瓦斯爆炸隧道内冲击波特征及衬砌损伤机制数值研究

为探究隧道瓦斯爆炸致灾机制,以成都洛带古镇隧道瓦斯爆炸为工程背景,基于等效爆能理论对隧道内积聚瓦斯进行量化研究,采用LS-DYNA中ALE技术建立与隧道几何结构一致的流固耦合数值模型,以RHT模型模拟衬砌并修正关键参数,研究隧道内冲击波特征并与经验解析式计算结果对比,同时将衬砌损伤特征的数值模拟结果与现场调研情况进行对比。结果表明： 1)流固耦合模型可以再现隧道内的爆炸过程; 2)受衬砌约束,爆炸冲击波在隧道内发生反复、无规则反射,致使其强度剧增、衰减缓慢且流场复杂,曲边墙脚处的反射效应最强; 3)爆心距5 m范围内的衬砌在冲击波剧烈冲压作用下完全破坏,5~10 m的衬砌在较高压、拉应力共同作用下严重受损,10 m外的衬砌主要在较高拉应力下形成损伤裂缝。经对比,衬砌损伤的数值模拟结果与现场情况基本一致。     

山岭隧道洞门段衬砌结构动力响应及震害机理研究

以汶川地震中遭遇严重破坏的烧火坪隧道为背景,建立三维有限元数值模型研究洞门浅埋隧道结构在地震作用下的动力响应特性。同时,为真实反映岩土体及混凝土衬砌结构在强震作用下的屈服变形及损伤破坏过程,在数值计算中引入Drucker-Prager屈服准则及混凝土损伤本构模型。根据数值计算结果对衬砌应力响应及结构损伤破坏分布特征等进行分析,并与现场震害模式进行对比讨论。研究结果表明:隧道洞门浅埋区域主要以拱腰及拱肩区域的受拉破坏为主,结构稳定性及破坏主要受第一个地震动峰值段控制;破坏程度随着隧道纵深的增大而逐渐降低,并在距离洞口约40 m处趋于稳定;隧道拱腰两侧围岩屈服破坏导致刚度降低是造成衬砌拱腰应力增大及破坏的主要原因。     

蛟岭瓦斯隧道塌方处理方案及效果评价研究

瓦斯隧道修建过程中的煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸、煤尘爆炸以及煤层坍塌,不仅危及施工及结构安全,而且影响隧道施工进度。文章以蛟岭瓦斯隧道为例,针对蛟岭瓦斯隧道塌方的特点,制定实施了蛟岭隧道瓦斯塌方区前区加固方案和塌方体处理方案,并制定实施煤和瓦斯突出危险性预测,根据加固后塌方地段的监控量测结果和有限元计算结果,所选处理方案取得很好的成效。     

公路连拱隧道冻胀结构力学分析与防冻措施

针对目前我国中原以北地区公路连拱隧道在运行中越来越突出的衬砌冻胀破坏问题,文中根据隧道在冻胀条件下温度和结构的相应作用,初步探讨了冻胀力的计算方法并运用ANSYS有限元分析,模拟在冰冻环境温度作用下隧道的冻胀过程及持续低温和冻胀作用对隧道衬砌结构的影响,最后在分析公路连拱隧道特点的基础上提出了抗、防冻措施。     

高外水压山岭隧道衬砌结构安全性分析

基于中国在高外水压地区修建长大山岭隧道增多的现象,就涉及隧道衬砌结构在高外水压作用下的力学响应相关问题进行了研究.运用荷载结构法,采用三维有限元模型,以白芷山隧道工程为依托,对白芷山隧道在无外水压、均匀分布的高外水压和不均匀分布的高外水压影响下衬砌结构最大弯矩、轴力值大小及发生位置的变化进行研究；并根据外水压最大断面处衬砌结构的实际配筋情况计算其在外水压分布均匀和不均匀条件下的安全系数.分析结果表明:在高外水压作用下隧道衬砌结构的最大弯矩和轴力值都显著增加,且发生位置也在发生变化；水压最大断面处的安全系数大小在水压分布不均匀情况比水压分布均匀情况整体降低.     

隧道衬砌结构在水压力作用下受力计算分析

对某隧道建立有限元结构分析模型,研究隧道初衬结构安全性及衬砌内力。结果表明,隧道衬砌结构在长期峰值水压力作用下安全度满足规范要求,结构安全稳定。计算隧道二衬结构内力值,并将数值模拟结果与实测数据对比分析,得出应力分布规律,两者一致,边墙和仰拱处为受力最不利位置。     

爆破荷载作用下隧道初次衬砌结构的动力响应

为了研究隧道初次衬砌结构在爆破荷载作用下的动力响应,采用现场试验和数值模拟相结合的方法,应用TC-4850测振仪获得3个测点8次监测试验的质点振动速度峰值数据,依据最小二乘法拟合得出质点振动速度峰值传播规律的萨道夫斯基公式;采用LS-DYNA数值模拟软件,定义材料参数及其状态方程,在依据质点振动速度峰值传播规律可靠性分析验证数值模型合理性的基础上,建立隧道初次衬砌结构仿真模型,考虑初次衬砌强度的变化,分析隧道结构关键位置(拱脚、拱腰、拱肩、拱顶)处应力及位移的变化规律。研究结果表明:隧道初次衬砌结构X方向拱脚和拱顶处应力峰值明显大于其余关键位置,Y方向应力峰值出现在拱脚位置,为118 100 Pa,Z方向应力峰值同样出现在拱脚处,为239 100 Pa,且Z方向应力峰值明显大于X和Y方向;隧道初次衬砌结构位移峰值出现在拱腰位置,为0.361 cm,且Z方向位移峰值出现时间明显早于X和Y方向;在C30的基础上,增加C25和C35初次衬砌强度等级,随着初次衬砌强度的递增,应力呈正相关关系,位移呈负相关关系。     

天然气爆炸对盾构隧道的作用机制及工后修复

为了使爆炸灾害后的盾构管片得到合理的修复方案,以某地铁盾构施工过程中挖破天然气管道导致爆炸事故为背景,通过介绍爆炸的基本特性、冲击波的传播特点及火焰波的伴生关系,归纳在天然气爆炸过程中,爆炸火焰和冲击波是决定事故危害程度的2个主要因素,同时这些因素中最危险、破坏力最强、破坏区域最大的是冲击波的破坏效应。通过计算隧道内满布天然气时的TNT当量,以及采用拟静力法模拟管片内部的超压分布并计算得到管片的变形,与第三方检测数据中的管片变形指标进行耦合,证明模拟的准确性,为提出合理的区间修复方案提供依据,同时也为类似工程事故的处理和预案提供经验。     

火灾高温下盾构衬砌结构试验与力学模型综述

复杂运营环境下自然与人为因素所引发的众多隧道火灾已造成了重大的社会影响和经济损失。火灾已成为威胁隧道安全运营的主要灾害之一,其对隧道衬砌结构会产生严重的损伤乃至破坏。盾构衬砌为装配式结构,接缝多以螺栓连接,火灾高温下易发生管片爆裂和接缝连接薄弱部位受损而诱发的突然破坏;同时,由于盾构隧道周围地层的约束作用有限,其衬砌结构体系受火损坏后垮塌的风险极高。为提高软土地层环境下盾构隧道装配式衬砌结构体系的耐火能力及火灾安全性,本文调研了盾构隧道火灾安全研究现状,对与盾构隧道火灾安全研究相关的试验及理论分析工作做了较为全面的综述,主要包括:火灾高温下盾构隧道衬砌管片力学特性试验与理论分析模型,火灾高温下管片接缝力学特性试验与理论分析模型,火灾高温下盾构衬砌体系力学特性试验与理论分析模型,火灾高温下盾构隧道周围地层力学行为研究。在此基础上,针对大直径盾构隧道的火灾试验,高温引起的盾构衬砌管片材料性能劣化评价及主动式抗火管片的材料设计,火灾高温条件下盾构衬砌结构计算模型精细化这3个核心问题,展望了盾构衬砌受火灾影响的研究方向和思路。     

运营公路隧道局部换拱效果及其工程影响

通过对运营公路隧道换拱工程试验段衬砌荷载和温度的现场监测,并将之与新建隧道衬砌荷载分布规律进行对比,评价换拱工程中新施作衬砌的承载性能。通过采用数值计算分析的手段,对换拱过程临近结构附加影响进行研究。结果表明:换拱工程与新建隧道工程衬砌荷载分别在荷载曲线形态和达到峰值的时间这2个方面存在明显差异;结合衬砌温度变化规律,揭示了换拱工程的新施作衬砌基本不发挥承载作用,现场监测所得荷载主要是由温度应力引起的;分析换拱过程中,邻近结构在卸荷作用下产生一定的附加沉降和附加应力。综合换拱工程衬砌承载效果及对临近结构的影响,提出了在运营隧道衬砌病害处理过程中,宜优先采用非破坏性防护措施,慎用局部换拱方案的工程建议。     

逆断层错动对公路隧道影响研究

根据依托工程某隧道相关地质资料,运用FLAC3D有限差分软件建立穿越逆断层破碎带隧道数值模型,针对不同断层错距,分析逆断层错动作用下隧道衬砌受力与变形规律,得出衬砌破坏形式。结果表明衬砌强烈变形集中在断层两侧各20m范围内,衬砌受力集中位置在断层与上盘交界处,其中拱脚处压应力集中,拱腰处剪应力集中,拱顶和仰拱受到纵向应力方向相反,衬砌结构破坏形式是拉张—挤压和剪切组合破坏,研究成果可对类似工程设计与施工提供参考。     

高速铁路隧道结构动力累积损伤模型试验研究

为探讨高速铁路隧道衬砌结构在列车振动荷载长期作用下的动力累积损伤特征,阐述混凝土结构动力相似材料模型试验原理,以武广高速铁路金沙洲隧道为原型,利用微粒混凝土作为相似材料,构建隧道与围岩动力相互作用全断面试验模型,施加高速列车振动荷载对相似材料模型进行动力累积损伤试验;试验过程中同步测试隧道衬砌结构各特征点动应变、超声波速度以及隧道底部围岩接触应力的时程响应数据,分析隧道衬砌结构动力响应特征与累积损伤规律。得出了在设计使用寿命期内,高速列车振动荷载长期作用下,隧道衬砌结构动力累积损伤效应不明显,而隧道底部围岩累积损伤破坏则应引起足够重视等研究结论。     

飞机降落冲击荷载作用下高铁隧道疲劳寿命及抗减振措施研究

为解决在上方飞机降落冲击荷载作用下高铁隧道衬砌结构抗减振问题，依托时速350 km成自高铁下穿天府机场东二跑道的区间隧道工程，通过数值模拟研究在上方飞机降落冲击荷载作用下高铁隧道衬砌结构的疲劳寿命以及相应的抗减振措施。研究表明： 1）B747-400型飞机在单次重着陆过程中，高铁隧道衬砌位移峰值为1.2 mm，附加第一主应力峰值为328 kPa，附加第三主应力峰值为417 kPa，均出现在拱顶位置处； 2）在长期飞机重着陆作用下，衬砌拱顶部位最早出现疲劳损伤，其次为边墙部位，疲劳寿命为88年，建议通过提升自身衬砌混凝土强度等级或设置减振层等方式加以改善； 3）采用提高衬砌结构混凝土强度等级的方法抗振效果显著，而采用泡沫混凝土减振层的方法则需设置一定厚度后才起作用，建议减振层厚度为0.5 m，弹性模量控制在0.7 GPa以上，方可达到隧道设计使用年限规定要求。     

大跨径隧道二次衬砌优化分析

该文以广东省惠州到深圳高速公路牛湖山隧道工程实例为背景,运用FLAC软件建立数值计算模型对Ⅳ级围岩条件下的浅埋及深埋大跨径隧道二次衬砌进行数值模拟分析。依据JTG D70-2004《公路隧道设计规范》释放荷载分担比例,对不同的二次衬砌厚度进行了安全系数计算,求出了在不同二次衬砌厚度下的安全系数,并将所得结果与当前设计规范进行对比分析,得出了大跨径隧道二次衬砌结构的优化结果。     

隧道穿越富水断层围岩稳定性流固耦合研究

围岩稳定性和结构安全一直是富水区山岭隧道修建过程中的热点问题,长期受到学术界和工程界的关注。以罗汉坡公路隧道穿越F5富水断层为依托,建立三维流固耦合数值力学模型,模拟施工全过程,研究围岩变形特性、力学响应、渗流场、能量集聚,以及衬砌结构位移。研究结果表明:掌子面前方围岩出现高水压积聚现象,应进行超前1D(D为隧道跨度)钻孔排水,降低掌子面前面水压集聚程度;掌子面前方有效影响挤出变形的距离为0.5D。由于断层及其前后围岩刚度差异,衬砌沿纵向发生不均匀变形,断层前、后10 m范围内衬砌应加大配筋,防止结构压剪破坏,提高衬砌整体稳定性及降低运营阶段风险。研究成果直接指导罗汉坡隧道F4断层的施工,也可为今后富水地层类似隧道及地下工程设计、施工提供参考和借鉴。     

偏压隧道施工过程衬砌结构稳定性分析及控制研究

在山区修建隧道时往往会遇到偏压地形,导致衬砌结构受力不均匀。在衬砌结构由部分到闭合时,会因不对称围岩压力而产生裂缝。文中采用数值模拟方法,研究不同工况下施工过程中衬砌结构的内力、安全系数及裂缝发展规律。计算表明,采用CD法开挖时洞周变形较小,裂缝较大。得出当衬砌结构还未闭合时,单元安全系数较低,且会产生一定的裂缝;当衬砌结构达到完整闭合,受力均匀,相同位置处的衬砌单元安全系数明显提高。     

隧道衬砌结构受爆炸影响段的检测与安全评估

重庆某隧道衬砌结构施作完成后,由于对导爆索处理不当,在隧道内引起爆炸,导致衬砌结构破坏、开裂。为了对爆炸影响范围的衬砌结构进行安全评估和处治,分别对该段衬砌结构进行雷达检测、外观质量及裂缝观测、衬砌混凝土强度检测和隧道净空尺寸检测,再根据检测结果运用有限单元法分别对破碎区和开裂区进行结构安全验算,并指出衬砌安全储备不足的区域。对爆炸影响段进行定量安全评估,从而为该段的处治设计和施工提供依据。     

长江隧道衬砌结构地震响应的三维数值分析

以武汉长江隧道为工程依托,运用Ansys软件对盾构隧道在水平、竖向双向耦合地震作用下采用3种不同衬砌材料的地震响应进行三维数值模拟,分析这3种工况下隧道衬砌结构的不同部位上应力和位移的分布状况,探明了盾构隧道在地震作用下衬砌结构的动力响应规律,找出了衬砌结构的受力最薄弱部位,研究可对盾构隧道的抗震设计提供理论参考.     

岩石地基中群桩基础对相邻车站隧道影响分析——以重庆地铁1号线七星岗站为例

桩基加载会造成周围土体的位移和应力变化,继而对邻近隧道的内力和位移造成影响,特别是在群桩基础的作用下,这种影响不可忽视。以岩质地基中大跨径车站隧道与群桩基础的相互影响为研究对象,采用有限元软件对群桩位于隧道顶板上方、隧道侧壁破裂面以下及隧道底板3种模型进行对比分析,重点比较桩基加载工况下隧道位移变化及衬砌内力变化。分析表明当桩基础荷载大,隧道洞跨大时,置于隧道顶板的桩基础会明显降低衬砌安全系数,使衬砌结构遭受破坏;通过数值模拟对比分析得出当桩基位于隧道侧墙破裂面以下,且临近隧道侧墙的桩基加长至隧道拱底标高时,能大大降低对隧道衬砌结构和位移的影响,并能确保运营隧道的结构安全。     

城市高层建筑近接地铁隧道施工的影响研究

为研究近接地铁隧道高层建筑施工对既有隧道稳定性的影响,以重庆市某近接地铁隧道高层建筑为例,利用大型有限元计算软件Midas-GTS建立三维有限元计算模型并开展数值模拟。数值模拟中采用的施工工序与实际工程一致,着重分析高层建筑施工各个阶段围岩变形,衬砌位移、内力的变化规律。研究结果表明:建筑物修建对左线隧道影响显著大于右线隧道;隧道衬砌最大变形出现在基坑开挖阶段,最大水平、竖向位移分别为1.45、3.64 mm;由于建筑物与隧道斜交,左、右线隧道最大位移出现断面有所不同,但均出现在距模型正面40~60 m范围内;衬砌内力随建筑物施工呈先减小后增大的趋势,基坑开挖阶段左隧道衬砌内力较隧道开挖完成时降低了15.5%。研究结果可为类似工程提供一定的依据和指导。