高速铁路交叉隧道动力学问题研究综述

文章针对高速铁路交叉隧道的分类和组合型式进行划分,分别阐述了其存在的关键动力学问题,并通过广泛的相关文献调研,总结了高速铁路交叉隧道在列车振动、空气动力效应以及地震震动等方面的研究现状与不足;指出了今后的研究重点:(1)考虑隧道结构、地层参数以及邻近交叉隧道的结构特征,建立高速列车-轨道-交叉隧道为一体的三维精细化分析模型,并用其开展定量安全评价;(2)开展车隧气动结构效应研究,提出保障隧道结构安全的工程措施,进而建立考虑列车气动荷载与其他动力荷载叠加作用下交叉隧道的安全性评估方法;(3)进行全方位的高速铁路交叉隧道地震动力响应研究,揭示交叉隧道结构本身的动力特性,提出相适应的抗震设计方法;(4)引入混凝土和岩石动力损伤本构关系,建立能考虑材料动态损伤的计算模型,以对结构在长期反复动力作用下的动力响应特性及其累积损伤效应开展深入研究。     

高速列车荷载作用下仰拱对隧道整体动力特性的影响分析

仰拱作为隧道衬砌的重要组成部分,其设置对改善隧道结构受力状况,提高隧道结构的整体稳定性都非常重要。但在列车激振荷载作用下,仰拱在隧道整体结构中所发挥的作用还需要进一步研究。文章通过数值分析方法,从动力学角度对仰拱在高速铁路隧道列车振动响应中的作用和影响进行了探讨;比较了不同仰拱形式下隧道结构各控制点的动力学特性及衬砌和围岩受力特性,可为隧道仰拱设置中综合考虑动静力影响提供参考。     

基于不同固结度下地铁运营引起的地基土动力响应分析

地铁运营时,地基土会在列车荷载-轨道系统相互作用下产生扰动。基于此,文章建立了列车荷载竖向振动模型,计算得到了地铁隧道仰拱处的荷载随时间的变化规律;并采用三维有限元法分析了受施工影响下杭州地铁1号线某区间列车运行引起的地基土振动响应。结果表明:随着地表土体与隧道中心线距离增大,地表振动出现滞后性,且强度逐渐减弱;隧道纵轴线上,位于隧道上、下方不同深度处地基土的振动规律具有一定的差异;初始固结度越小,地表的振动响应越大,而隧道下方的土体受施工扰动的影响则较小。考虑地铁施工的扰动影响对合理分析地铁运营期间的环境振动具有重要意义。     

高烈度地震区公路隧道洞口段地震响应分析

根据隧道地震安全性评价报告和地勘资料,建立了三维数值计算模型并采用一致粘弹性人工边界模拟动力边界,对高烈度地震区公路隧道洞口段进行了瞬态动力计算。计算结果表明:在三向地震荷载激励下,洞口段衬砌的地震响应具有明显滞后性,衬砌以水平横向振动为主、轴向振动次之、竖向振动最弱;洞口段衬砌的拱腰部位将承受极大拉应力和剪应力,可设减震层吸收地震能量。通过对衬砌相对位移的分析得出,衬砌横向和轴向变形都很小,衬砌稳定性尚好。     

流变荷载作用下隧道二次衬砌损伤行为研究

软弱围岩的流变效应容易导致隧道二次衬砌开裂,影响结构的安全性和耐久性。因此,文章以广甘高速杜家山隧道为例,建立考虑Weibull损伤分布的混凝土数值计算模型,对流变荷载作用下二次衬砌的损伤演化行为进行了研究。结果表明:(1)若二次衬砌与围岩接触良好,衬砌损伤区域在侧压力系数λ为0.5,1,2时,分别分布在拱腰、拱脚以及拱顶与拱底附近;(2)空洞对衬砌损伤区域及其出现顺序都有较大影响,即损伤首先在空洞附近的混凝土中产生,且该位置处的混凝土均会产生较为严重的损伤;(3)地应力对存在空洞的二次衬砌损伤模式的影响可以分为两种,即影响损伤位置出现的先后顺序,但不影响结构最终损伤形态,或既影响损伤的出现顺序,又影响结构的最终损伤形态。     

飞机降落冲击荷载作用下高铁隧道动力响应及疲劳损伤研究北大核心CSCD

针对运营期高铁隧道衬砌结构在飞机降落冲击荷载作用下的动力响应规律及疲劳损伤问题,以成自高铁下穿天府机场东二跑道区间隧道为工程背景,采用有限元分析的方法研究隧道动力响应及疲劳损伤规律。结果表明:B747-400型飞机在粗暴着陆后0.05 s时刻动力载荷达到最大值,约为500 kN;在单次粗暴着陆工况下,拱顶位移和受力最大,位移最大峰值为1.58 mm,拉应力最大峰值为437.79 kPa,压应力最大峰值为556.24 kPa,衬砌结构未出现塑性损伤;飞机荷载长期作用下,随着循环次数的增加,结构损伤部位和程度也随之增加,拱顶损伤最突出,其次为边墙,隧道衬砌在上方飞机长期粗暴着陆作用下的疲劳寿命大致为25 a。     

塌方岩体重力荷载对隧道拱圈应力状态影响的数值分析

塌方岩体的自重荷载将对隧道内力产生较大影响,对其结构受力极其不利。文章基于混凝土材料的损伤塑性理论,建立了受力变形较符合实际的公路隧道结构的非线性模型,并利用大型有限元分析软件ABAQUwsdS对所建立的模型进行计算分析,得到在塌方岩体作用下隧道拱圈的第一主拉应力、正应力和剪应力的分布规律,进而找出了隧道拱顶和拱脚出现明显裂缝的主要原因,为类似运营隧道的加固设计与施工提供了重要的基础资料。     

基于小波包变换的隧道损伤识别

隧道作为交通工程的重要组成部分,及时发现隧道损伤并修复是隧道运营安全的重要保障。文章以二维隧道模型为研究对象,采用高速列车通过隧道时所产生的压力为施加荷载,通过有限元模拟得到衬砌内层节点的位移时程曲线,用小波包变换对相应的曲率曲线进行分解,使用位移曲率能量标准偏差作为损伤指标对损伤的位置进行识别。研究分析表明,该方法能够有效地对隧道损伤位置进行识别。     

基于荷载-结构模型的隧道衬砌结构可靠性设计与研究

文章以秦东黄土铁路隧道为工程背景,以"荷载-结构"模型和蒙特卡罗有限元为基础,结合围岩相关参数的数理统计特征值,并应用统计学知识对其隧道结构稳定性进行了研究分析;通过10万次的结构计算,对其进行了假设检验,建立了隧道衬砌结构可靠性设计的计算模型,得出了大断面黄土隧道结构轴力的统计特征和分布类型,从而提出了可用于隧道衬砌结构可靠性设计的计算手段。研究结果对今后结构可靠性理论在隧道衬砌结构可靠性设计的实际应用方面有重要的理论指导意义。     

高速铁路水下盾构隧道管片衬砌主体结构受力分析研究

针对我国第一条水下高速铁路盾构隧道——狮子洋隧道的主体结构特点,采用了梁一弹簧模型对于隧道在运营期正常受荷情况下的受力情况进行数值仿真分析,并将最不利拼装方式下的内力、变形结果进行比较分析,总结出在该荷载条件及结构分块方式下,狮子洋高速铁路盾构隧道管片衬砌主体结构受力的一般性规律。并且针对实际工程中出现的膨胀性围岩区段的特殊地质条件,给出了偏于安全的计算方法,为设计和施工提出指导性意见。     

岩石蠕变对隧道二次衬砌结构影响的研究

岩石蠕变是岩石的重要力学特征之一.在隧道开挖完之后的很长时间内,围岩会因为蠕变而进行应力调整,蠕变产生的荷载由隧道的初期支护和二次衬砌联合承担.在隧道设计中往往将二次衬砌作为安全储备,而没有分析围岩蠕变荷载对二次衬砌的影响,因此分析隧道二次衬砌受力以及健康程度随时间的变化是十分有必要的.文章结合泥巴山隧道工程,利用大型有限差分软件FLAC3d的Burgers蠕变模型,分析了不同时间蠕变对围岩应力重分布以及对二次衬砌的力学性能的影响,得出了一些有价值的结论.     

不同本构模型对浅埋暗挖隧道施工引起地层扰动分析

为了研究不同本构模型对浅埋暗挖隧道施工引起地层扰动的影响,本文基于FLAC3D软件,将莫尔库伦(Mohr-Coulomb,MC)本构模型以及Peck公式计算隧道开挖引起的地表处地层沉降进行对比,结果表明,与Peck公式的计算结果相比,MC模型的计算结果在隧道中心线处的沉降量较小,且在远离隧道中心处的地层出现明显隆起。在此基础上,分析了发生隆起的原因,提出由于隧道下方的回弹土体受到刚度较大的衬砌的约束,从而引起地面产生隆起的假设,并在降低支护结构的刚度条件下,证明了该假设的准确性。通过进一步采用MC模型和修正剑桥(Modified Cam Clay,MCC)本构模型进行对比计算分析,发现MCC模型计算在地表各处的沉降量与Peck公式计算结果基本吻合,均大于MC模型的预测,而且MCC模型能避免地表非真实隆起的产生。可见,相较于MC模型,MCC模型更适于软土地层浅埋暗挖隧道的地表沉降预测。     

新建高速公路上跨运营高铁隧道结构安全分析

在新建高速公路上跨运营高速铁路隧道的施工中,线路的交叉必然会引起既有隧道结构的受力改变,从而影响铁路隧道的运营安全。基于此,文章结合工程实例,针对上跨交叉段,采用MIDAS GTS/NX有限元分析软件进行数值模拟分析,研究高速公路荷载施加前后高速铁路隧道结构受力和安全系数的变化情况。结果表明,高速公路荷载施加后,既有隧道应力增加和结构安全系数降低的幅度较小,对隧道结构的安全性能影响很小,隧道处于安全状态。     

基于数值分析的隧道衬砌病害检测技术研究

在高速公路隧道质量控制中,隧道衬砌质量常常因其隐蔽性,而难以做到直观有效的检测。现阶段,关于隧道衬砌质量检测技术的研究主要集中在地质雷达探测、声波探测、回弹检测等无损检测方法的应用方面,而关于检测中发现的衬砌质量缺陷对结构稳定性影响方面的研究较少。文章依托工程实践,通过地质雷达探测的病害分布信息,采用MIDAS GTS NX有限元数值模拟手段,建立荷载-结构法的二维平面模型,研究不同脱空位置对衬砌结构受力的影响,发现隧道衬砌结构受力对拱腰部位的衬砌脱空最敏感,当脱空尺寸达0.2m(高)×1m(长)时,衬砌结构最大von Mises应力位置发生变化,应力增幅达58%,从而为有效指导工程实践提供了数据支撑。通过探索雷达检测与数值分析相结合的手段在公路隧道衬砌质量检测中的应用,可为类似检测工程提供参考借鉴。     

隧道爆破振动下砌体结构局部动力反应研究

文章依托成渝客专新红岩隧道爆破工程,选取典型实测爆破地震波和典型二层砌体结构,分析了砌体结构的低阶整体模态和高阶局部模态,采用振型位移叠加法理论分析了隧道爆破振动下结构的位移和应力反应特征,研究了不同峰值振速下砌体砖墙的主拉应力分布及变化规律。结果表明:典型二层砌体结构1~5阶为低阶整体模态,固有频率为8.80~24.86 Hz,振型为整体均匀变形;6~20阶为高阶局部密集模态,固有频率为25.96~36.14 Hz,局部变形显著大于整体变形;高频的隧道爆破振动引起的结构位移很小,而局部构件上的内力要比位移大得多,这是因为结构内力计算中的振型幅值向量乘以了振型频率的平方;隧道爆破振动下结构的动力损伤主要由瞬时产生的高应力控制,而不是位移;砖墙的门、窗洞角处及砖墙与混凝土构件接触的应力集中部位和女儿墙、侧墙、中隔墙、阳台等局部构件振动较大的部位受拉应力较大,在隧道爆破振动下容易产生损伤。     

高水位富水隧道衬砌结构设计刍议

文章应用渗流理论建立岩体渗流计算模型,推导了隧道衬砌外缘剩余水头的计算公式,介绍了荷载-结构计算模型、理论解析计算和有限元计算三种抗水压隧道衬砌结构设计方法.     

隧道内爆炸作用衬砌结构的动力响应和损伤机理研究

隧道内爆炸作用可能导致其衬砌结构的破坏和坍塌,造成车辆通行受阻和生命财产损失。为了研究隧道衬砌结构的抗爆性能,应用AUTODYN软件建立了隧道衬砌-岩石-土壤的三维数值模型,并考虑炸药-空气-结构的流固耦合相互作用,以及隧道内爆炸作用对衬砌结构的动力响应和损伤机理进行了数值模拟分析。结果表明:在不同炸药量作用下,超压峰值及冲量以爆心地面投影点为中心,向四周迅速衰减,表现出一定的规律性;离爆心最近的底板首先出现损伤,并向四周扩展,直墙角部由于受到底板竖向变形而引起的拉应力作用,较早地出现损伤,在直墙壁和拱顶产生纵向和环向的裂缝,这些裂缝把整体式隧道衬砌结构分割成大小不等的混凝土块体。     

新隧道爆破开挖对邻近隧道的影响分析

通过建立静力模型模拟既有隧道衬砌的现有受力状态并分析新隧道开挖时引起既有隧道的衬砌应力重分布;然后建立动力模型分析新隧道爆破时应力波在既有隧道二次衬砌中引起的应力状态;将静力模型和动力模型中隧道衬砌的应力进行矢量叠加,评判新隧道爆破开挖对既有隧道的影响。结果表明新建隧道爆破开挖对既有隧道的应力分布有较大影响,使得既有隧道二次衬砌近新隧道侧边墙处拉应力达到1.57MPa,超出混凝土抗拉强度,建议对新隧道施工采取必要的控制措施,从而保证既有隧道的安全。     

外水压力作用下深埋公路隧道衬砌受力特性与安全性研究

随着环保要求的日益提高,针对富水隧道工程提出了"以堵为主、限量排放"的治水理念,因此在设计时应充分考虑山岭富水地段隧道衬砌结构的抗水压能力。文章以春天门隧道为工程实例,采用"荷载-结构"模型对全断面承压情况下的抗水压衬砌结构进行了分析,得到了隧道抗水压衬砌结构的受力特征。结果表明,采用近圆形衬砌结构形式,能够较好地承受外水压荷载;衬砌结构全截面受压,拱脚小半径连接处隧道衬砌结构轴力和弯矩最大,相应的安全系数较小,为结构的最薄弱处。     

外水压力作用下深埋公路隧道衬砌受力特性与安全性研究北大核心CSCD

随着环保要求的日益提高,针对富水隧道工程提出了"以堵为主、限量排放"的治水理念,因此在设计时应充分考虑山岭富水地段隧道衬砌结构的抗水压能力。文章以春天门隧道为工程实例,采用"荷载-结构"模型对全断面承压情况下的抗水压衬砌结构进行了分析,得到了隧道抗水压衬砌结构的受力特征。结果表明,采用近圆形衬砌结构形式,能够较好地承受外水压荷载;衬砌结构全截面受压,拱脚小半径连接处隧道衬砌结构轴力和弯矩最大,相应的安全系数较小,为结构的最薄弱处。