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。     

考虑水荷载作用的铁路隧道衬砌结构设计

采用室内模型试验方法,通过改变围岩注浆圈模拟介质的渗透系数,进行10组铁路隧道衬砌结构的水荷载折减系数测试试验,研究水荷载折减系数与注浆圈综合渗透系数的关系。试验结果表明,当围岩注浆圈渗透系数小于10-5cm.s-1时,水荷载折减系数取0~0.3为宜;反之,取值为0.3~1。按考虑水荷载和不考虑水荷载两种受力模式对隧道衬砌结构进行计算分析结果表明,存在较大水荷载作用的隧道衬砌结构设计不宜套用标准图,建议采用钢筋混凝土圆形衬砌结构。     

黄土隧道围岩湿陷衬砌结构力学响应分析

针对湿陷性黄土隧道围岩浸水后工程力学性质劣化导致的衬砌结构病害问题,考虑黄土围岩浸水湿陷过程中隧道围岩压力增大及围岩约束软化的特点,提出围岩浸水湿陷前后围岩压力及基床系数的变化取值计算方法,建立基于荷载-结构模型的黄土隧道围岩浸水湿陷衬砌结构力学响应分析方法。以曾开展现场试坑浸水试验的黄土隧道为对象,对隧道围岩浸水湿陷引起的衬砌结构内力变化及承载安全状态进行计算分析,结果表明,黄土围岩浸水湿陷会引起衬砌结构内力显著增大和分布形式变化,特别是仰拱中部和墙脚端部弯矩值增大2.5～3倍,相应部位截面承载安全系数可降低至1以下,发生拉裂破坏,衬砌结构设计中应予以加强。模型计算结果与现场实测结果相吻合,验证了该分析方法的合理性,可为湿陷性黄土隧道衬砌结构冗余设计提供参考。     

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。     

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。     

深埋隧道素混凝土衬砌可靠度计算模型研究

采用拉丁超立方抽样技术,研究了围岩压力及结构自重作用下基于荷载—结构模型的素混凝土衬砌可靠度计算模型、作用效应及结构抗力的分布类型和统计特征。隧道衬砌的功能函数可归纳为作用效应和结构抗力两个综合随机变量。研究结果表明,作用效应和结构抗力的概率分布类型直接影响到衬砌可靠度指标计算方法和计算结果的合理性。根据经验判断,隧道素混凝土衬砌的作用效应的概率分布类型为正态分布,结构抗力的概率分布类型可能是正态分布,也可能是对数正态分布。隧道衬砌可靠度指标计算时需要严格判断各截面的抗力分布类型。     

地下洞室合理开挖断面的研究

椭圆形隧道断面被认为是理想情况下的合理开挖断面。文章分别采用荷载—结构模型和地层—结构模型对椭圆形断面进行计算分析。结果表明:考虑到衬砌和围岩共同作用,椭圆形断面两主轴比在λ~λ之间时,隧道衬砌受力比较合理,结构比较安全。     

隧道衬砌厚度不足对安全性能的影响

结合荷载结构法和有限元法,建立隧道衬砌多处厚度不足模型,设计多种工况研究Ⅲ,Ⅳ和Ⅴ级围岩隧道衬砌多处厚度不足对衬砌安全性能的影响规律。研究结果表明:当隧道衬砌多个部位存在厚度不足时,隧道整体的承载性能出现减弱,拱顶为隧道衬砌厚度不足最敏感的区域;拱顶衬砌与围岩分离形成脱空区时承担荷载减少,安全系数增加;由于结构、荷载以及缺陷部位均对称,对称部位的安全性能演变规律一致;隧道上部衬砌厚度不足对其他部位的承载特征影响比较小。     

能量守恒原理在Ⅴ级围岩隧道衬砌设计中的应用研究

在围岩-衬砌这个封闭系统中,隧道的开挖和支护过程伴随着能量的传递和转化,不考虑热能散失并将围岩视为弹性体,则围岩势能的释放即为衬砌结构弹性应变能的增加。刘红燕等[1-2]利用该能量守恒原理对Ⅲ级围岩单线铁路隧道进行了衬砌厚度的计算,在此研究成果的基础上进一步研究了能量守恒原理对于Ⅴ级围岩衬砌设计的适用情况。针对Ⅴ级围岩建立FLAC3D模型动态模拟隧道的开挖过程,利用matlab语言编写弹性应变能密度函数从而得到实体模型各单元的弹性应变能,最后得到特定范围内围岩势能随掘进深度的变化曲线。由此围岩势能变化曲线可得出隧道开挖后围岩的势能释放值。此外,通过进行钢纤维混凝土(SFRC)构件的韧性试验,确定SFRC三分梁破坏与SFRC衬砌破坏时的能量消耗关系。据此建立能量方程并可得出SFRC衬砌的理论厚度,经检算,设计厚度满足安全性要求。结果表明,能量守恒原理的隧道衬砌设计方法不再受Ⅱ、Ⅲ级围岩小断面情形的限制,它同样适用于V级围岩大断面隧道的衬砌设计。     

考虑流变特性的隧道围岩变形效应分析

为了探讨考虑流变效应情况下隧道围岩和衬砌的变形情况,从而进一步确定隧道的合理衬砌时机。首先,分析围岩的流变特性对隧道变形和衬砌抗力的影响,通过理论推导得到了同时考虑黏弹塑性的隧道围岩变形计算公式,该公式包含时间参数,可确定达到不同衬砌位移及围岩位移所需要的时间。然后,以南龙铁路隧道工程为背景,针对隧道拱顶下沉、周边收敛、围岩压力和初衬内力,开展隧道二衬合理支护时机的监测分析,得到围岩变形计算公式中的待定系数,并确定隧道衬砌的合理支护时机。将得到的结果与现场监测的结果进行对比,发现二者得到的二衬支护时机基本相同,从而验证计算结果的正确性。     

京张高铁八达岭长城站耐久性设计方法及措施

为了提高隧道及地下工程的耐久性,降低地下工程运营期维修养护的成本,采用系统分析法研究地下工程的耐久性机理,提出地下工程结构耐久性的计算模型及其定量化设计方法。隧道结构的耐久性取决于初期支护和二衬承载力的衰减,初期支护承载力的衰减将引起二衬荷载的增大,隧道结构耐久性的安全系数可采用二衬承载力与其荷载的比例来表示,当二衬荷载增长曲线与其承载力衰减曲线相交时,隧道结构达到承载力极限状态,此时也即为隧道耐久性的设计使用年限。八达岭长城站支护体系设计中,采用围岩长期自承载的设计理念,利用长寿命初期支护加固围岩,形成持久的围岩自承载拱,长期承担全部围岩荷载,二衬作为安全储备。同时,增加锚杆注浆保护层的厚度和密实度、设置居中定位器来提高锚杆的耐久性,采用分段高压注浆来提高锚索的耐久性,采用中低热水泥、Ⅰ级粉煤灰、多级配整形骨料、控制入模温度、优化配合比、进行保湿保温养护等措施提高二衬混凝土的耐久性,形成长寿命支护结构体系。     

地铁隧道二次衬砌钢筋网防裂性能研究

为了定量分析防裂钢筋网提高隧道衬砌结构抗裂性能的机理和幅度,以地铁双线隧道二次衬砌结构为研究对象,采用荷载结构法和杆系有限元数值模拟方案,定量分析二次衬砌结构不设置与设置钢筋网这2种情况下的开裂临界荷载。其中素混凝土结构以达到极限拉应变为临界状态,衬砌结构增设钢筋网后以达到GB 50157-2013《地铁设计规范》允许的最大裂缝宽度0.2mm为临界状态。分析结果表明,配置防裂钢筋网后,Ⅲ级和Ⅳ级围岩衬砌结构抗裂性能可分别提高22.4%和19.3%,Ⅴ级围岩衬砌结构抗裂性能提高15.2%;Ⅲ级和Ⅳ级围岩二次衬砌结构的破坏形式由脆性破坏变为延性破坏,从而提高了其安全性能。     

论喷锚构筑法在软弱围岩隧道施工中的应用

研究目的:通过对开挖方法、初期支护、监控量测、二次衬砌等关键技术的探讨和分析,为今后类似工程施工总结经验。研究结论:软弱围岩隧道可用分步开挖方法,及早初期支护,及早封闭成环,改善围岩受力结构;加强设计与施工的配合协调,在隧道施工过程中进行位移监控量测,掌握位移变化规律,动态调整设计参数,调整二衬等施工工序施作时间,必要时仰拱、二衬紧跟,保证隧道施工安全。     

寒区隧道衬砌结构可靠性分析

为了研究寒区隧道在运营阶段衬砌结构的可靠性,考虑到冻胀力、围岩压力和结构自重应力对围岩衬砌结构的影响,以昆仑山寒区隧道工程为背景,采用ANSYS中的PDS(概率设计)模块和蒙特卡洛拉丁超立方抽样方法,对影响寒区隧道衬砌结构可靠性的主要因素以及保证隧道结构安全的可靠性指标进行研究。结果表明:基于ANSYS数值模拟,通过研究冻土围岩温度场和应力场的耦合结果,得到冻胀对衬砌结构产生的最不利的位置;以概率论和数理统计相结合的方式,对衬砌结构最不利位置的可靠性进行定性和定量的分析,得到衬砌结构的可靠性指标;蒙特卡洛法中的拉丁超立方抽样提高了抽样概率的精确性,概率设计的敏感性和设计变量之间的散点图分析,有利于确定影响衬砌结构可靠性的主控因素,进而针对可控因素采取措施,以此提高衬砌结构的可靠性。     

高地应力软岩隧道围岩压力及二衬受力特征研究

为研究高地应力条件下软岩隧道围岩压力作用规律及二衬受力特征,依托兰新铁路第二双线大梁隧道,分别对隧道围岩与初期支护、初期支护与二次衬砌之间的接触压力进行现场监测,得出上述压力随时间变化规律和沿隧道横断面分布特征,基于实测围岩压力对隧道二次衬砌结构内力进行计算。研究结果表明:初支围岩压力和初支与二衬接触压力随时间发展呈不同变化规律;围岩压力在空间分布上表现出"两侧大、拱顶小"的侧向挤压特征;二次衬砌围岩压力分担比例平均值在45.0%~70.3%;实测围岩压力较规范围岩压力计算出的二衬内力更符合实际。     

京张高铁八达岭长城站大跨度深埋三连拱隧道设计及施工方法研究

目前三连拱隧道衬砌荷载尚无成熟的计算方法且类似工程施工经验相对较少,以京张高铁八达岭长城站为例,研究在V级围岩地质条件下,大跨度深埋三连拱隧道设计计算方法及合理的施工工序。依据普氏平衡拱理论并借鉴双连拱隧道围岩荷载计算方法,提出深埋三连拱隧道围岩荷载模型,通过建立有限元模型,分析三连拱隧道的合理施工工序。研究表明:三连拱隧道围岩压力可以看作拱部松散土压力及中隔墙所承受的压力之和;三连拱施工工序推荐采用先侧洞后中洞的工序,对于施工过程中保持围岩及支护结构体系的稳定较为有利;通过右洞围岩压力计算结果与现场检测结果对比分析,围岩压力最大相对误差在10%以内,全施工阶段监测情况一切正常,验证了解析法计算结果的合理性及施工工序的优越性。     

干湿交替条件下膨胀围岩隧道的力学性态研究

以广西南宁膨胀土为围岩材料,制作室内膨胀围岩隧道物理模型。通过对隧道模型进行干湿循环试验,得出围岩在吸水及失水条件下的围岩应力-时间关系曲线及衬砌应变-时间关系曲线。试验认为在吸水过程中大部分测点的围岩压力都经历了增长、减小、不同速率的再增长3个阶段。衬砌变形则经历缓慢增长、急剧增长、急剧减小、微增长4个阶段;在失水过程中,从整体上可以将围岩压力变化分为两部分,即围岩失水收缩致使衬砌和围岩的接触压力下降导致围岩应力值减小以及土体收缩产生收缩应力导致应力监测值增大。并分析这种变化规律的形成机理,证明时间效应和空间效应的存在。为今后膨胀围岩隧道的结构设计和施工优化提供一定的理论参考。     

寒区隧道衬砌周边冻胀力及防治措施研究

依托祁连山高寒区隧道工程进行衬砌周边冻胀力数值分析和防治措施研究,探究寒区隧道衬砌周边冻胀力分布规律。基于有限元软件,分析围岩性质、含水率和衬砌弹性模量对冻胀力的影响,以及针对性提出寒区隧道防冻措施。研究结果表明:隧道衬砌周边的冻胀力分布不匀,墙脚附近的冻胀力最大,仰拱中心处的冻胀力最小;围岩性质越差,衬砌周边冻胀力越小,围岩从Ⅳ级变化至Ⅵ级时,最大冻胀力从1.944 MPa减少至0.502 MPa;围岩与衬砌附近的含水率越高,作用在衬砌结构上的冻胀力就越大,当围岩中含水率从10%增加至30%时,最大冻胀力从1.672 MPa增至5.193 MPa;衬砌弹性模量越大,作用在衬砌上的冻胀力越强,弹性模量从8 GPa增至32 GPa时,最大冻胀力从0.878 MPa增至1.269 MPa。最后提出高寒区隧道衬砌抗冻病害设防等级和相应的措施建议,为高寒区隧道建设提供技术支撑。