会重大交通保障项目金家庄特长螺旋隧道为依托,通过现场实测、室内试验和COMSOL数值模拟相结合的方法,探究考虑随机裂隙条件下,孔隙率、渗透率、随机裂隙孔径和模型下边界水头对冻胀力量值和分布规律的影响. 研究结论:(1)衬砌结构的最大拉、压应力随孔隙率的增大而...     

硬-软互层层厚构造影响隧道围岩开挖损伤研究

研究目的:在实际地质环境中,隧道开挖所表现出来的各种变形破坏都是各种因素综合影响的产物。但顺层构造由于其分层特性和结构形式的特点决定了在这样的地质环境中开挖隧道,其围岩受力之后的变形和破坏具有一定的特殊性。本文以拟建某高铁宝云隧道为例,就硬-软互层顺层构造作用下隧道围岩开挖损伤变形开展数值模拟分析评价,主要研究不同岩层厚度影响下的隧道围岩变形、围岩屈服渐进性及稳定性,并给出强度折减至极限状态时硬-软互层组合隧道的变形破坏模式。研究结论:(1)薄层弯曲变形是不同岩层厚度构造作用下硬-软互层顺层隧道开挖的主要变形形式,厚层围岩虽体现出了较明显的滑移,但变形量值较小,隧道支护设计时应考虑岩层厚度控制的该变形特点;(2)硬软互层组合屈服区主要沿顺层面向软岩展布,层厚越小,屈服范围越大,以0.2 m层厚顺层向屈服区为典型,层厚超过0.4 m后,拱腰顺层面屈服区迅速减小,且随厚度增大,两个方向屈服区不断减小;(3)强度折减条件下,层厚超过1.5 m后,稳定安全系数趋于定值,围岩强度主要受软岩自身控制,受硬-软组合结构影响程度降低;(4)岩层厚度较小时,隧道围岩变形模式以岩层弯曲为主,随岩层厚度的不断增大,变形模式逐渐转变为顺层滑移为主、滑移与弯曲并存;(5)本研究成果对促进该高铁的顺利建设具有理论意义和工程价值。     

察尔汗盐湖岩盐路基应力作用下溶蚀特性试验研究

为研究察尔汗盐湖岩盐路基在应力作用下的溶蚀特性,对察尔汗盐湖岩盐试样通过控制围压、轴向应变和溶蚀时间的方法,并采用位移加载方式,进行单轴和三轴压缩条件下的岩盐应力-溶蚀耦合效应的力学试验,得出了岩盐在应力作用下的溶蚀特性:(1)随着围压的增大,岩盐溶蚀质量呈现逐渐减小的趋势,即在岩盐收到较大侧向限制时,岩盐在上部荷载作用下产生了较小的塑性变形,减少了水溶液与岩盐的接触面积,从而使溶蚀速率减缓;(2)荷载作用下,岩体所产生的裂缝加大了水溶液与岩盐颗粒的接触面积,即在处理岩盐地基时需考虑减小岩盐地基岩体的孔隙。     

机车通过曲线道岔时轮对过盈配合面的应力及微动滑移分布特性

机车轮对从直线钢轨导向曲线道岔平稳运行时,轮对过盈配合面应力及微动滑移分布特性比直线行驶状态复杂得多,给机车轮对安全运行带来了安全隐患。基于Abaqus软件模拟机车轮对平稳通过曲线道岔的运行过程,比较直线行驶和过曲线道岔时过盈配合面应力分布特性以及机车通过曲线道岔不同位置时过盈配合面应力分布特性,并比较过盈配合面周向和轴向微动滑移分布特性以及不同曲线道岔位置时微动滑移特性。研究结果表明:直线行驶和曲线行驶径向应力最大值都出现在配合面中部,直线行驶时径向应力在距离两侧0~30 mm的范围由外向内突然变小;轮对在曲线道岔平稳运行时,过盈配合面内侧径向应力值逐渐变大,外侧径向应力逐渐变小,内外侧径向应力差值变大;轮对在曲线道岔运行时的周向和轴向滑移幅度随着行驶时间的增加逐渐变大,过盈配合面两侧滑移值远大于中间滑移值,且曲线道岔运行距离越长滑移越明显。     

深埋3孔小净距隧道围岩压力计算方法及其工程应用

基于普氏理论,考虑开挖顺序以及中岩柱主要具有的承载松散岩土体和抑制围岩变形作用,提出3孔小净距隧道围岩压力的计算方法,并分析净距和开挖跨度对围岩压力分布规律的影响。通过与八达岭长城站3孔小净距隧道围岩压力实测值对比,验证计算方法的合理性和有效性。结果表明:中洞受力状态最为不利,边洞内侧围岩压力显著大于外侧;净距一定时,中洞或边洞跨度增大不仅导致各自洞室围岩压力增大,且会导致相邻洞室围岩压力增大;随净距增大,围岩压力逐渐降低并接近规范计算单洞值;Ⅴ级围岩段实测围岩压力约是Ⅲ级围岩段实测值的3倍,净距相同时,Ⅴ级围岩比Ⅲ级围岩更易形成极限承载拱;围岩压力理论计算值的偏差率在10%~25%。根据围岩压力的理论值和前期监测值,主动对隧道采取超前加固与加大锚杆长度,使实测围岩压力减小30%,可保障隧道施工安全。