Ⅴ级围岩深埋双线铁路隧道衬砌结构设计影响因素分析

基于地层-结构和荷载-结构理论分别建立了数值计算模型,研究了仰拱矢跨比、侧压力系数、弹性反力系数对隧道开挖稳定性、二次衬砌承载性能的影响规律。结果表明:随着仰拱矢跨比增大,隧道因开挖引起的洞周位移减小,二次衬砌弯矩减小,轴力增大,安全系数增大;增大侧压力系数或弹性反力系数,均可提高二次衬砌结构的安全系数。建议在隧道结构设计中,岩性较好时可采用小矢跨比的仰拱结构,岩性较差时可采用大矢跨比的仰拱结构;为确保结构安全性,同一围岩级别下侧压力系数和弹性反力系数可选择规范中的下限值。     

膨胀性地层铁路隧道衬砌结构及防排水措施优化建议

结合膨胀性地层铁路隧道病害概况以及单、双线铁路隧道断面、防排水设计现状,提出相应的衬砌结构及防排水措施优化建议。衬砌结构的优化建议如下:对单线隧道而言,适当增大其边墙曲率、仰拱矢跨比,提高边墙、仰拱的强度和刚度;对双线隧道而言,适当增大其仰拱矢跨比,提高仰拱的强度和刚度;隧道仰拱处二次衬砌应采用钢筋混凝土,同时在隧道仰拱填充中增设格栅钢架或在隧道仰拱填充顶部增设钢筋。防排水措施的优化建议如下:将设置在仰拱填充内的中心水沟下移至仰拱下方,在仰拱下方设中心水沟或改设为排水渗沟,可将隧道衬砌背后积水均引入仰拱下方的中心水沟排出洞外;而改设的中心渗沟主要用于排出仰拱下方积水。     

基于结构受力模式主动调整的高速铁路双线隧道预制装配式衬砌的设计选型

基于荷载-结构模型分析了不同围岩等级条件下整体衬砌内力特征,调整结构受力模式,从最大弯矩位置开始将衬砌结构分为7部分,分析了不同围岩等级及接头刚度条件下预制装配式衬砌结构的受力与变形特征。结果表明:与整体衬砌相比,各围岩等级下预制装配式衬砌的最大轴力和最大位移均不同程度增大,最大弯矩均不同程度减小,使隧道结构更加稳定;随着衬砌接头刚度逐渐增大,衬砌结构最大轴力和最大位移逐渐减小,最大弯矩先减小后增大;相对于整体衬砌,接头刚度小于45 MN·m/rad时预制装配式衬砌边墙、拱脚和仰拱安全系数略有下降,拱顶和拱肩安全系数大幅增加,因此接头刚度不宜大于45 MN·m/rad。     

海底隧道衬砌结构受力特点及断面形状优化

针对青岛胶州湾海底隧道工程,选取设计参数不同的8个衬砌结构断面,基于荷载-结构模型,采用ANSYS有限元程序,分析衬砌结构受力特点.结果表明:衬砌结构仰拱半径不宜过大,减小仰拱半径可以有效减小衬砌结构仰拱、拱脚处的弯矩;衬砌结构拱脚半径不宜过小,增大拱脚半径虽可以有效减小衬砌结构拱脚、拱底处的弯矩,但同时会增加拱顶的弯矩;衬砌结构拱顶半径不宜过大,增大拱顶半径可以减小衬砌结构仰拱、拱脚处的弯矩,但将增大拱顶、拱肩处的弯矩.基于上述研究结果,根据相关规范设计要求,以各衬砌结构断面各单元最小安全系数最大化为目标函数,对青岛胶州湾海底隧道位于海域段V级围岩段衬砌结构断面形状进行优化,优化得到的衬砌结构断面,各处内力值(弯矩、轴力)更加均匀,安全系数离散性小,便于衬砌结构配筋设计.     

膨胀性泥岩铁路隧道变形机理与仰拱底鼓控制技术研究

为揭示膨胀性泥岩铁路隧道仰拱底鼓变形机理并提出对应控制措施,以西(宁)至成(都)铁路膨胀性泥岩隧道为背景,采用室内试验、数值模拟、案例调研等方法开展研究。结果发现：膨胀性泥岩在浸水后物理力学参数明显降低,随着浸水时间增加,降低速率逐渐减小,其膨胀系数为4.8%;FLAC^3D中的应变软化模型通过湿度应力场与温度应力场的转化能较好模拟膨胀性泥岩浸水后的参数衰减效应,当初始含水率分别为5%、15%、25%时,膨胀力试验结果分别为37.84,123.90,189.06kPa;随着水位上升,隧周孔隙水压力逐渐增大,当地下水位分别为Z=-5 m、Z=0 m、Z=5 m、Z=10 m、Z=15 m、Z=30 m时,隧周最大孔隙水压力分别为0,100,125,200,250,350 kPa,仰拱底部随软化系数的增加由沉降逐渐变为隆起,隧底围岩软化及上部挤压造成的剪切破坏是仰拱底鼓的最大诱因;随着仰拱矢跨比增加,二次衬砌弯矩减小,拱底和墙脚位置二次衬砌弯矩减小值较大,因此仰拱底部受力得到优化;适当提高仰拱矢跨比,采用全环钢架+钢筋混凝土衬砌、加强基底排水、采用基底换填或管桩加固等措...     

大断面砂质黄土隧道二次衬砌受力特征

通过现场监测和数值模拟,研究了中兰客运专线盘岘山大断面黄土隧道二次衬砌的受力特征。结果表明：接触压力、钢筋轴力、混凝土应力随时间变化大致可分为施工扰动阶段、变化阶段和稳定阶段,仰拱受力波动幅度较拱墙大,达到稳定的时间更长;接触压力沿洞周不均匀分布,边墙以上呈双耳状分布,仰拱处呈哑铃形分布,且仰拱整体接触压力大于边墙以上部分;理论与实测荷载作用下二次衬砌内力与分布规律差异显著。安全系数最小值在理论荷载作用下位于拱顶和左右拱肩,在实测荷载作用下位于仰拱与边墙交界处。实测结果表明基于松动压力的理论荷载不能表征砂质黄土地层二次衬砌结构的实际受力特征。     

不同工况下横通道开挖对隧道结构影响分析

基于FLAC 3D软件建立摩擦土层及黏性土层等多种工况下的三维数值模型。从主线隧道中心线上方土体位移、地表沉降及主线隧道衬砌内力等方面,研究分析了横通道开挖对隧道结构的影响作用。主要研究结论为:(1)在不同的隧道间距、隧道埋深及地质条件下,横通道开挖对主线隧道上方位移、地表沉降及隧道衬砌受力分布的影响也不尽相同;(2)随着横通道向前掘进,横通道中心线上方垂向位移及地表沉降呈现逐步增加趋势,对横通道中心线上方的影响更为显著;(3)随着横通道的开挖,先行隧道拱顶处的衬砌弯矩、边墙处的衬砌轴力呈增加趋势,后行隧道拱顶、边墙处的衬砌弯矩以及边墙处的衬砌轴力在横通道开挖结束的几个计算步时均呈增加趋势。     

邻近建筑物对盾构隧道衬砌内力影响分析

依托南昌地铁1号线侧穿某建筑物,利用ABAQUS有限元软件三维建模,分析盾构隧道与建筑物不同间距及隧道不同埋深情况下,建筑物对隧道衬砌内力的影响。结果表明,隧道与建筑物不同间距及隧道埋深不同情况下,衬砌弯矩均在衬砌环向30°和120°及其径向相对点弯矩增长率最大,而衬砌环向60°和150°及其径向相对点呈现负增长率。随间距增大,衬砌弯矩及轴力增长率均逐渐减小,当水平间距达到3.0D时衬砌弯矩及轴力增长率基本趋于0;随埋深增大,衬砌弯矩及轴力增长率均逐渐减小,当埋深达到3.0D时衬砌轴力增长率小于5%。     

富水岩溶隧道隧底排水适应性研究与应用

以武九客运专线（武汉—九江）石马寨富水岩溶隧道为工程依托，通过数值模拟分析了仰拱下设置中心排水沟、仰拱填充层内设置中心排水沟两种排水方式下地下水渗流场、衬砌水压力分布规律和隧道结构受力特征。结果表明：仰拱下设置中心排水沟时因排水沟与排水孔共同排水，可明显减小隧底围岩孔隙水压力，仰拱承担的水压力较小，在高压富水条件下可有效降低仰拱隆起、翻浆冒泥等风险；与仰拱填充层内设置中心排水沟相比，仰拱下设置中心排水沟时仰拱中心处弯矩显著减小，边墙、仰拱部位安全系数明显增大，仰拱填充层与仰拱协同受力，隧底结构整体性增强。现场应用结果表明，仰拱下设置中心排水沟虽工序稍复杂，但防排水效果好，可在富水岩溶隧道中推广应用。     

高速铁路隧道列车振动响应影响因素分析

运用有限差分法,建立了隧道-围岩相互作用的动力计算模型,分析围岩条件、列车运行速度、隧道底部结构设计参数以及基底状况对列车振动荷载作用下隧道结构动力响应的影响.结果表明:隧道衬砌结构动力响应随着围岩级别的提高、行车速度的增加和基底软弱层厚度的增加而增大,随着仰拱厚度、填充层厚度和仰拱矢跨比的减小而增大.隧道底部结构厚度...     

暗挖拱盖法地铁车站拱部结构矢跨比影响分析

为研究暗挖拱盖法施工时拱部矢跨比对车站结构的影响，以青岛某地铁车站工程为例，基于有限元分析软件MIDAS GTS,对比分析站台宽度为11 m和13 m两种车站结构下，不同矢跨比对其结构受力与变形的影响。研究结果表明：当矢跨比从0.16增大至0.24时拱部施工阶段拱顶弯矩最大，弯矩先减小后增大，整体结构施工时拱部与直墙交界处弯矩最大；两种跨度的车站弯矩分别减少了42.1%和44.6%;轴力随矢跨比的增大而减小，矢跨比对拱部施工阶段的影响较大；矢跨比对结构变形的影响非常明显，拱顶沉降、拱肩沉降与拱脚净空收敛均减少了1/3左右。在考虑整体结构施工与车站结构合理跨高时，拱部矢跨比越大，结构越合理。     

基于结构受力模式主动调整的高速铁路单线隧道预制拼装衬砌设计选型研究

基于荷载-结构模型分析了不同等级围岩条件下350 km/h单线隧道断面整体衬砌内力特征.在此基础上,通过主动调整结构受力,在整体衬砌对应的弯矩极大值处将衬砌结构分为7部分进行预制,分析了不同围岩等级下接头刚度对预制装配式衬砌受力与变形的影响.结果表明:相对于整体衬砌,Ⅲ,Ⅳ,V级围岩条件下预制装配式衬砌最大轴力分别增加5.6%,6.5%,7.3%,最大弯矩分别减少39.9%,43.0%,54.6%,最大横向位移分别增加22.4%,36.4%,64.7%,最大竖向位移分别增加41.8%,44.6%,52.5%;边墙、拱脚和仰拱安全系数略有下降,拱顶和拱肩安全系数大幅增加,接头刚度不宜大于45 MN·m/rad.     

城市铁路明挖隧道装配式衬砌接头性能研究

城市铁路明挖隧道装配式衬砌纵向接头是隧道结构的薄弱部位。采用数值模拟方法研究在弯矩和轴力作用下新型明挖隧道装配式衬砌纵向接头的受力变形规律。结果表明:在轴力和弯矩共同作用下纵向接头受拉侧张开,其破坏以螺栓屈服断裂或受压侧混凝土剥落为标志;随着纵向接头所受轴力的增加,纵向接头能够承受的弯矩逐渐增大;轴力相同纵向接头破坏时所承受的负弯矩比正弯矩大。     

铁路大跨度连续梁拱组合桥结构参数研究

为了解结构设计参数对铁路大跨度连续梁-拱组合桥受力特性的影响,进而对今后同类桥梁设计提供引导作用,以兰渝线广元嘉陵江特大桥为工程背景,研究矢跨比、拱轴线形状、拱梁刚度比这3个设计参数对桥梁结构力学特性的影响。分析结果表明:矢跨比对拱肋轴力和拱脚、主梁中跨弯矩影响显著,取值在1/4~1/5时较为合理;1.6次抛物线、2.4次抛物线及圆弧线作为拱轴线时,拱脚截面弯矩过大,2次抛物线或悬链线作为此类桥型的拱轴线较为合理;拱梁刚度比对结构轴力影响较小,对拱肋弯矩影响较大,随拱梁刚度比的增大,拱肋分担的弯矩显著提高。     

引水工程隧洞施工对既有铁路隧道安全影响评估

以福建省北水南调竹岐—大樟溪引水工程可溪段隧洞对向莆铁路道德山隧道安全影响为例,建立引水隧洞与铁路隧道相对位置的三维数值模型,考虑引水隧洞施工过程,分析铁路隧道轨道板的水平位移、竖向位移特征以及隧道二次衬砌结构位移、轴力、弯矩和安全系数特征。     

深埋隧道复合式衬砌内力和位移的荷载结构法

研究目的:研究任意形状的深埋隧道复合式衬砌的内力和位移具有重要理论意义和工程应用价值。本文首先通过弹性力学理论,导出轴对称荷载作用下,圆形隧道复合式衬砌的轴力和位移的解析解,并与数值解进行比较,确定初支、二衬间相互作用的杆单元弹性模量的合理取值;之后分析了Ⅳ级围岩中非圆形隧道复合式衬砌的轴力、弯矩和位移,围岩对初支、初支与二衬间的约束作用均采用杆单元模拟,其弹性模量分别取地层和初支的弹性模量;最后讨论了侧压系数对非圆形隧道复合式衬砌力学性能的影响。研究结论:(1)轴对称荷载作用下,圆形隧道初支和二衬的轴力和位移的解析解与数值解的误差不到5%,确定了使用杆单元模拟非圆形隧道初支和二衬间相互作用时,其弹性模量可以采用初支或二衬的弹性模量;(2)非圆形隧道二衬的轴力和弯矩均比相应位置处初支的大,初支和二衬分别在拱腰和拱底取得轴力最大值,均在拱脚取得弯矩最大值,均在拱底取得竖向位移最大值;(3)对于侧压系数在0.1到0.3范围内的Ⅳ级围岩,侧压系数的改变对非圆形隧道二衬最大的轴力、弯矩和位移的影响都比较小;(4)本研究结果可应用于隧道、竖井、管桩等工程结构。     

基于围岩流变性的曾家坡软岩隧道稳定性分析

软岩隧道建成后的长期稳定性受岩体流变性的影响。结合现场监测数据,采用有限差分软件FLAC 3D分析了曾家坡隧道的长期稳定性及其变形控制要点。分析结果表明:曾家坡隧道开挖施工过程中岩体流变范围约为隧道开挖半径的3倍;隧道拱顶、仰拱以及边墙的变形和受力均在隧道建成5年后逐渐趋于稳定;隧道建成后5年内应加强边墙处衬砌应力和变形的监测,5年以后应重点监测隧道拱顶和仰拱尤其是拱顶的应力和变形。     

变量相关性对隧道二次衬砌可靠指标的影响

以新八达岭隧道工程为依托,采用蒙特·卡罗（Monte Carlo）随机有限元抽样计算方法获取衬砌设计变量统计特征,结合数据表法研究轴力与弯矩等随机变量相关性对衬砌截面可靠指标的影响。结果表明：隧道衬砌设计表达式中,轴力与弯矩之间相关性较强,其余随机变量之间存在弱相关性;当轴力与弯矩之间呈现正相关时,考虑变量相关性因素的衬砌截面可靠指标计算结果偏小,而呈现负相关时,计算结果偏大;变量相关性对衬砌拱部截面可靠指标影响较大,对于素混凝土衬砌,考虑相关性后可靠指标计算值减小67.0%;对于钢筋混凝土衬砌,考虑相关性后可靠指标计算值增大51.9%;变量相关性对衬砌除拱部以外截面可靠指标影响较小,考虑变量相关性与否对其可靠指标计算结果无显著影响。     

基于等效周长法研究隧道衬砌水压力荷载及内力

为研究方形隧道断面衬砌水压力及内力,利用等效周长替代法,将方形隧道断面转变成圆形隧道断面,并运用轴对称解析法与有限差分FLAC3D分别计算在不同衬砌渗透系数、不同注浆半径和不同衬砌厚度情况下,隧道衬砌水压力、渗透量、内力、偏心距以及安全系数。结果表明:轴对称解析法的渗透量和水压力与有限差分数值计算法的很接近;在不透水情况下,水压力不进行折减;通过控制排水、减小衬砌渗透系数、适当增大围岩注浆或适当增大衬砌厚度可以调节衬砌水压力、偏心距与安全系数;衬砌厚度对边角处安全系数影响大;以设计水荷载为正算,施工监测水压力为反算,在施工过程中,检验并修正水荷载。     

盾构隧道施工对短桩基-框架结构的影响

以成都地铁1号线盾构隧道近距离穿越某短桩基-框架结构为背景,采用Mohr-Coulomb弹塑性屈服准则,建立有限元数值模型,研究盾构穿越施工对桩基和框架结构的影响.研究结果表明:采用荷载转移措施可减小隧道上方的荷载和结构变形,有效保护建筑结构;盾构掘进对框架结构的边跨梁影响较大、对中跨梁影响较小,梁的最大正弯矩在二层右边跨梁的跨中,最大负弯矩在二层右边跨梁的右端头位置,柱的最大正弯矩在隧道右侧最远处的柱与二层右边跨梁刚接的位置;盾构从桩端下方穿越使隧道正上方及两侧的3根桩的轴力减小,两侧桩体下部向隧道方向产生挠曲变形,正上方桩体发生整体位移;距隧道较远处的桩发生刚性倾斜,桩轴力增大.监测数据表明,盾构穿越施工对桩基影响较小,荷载转移措施达到预期效果.