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。     

水压力作用下隧道底部结构裂损机理及其防治

研究目的:近年来,水压力作用下隧道底部结构裂损病害时有出现,严重影响隧道运营安全。本文以水压力作用下某仰拱填充结构开裂病害隧道为例,采用数值模拟和现场实测的方法,研究案例隧道仰拱填充结构开裂机理,并提出该类隧道病害的整治措施。研究结论:(1)水压力作用下,仰拱填充结构裂缝上宽下窄,呈"V"字型,仰拱填充面出现中间上抬、两侧下沉现象,裂缝主要出现在仰拱填充面隧道中心线附近,沿隧道中心线分布,在边墙附近未见裂缝;(2)该隧道仰拱水压力最大值,数值计算和现场测试结果分别为0.213 MPa、0.2 MPa;(3)若只考虑围岩压力,不会导致仰拱填充结构出现裂缝;若考虑围岩压力与水压力共同作用,最大主应力极值出现在填充结构上部靠近隧道轴线位置,为拉应力,且最大主应力极值会大于素混凝土的极限抗拉强度,会产生拉裂缝;(4)在既有隧道仰拱水压力较大段落,可采取在仰拱及填充结构中配筋、刚性袖阀管注浆加固基底,并对隧底地下水进行排导的综合整治措施;(5)该案例隧道仰拱填充结构开裂病害经整治后,由近几年的情况来看,本文提出的整治措施效果良好,可供类似的病害隧道整治参考。     

铁路双线隧道Ⅲ级围岩段全断面(含仰拱)开挖法应用研究

怀化—邵阳—衡阳铁路黄岩隧道采用机械化配套设备施工,在Ⅲ级围岩段落采用全断面(含仰拱)开挖法。本文对全断面(含仰拱)开挖法的技术特点进行了总结。基于ANSYS优化反分析,考虑空间效应修正实测数据,对黄岩隧道砂质板岩的蠕变参数进行反演分析,得到时变本构方程。采用有限元软件ABAQUS建立二维数值计算模型,对采用全断面(含仰拱)开挖法施工的Ⅲ级围岩段的位移和应力进行计算分析。结果表明,采用全断面(含仰拱)开挖法能够保证Ⅲ级围岩段的稳定。     

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。     

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。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，为隧道仰拱设置中综合考虑动静力影响提供一定的参考。     

铁路隧道底鼓段围岩蠕变参数反演方法研究

研究目的:某铁路隧道底部粉砂质泥岩蠕变导致仰拱结构持续底鼓,致使列车降速行驶,对铁路运行造成安全隐患.为较准确获取仰拱底鼓区粉砂质泥岩的蠕变参数,本文基于某隧道仰拱5年多的底鼓变形实际监测数据,建立室内岩石剪切蠕变试验与深度学习(GRNN)相融合的岩体蠕变参数确定方法,并对隧道仰拱蠕变变形进行长期预测. 研究结论:(1...     

基坑开挖引起复合地基下卧双线地铁隧道附加荷载的计算研究

为研究基坑开挖时复合地基及竖向、横向"双洞效应"对下卧双线地铁隧道竖向、横向附加荷载的影响,基于Mindlin应力解,得到在复合地基侧摩阻力作用下隧道轴线上的竖向、横向附加荷载,通过迭代法计算得到"双洞效应"引起隧道轴线上的竖向、横向附加荷载,借助竖向、横向总附加荷载引起的隧道位移对比验证,并分析隧道位置改变对侧摩阻力和"双洞效应"引起隧道竖向、横向附加荷载的影响。研究结果表明:侧摩阻力和"双洞效应"对隧道竖向、横向附加荷载的影响是不可忽略的,其影响主要表现为减小隧道的竖向、横向总附加荷载,且影响范围不变;在施工条件和规范容许范围内,应尽量减小双线隧道之间的距离,以及增大隧道与基坑中点的距离;当需要严谨精确地计算小净距地铁隧道"双洞效应"引起的附加荷载时,必须选用迭代法计算。     

考虑围岩蠕变特性的TBM隧道管片衬砌受力特性研究

为研究深部高地应力岩层中修建TBM隧道时管片衬砌结构的力学行为,以某深埋TBM工法隧道为研究对象,建立基于围岩蠕变和管片分块效应的衬砌-围岩复合模型,研究考虑时间效应下管片衬砌的受力特性。结果表明:考虑围岩蠕变效应下管片衬砌受力表现出明显的时间效应。随着围岩蠕变时间的延长,管片衬砌的形变、内力和接缝张开量均呈现两阶段增长,具体表现为前期呈线性增长,后期增加趋缓。洞周围岩应力经历三阶段变化,即先减小后增大直至稳定。围岩蠕变时间为100年时,管片衬砌的内力和形变量均接近极限值。研究结果可为深部高地应力且考虑围岩蠕变效应下的TBM隧道衬砌结构设计提供参考。     

地面堆载引起的邻近地铁隧道变形分析

为研究地面堆载引起的地铁隧道变形,首先采用Boussinesq基本解计算地面堆载作用在隧道上的竖向附加应力,再将隧道简化为搁置在利夫金地基上的Timoshenko长梁,考虑土介质的连续性和隧道剪切效应,给出地面堆载引起的邻近地铁隧道变形的计算公式,然后将公式计算值与使用EulerBernoulli梁模型计算结果和工程实测数据进行对比,最后对隧道变形影响因素进行了分析。结果表明:使用Euler-Bernoulli梁模型计算明显高估了隧道沉降量和内力,本文计算方法结果更精确;相对于堆载宽度,堆载长度的变化对隧道变形的影响更显著;距地面堆载中心的水平距离较小时浅埋地铁隧道沉降较大;隧道沉降量随地面堆载密度增大而逐渐增大,但堆载对隧道的影响范围不受其影响。     

层状围岩隧道变形控制技术探讨与实践

根据兰渝铁路薄层板岩隧道的工程实践,在分析层状围岩大变形机理的基础上,研究采用微台阶仰拱快速施工法、单工序作业仰拱快速封闭法等控制围岩变形。分析表明,减小围岩变形总量主要有降低变形速率和快速封闭仰拱以缩短变形时间两种途径。微台阶仰拱快速施工法,下台阶与仰拱同步推进,缩短了初期支护封闭成环时间进而减小围岩变形持续发展。单工序作业仰拱快速封闭法采用边墙长锚杆降低围岩变形速率,采用铣挖机减小爆破对周边围岩和初支段的扰动,围岩变形控制效果好。     

膨胀岩地层双线隧道仰拱矢跨比对二次衬砌力学特性的影响

膨胀岩水敏感性强,遇水膨胀变形,而传统的隧道排水系统不能给仰拱下方地下水提供通畅的排出通道。基于荷载-结构设计理念,采用有限元软件构建二维数值计算模型,分析了不同仰拱矢跨比下隧道二次衬砌弯矩、轴力及安全系数的变化规律。结果表明:仰拱矢跨比对仰拱和边墙二次衬砌力学特性影响大,对拱部影响小;随着仰拱矢跨比的增大,仰拱、边墙处二次衬砌弯矩减小,仰拱处二次衬砌轴力增大,墙脚处二次衬砌轴力减小,仰拱、边墙处二次衬砌安全系数均增大;仰拱矢跨比为1/11.87时墙脚处安全系数小于2,不满足规范要求,因此膨胀岩地层隧道设计应适当提高仰拱矢跨比。     

隧道仰拱组合结构的现场试验研究

在复杂地质条件下长大隧道施工过程中,为了控制隧道围岩的过大变形及加快隧道施工进度,需要将仰拱及时封闭.通过对仰拱采用钢筋混凝土预制板和干硬性混凝土组成的组合结构的现场试验研究,把仰拱上的荷载通过预制板间接传递给铺底干硬性混凝土,并充分利用干硬性混凝土强度增长快、受力后变形较小的特点,使仰拱组合结构在隧道掘进的两次出砟间隙时间内达到能通行汽车的要求.对组合结构承受不同荷载时钢筋混凝土板顶面的沉降变形及钢筋混凝土预制板和铺底混凝土之间的接触压力进行现场量测,并用有限元计算方法对试验结果进行分析验证.结果表明,由本文设计的隧道仰拱组合结构,能够增强隧道的施工安全和加快施工进度.     

含空洞地层隧道动力响应解析解

为探究地震荷载作用下地层空洞对隧道地震动力响应影响规律,建立含空洞地层隧道理论计算模型。以工程波动理论为基础,采用波函数展开法和Fourier-Bessel级数变换,给出平面SV波入射下含空洞地层隧道动力响应的位移解析解。采用MIDAS/GTS有限元软件建立三维数值模型,通过对比分析解析解与数值解计算结果,验证该解析解的合理性,且具有较高的精度。应用该解析解计算方法,依据正交试验设计理论,考虑隧道埋深、空洞与隧道中心距、空洞半径和地震波入射角共4种影响因素,采用极差分析和方差分析方法,得到各因素对隧道位移影响的敏感性。研究结果表明：相同工况下解析解以及数值解得到的位移时程曲线变化规律基本相似,解析解位移幅值峰值与数值解位移幅值峰值相差9%左右;地震波入射角对隧道竖向位移起控制作用,为显著性影响因素;增加隧道埋深和减小空洞与隧道中心之间距离会导致隧道拱顶位移值增大;在动力荷载作用下,当空洞直径达到0.3倍的隧道跨度时,空洞能够对隧道起到减震消能作用。     

重载铁路隧道基底脱空条件下服役状态影响研究

隧道基底在重载列车动力荷载的长期循环作用下,将不可避免地出现累积损伤、疲劳破坏以及基底围岩脱空等现象。为了揭示重载铁路隧道基底脱空对仰拱结构的影响,采用数值模拟方法建立动载-隧道-围岩三维数值动力学模型,探明不同基底脱空状态下重载铁路隧道过车时基底结构的动力响应特征,并基于弯拉状态下的混凝土S-N曲线得到不同脱空状态下仰拱结构的疲劳寿命。研究结果表明：列车通过隧道时仰拱结构不同部位的各响应时程曲线呈现出波动起伏的峰谷交替现象,反映了重载列车车轮滚动通过的循环加载-卸载效应。基底脱空将使得过车时隧道仰拱的竖向沉降量以及最大主应力均有不同程度的增加,对隧道运营产生不利影响。基底结构受脱空宽度的影响较大,而受脱空深度的影响并不显著,在相同脱空深度下,仰拱的竖向沉降幅值随着脱空宽度的增加变化十分明显。基底脱空宽度对重载铁路隧道结构服役状态及运营寿命影响显著,为满足隧道运营的设计使用年限要求,V级围岩条件下隧道基底脱空宽度不能超过2 m,超限则必须及时进行整治,限制脱空的发展。同时在隧道建设过程中,若隧道基底围岩级别弱于IV级,应采取有效措施进行加固。     

顶部隐伏充水溶洞隧道施工阶段围岩稳定性分析

结合某岩溶隧道施工过程,利用有限差分软件对顶部存在水压充填溶洞的某隧道围岩稳定性进行数值模拟研究,并将数值计算结果与现场监测结果进行比较分析。结果表明：围岩塑性区主要集中在隧道拱顶、仰拱底、拱腰和溶洞顶部处,溶洞顶部与隧道底部的塑性区有相互连通的趋势。随着隧道接近并通过充水溶洞,拱顶和墙脚两处围岩最大主应力先减小后增大,拱肩处一直增大,拱腰和仰拱底处先增大后减小,主应力最大值位于拱肩区域,其值约为3.0 MPa。     

重载铁路隧道仰拱施工关键技术应用——以中条山隧道为例

为解决软岩隧道仰拱采用传统台阶法施工易出现的初期支护封闭不及时变形大,仰拱二衬采用传统栈桥施工存在的质量缺陷多、安全性差的问题,依托浩吉铁路中条山隧道对仰拱施工技术进行了研究和创新,提出仰拱和下台阶一次开挖技术和仰拱二衬大区段技术。同时针对高地应力、第三系泥岩地层及富水地段等不良地质仰拱施工技术进行了研究和优化。研究结果表明:仰拱和下台阶一次开挖快速封闭成环技术在变形控制、安全性、工效均比传统台阶法好;仰拱二衬采用24m大区段技术在仰拱整体质量,安全性均比传统栈桥施工要好;高地应力段采取早封闭、强支护等措施有效解决了变形较大的问题。第三系泥岩地层采用碎石换填并注浆加固解决了仰拱承载力不足和基底通水问题。富水地段增设独立排水系统解决了地下水对仰拱的侵蚀,降低了地下水对仰拱的作用力。通过浩吉铁路全线多条隧道的应用以及一年多的铁路运营检验证明了仰拱系列施工技术的安全性和适用性,对软岩隧道仰拱施工具有较高的应用价值。     

达成高速铁路岩溶隧道围岩稳定性分析

结合达(州)成(都)高速铁路某岩溶隧道工程,建立岩溶隧道三维实体模型,利用三维快速拉格朗日法FLAC3D对隧道底部含有溶洞的围岩稳定性进行数值模拟研究,并将数值计算结果与现场监测结果进行比较分析.研究结果表明随着隧道施工接近并通过溶洞顶部,隧道拱顶处围岩向下变形,其值不断增大,拱腰处围岩沿隧道径向收敛,其值变化较小;仰拱处围岩最初向上变形,在隧道施工到溶洞顶部时变为向下变形,且其下沉值不断增大;围岩塑性区主要集中在隧道拱顶、仰拱底、拱腰和溶洞顶部处,溶洞顶部与隧道底部的塑性区有相互连通的趋势;隧道拱顶左右各约45°的范围、隧道底部以及溶洞周围的部位为应力释放区,拱腰处为应力增高区.     

地铁荷载作用下叠交隧道长期沉降的半解析法

将软土中隧道结构的长期沉降分为三部分:一是隧道底部土体蠕变变形引起的沉降;二是交通荷载长期循环作用引起土体累积变形产生的沉降;三是交通荷载引起土体累积孔压的消散产生的再固结变形导致的沉降。采用Mesri蠕变模型,可考虑土应力历史循环累积变形和累积孔压模型,并通过三维有限元数值模拟,获得相应模型中的应力计算参数,同时利用软土三轴试验研究结果获得相应模型的试验常数,运用分层总和法计算隧道沉降,提出一套叠交隧道长期沉降的预测方法,并对上海西藏南路隧道与地铁8号线叠交段长期沉降进行计算预测,计算结果接近于地铁实测长期沉降规律。     

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。     

装配式隧道仰拱拼装技术研究及装备研制

装配化施工是建筑行业的重要发展方向,本文以高速铁路隧道为研究对象,对装配式仰拱施工工艺进行研究。结合钻爆法隧道施工工艺,分析仰拱拼装对掌子面掘进的影响,提出仰拱拼装工艺及配套装备总体方案。针对施工过程中对施工质量、施工效率有重大影响的环节和因素,提出不同的解决方案与工艺措施。根据施工工艺,以满足各种施工工况为目的,考虑与现有施工装备的配合,完成仰拱拼装装备的研制。试验结果表明,该设备实现了仰拱拼装所需各项功能,能够快速有效地实现钻爆法隧道装配式仰拱拼装施工,对于隧道仰拱的装配化施工具有重要意义。