基于流固耦合的高水压隧道支护结构研究

高水压是山岭隧道建设的重要难题之一,抗水压衬砌是隧道穿越这些区段的常用措施,其衬砌结构断面厚度远大于标准断面。衬砌厚度过大施工相对不便,施工质量不能保证,且不能及时分担水压。针对广西某隧道高水压段,采用双层初期支护和二次衬砌组成的支护结构承受高水压,减小二次衬砌厚度。为了分析双层初期支护的效果与获得基于双层初期支护的支护结构参数,利用有限差分法研究了不同防渗等级的单层与双层初期支护、不同注浆范围及不同二次衬砌厚度对围岩的变形影响和对支护结构的力学状态影响。结果表明:在相同支护体系中,喷射混凝土的不同防渗等级对围岩变形、支护应力影响不大;初期支护的防渗等级相同时,相比于单层初期支护,双层初期支护体系使围岩变形、喷射混凝土应力、二次衬砌的轴力与弯矩均减小40%以上;当拱顶以上水头为90 m且采用防渗等级为P8的双层初期支护时,径向注浆能够有效减小支护应力。当径向注浆范围超过4 m后,注浆对减小支护结构受力的效果不明显;采用双层初期支护体系,注浆范围为4 m时,二次衬砌的厚度设计为40 cm就能保障支护结构处于安全状态;径向注浆条件下,采用双层初期支护+二次衬砌的支护体系能够有效保障隧道高水压段的安全。     

高速公路软岩隧道复合支护机理的FLAC解析

结合软弱围岩隧道工程地质和支护设计特点 ,应用有限差分方法 ( FLAC)模拟研究了软岩隧道受力变形特征和围岩收敛曲线 ,并分析了复合支护结构中一次支护和二次支护结构的作用机理及作用效果。研究结果表明 ,软岩隧道开挖和一次支护后围岩支护压力随拱顶位移增加而连续减小 ,预测的最大位移均发生在隧道拱顶。但是 ,在同样支护压力下 ,考虑软岩流变特征的收敛曲线的拱顶位移要大得多 ,必须及时设置二次支护。另外二次支护结构还将起到承受流变压力的作用     

不对称连拱隧道施工工序优化数值模拟分析

为了研究不对称连拱隧道的施工与受力情况,以兰海高速孟家磨不对称连拱隧道为工程背景,通过对隧道施工过程进行数值模拟,以及对两种不同施工工序下围岩和支护结构的受力及变形情况进行对比分析,结果表明,先施工小断面隧道时的拱顶沉降、初期支护应力、中墙水平位移及应力、二次衬砌的应力基本都小于先施工大断面隧道时产生的位移及应力值,并且大断面隧道一侧的中隔墙与拱脚相接处的压应力比较大,先施工小断面隧道较为安全可靠,可为今后类似工程设计及施工提供参考和借鉴。     

不同群桩设计参数下桩基荷载的简化分析

通过对隧道群桩-衬砌支护联合承载体系和无地基改良下关键部位的受力及变形进行对比,经分析后提出隧底群桩荷载简化模型。研究结果表明:群桩-衬砌支护联合承载体系下结构竖向位移明显减小,其中拱顶和仰拱的竖向位移得到明显控制,且在隧道纵向中部位置的竖向应力有明显减小,整体受力更趋于均匀。所以,群桩-衬砌支护联合承载体系对改善隧道基底深厚软弱地层下的沉降和洞室关键部位应力有显著作用,同时,给出不同关键设计参数(桩长、桩径、桩间距)下隧底群桩荷载简化模型分布函数,可利用该分布函数进行桩顶荷载估算。     

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。     

大断面隧道双侧壁导坑法数值建模及力学特性分析

依托广西百色达康隧道实际工程,简化隧道施工模型,通过FLAC 3D数值模拟软件构建了隧道施工动态三维模型,模拟了大断面隧道采用双侧壁导坑法施工流程,得到在不同施工步骤时隧道围岩应力、变形,以及隧道衬砌的轴力、弯矩变化情况,探究动态施工过程中围岩变形规律和支护结构受力变化规律,并且分析了隧道向前掘进时距掌子面不同距离的断面拱顶、拱底的变形量,分析了其变化规律,对双侧壁导坑法施工时超前支护与施工量测具有参考作用。数值分析结果表明,隧道开挖过程中隧道拱顶底达到竖直位移极值,左、右拱腰处产生水平位移极值;隧道开挖对前方围岩影响范围大约为隧道跨度;隧道衬砌轴力与弯矩最大值均出现在左侧导洞初期支护中期支护中部偏上,二衬拱脚两侧和隧道洞室顶部和仰拱处,所受内力较大。     

大断面上新统红色泥岩（NCr2）隧道支护受力特征研究

甘肃庆阳新近纪上新统红层由于特殊的成因,其工程力学特性与南方红黏土有较大差别。为系统研究穿越该地层大断面隧道支护结构的受力特征,以银西高铁庆阳隧道为研究对象,通过现场实测和有限元模拟获得衬砌结构内力、围岩压力、5~10 m围岩深部位移、支护收敛变形的时空分布特性,对现场监测结果体现的衬砌-围岩复合结构受力状态产生的原因进行分析,并利用ABAQUS软件模拟隧道开挖过程以对比验证衬砌结构受力规律,得出该地层隧道地应力、围岩压力、衬砌结构内力特征。研究结果表明： 1）围岩各项指标属于极硬土-极软岩临界范畴。2）该地层衬砌结构围岩质量较好,水平地应力为垂直地应力的2倍,可优化为Ⅲ-Ⅳ级围岩进行设计的同时增大侧压力系数。3）未闭合的初期支护不能有效限制围岩变形,可通过设置临时仰拱等措施改善受力状态;数值模拟结果与现场实测规律相符。4）该地层变形剧烈区为洞周开挖界限向围岩内1倍洞径范围,变形区域主要集中在拱顶;延迟开挖仰拱可有效减少仰拱内衬砌结构受力。     

高地震烈度下超大直径海底盾构隧道地震响应分析

运用FLAC3D软件采用动力有限元法对高地震烈度下超大直径海底隧道地震响应进行分析。通过分析得出如下结论:①与单纯自重应力场作用下相比,地震作用会造成结构内力增大,拱顶及拱腰为其受力薄弱部位;②在重力及地震共同作用下,衬砌结构的拉应力主要出现在拱顶附近,最大拉应力超过C60混凝土的抗拉强度设计值,拱顶的衬砌管片可能出现局部脱落;③衬砌结构的最大受力和位移一般发生在地震2-6 s的时间段;④各关键点位置的位移、弯矩、剪力、轴力时程曲线具有相似的变化规律;⑤隧道衬砌最大水平位移为3.6 cm,最大竖向位移为3.7 cm。     

大断面上新统红色泥岩(N_2~(Cr))隧道支护受力特征研究

甘肃庆阳新近纪上新统红层由于特殊的成因,其工程力学特性与南方红黏土有较大差别。为系统研究穿越该地层大断面隧道支护结构的受力特征,以银西高铁庆阳隧道为研究对象,通过现场实测和有限元模拟获得衬砌结构内力、围岩压力、5～10 m围岩深部位移、支护收敛变形的时空分布特性,对现场监测结果体现的衬砌-围岩复合结构受力状态产生的原因进行分析,并利用ABAQUS软件模拟隧道开挖过程以对比验证衬砌结构受力规律,得出该地层隧道地应力、围岩压力、衬砌结构内力特征。研究结果表明:1)围岩各项指标属于极硬土—极软岩临界范畴。2)该地层衬砌结构围岩质量较好,水平地应力为垂直地应力的2倍,可优化为Ⅲ—Ⅳ级围岩进行设计的同时增大侧压力系数。3)未闭合的初期支护不能有效限制围岩变形,可通过设置临时仰拱等措施改善受力状态;数值模拟结果与现场实测规律相符。4)该地层变形剧烈区为洞周开挖界限向围岩内1倍洞径范围,变形区域主要集中在拱顶;延迟开挖仰拱可有效减少仰拱内衬砌结构受力。     

高地应力深埋层状围岩隧道非对称变形受力机制研究

为深入研究高地应力层状围岩中隧道和支护结构的非对称变形受力特性和机制,以绵茂公路篮家岩隧道为工程背景,采用现场监测和数值模拟相结合的方法,研究不同层理角度和地应力方向下隧道变形、钢拱架应力以及二次衬砌弯矩和轴力的变化规律。结果表明： 1）层状围岩中隧道结构受力的最不利位置常出现在层理面法向方向; 2）隧道的非对称变形机制在于地应力对层理面产生的法向挤压作用和切向滑移作用,当层理面角度缓倾时,隧道拱顶和拱底承受较大挤出变形,当层理面角度陡倾时,地应力方向与层理面夹角越小,隧道衬砌在主应力作用位置产生的滑移变形越大。最后,根据层状围岩隧道变形和衬砌受力特征,提出合理的支护优化措施。     

将军沟隧道支护结构断面形式优化分析

近年来,大量已建运营公路隧道发生漏水等多种形式的恶化现象已经引起了隧道工程界的关注,大量的研究表明,隧道结构的恶化现象在一定程度上是由于作用在隧道衬砌上的力或者是由衬砌混凝土的损坏引起的。因此,在隧道和地下工程的轴线选定以后,通过优化设计,不断地调整隧道和地下工程断面的几何形态,以改善支护结构的受力状态是隧道设计优化的最终目标。针对将军沟隧道工程,选取设计参数不同的4个支护结构断面,采用ANSYS有限元程序,对不同支护结构条件下隧道的受力、变形进行了数值模拟试验。数值模拟试验表明:选定4种支护结构断面形式,初次衬砌和二次衬砌的压应力都非常小;但考虑到拉应力对素混凝土的受力的不利影响,建议采用优化的结构形式,以减小拉应力。同时,考虑到隧道衬砌结构受力的最不利部位出现在隧道拱脚处,建议施工中加强对拱脚的支护,增加锁脚锚杆,以确保施工的安全。     

黄土塬区浅埋大断面隧道施工变形分析与控制技术

针对黄土塬区浅埋大断面隧道开挖过程中，地表水沿着裂隙、黄土节理下渗导致地表沉陷、纵横向地表裂缝及初期支护结构破坏等问题，基于三维地质仿真模型方法，进行初期支护受力特征和变形规律分析，并模拟分析地层改良效果。结果表明： 1）隧道拱部为支护结构受力最薄弱区，表现为拱顶衬砌下表面拉应力和剪应力值大，当埋深为10～15 m时下台阶至仰拱开挖阶段随含水率增加拱顶沉降变形量剧增，且累计沉降量＞250 mm时隧道结构最不安全，易产生环向张拉裂缝； 2）地表注浆能有效改善黄土的结构性能，有效控制地表沉降和围岩变形。     

隧道喷膜防水衬砌结构力学性能影响因素研究

为研究隧道喷膜防水衬砌初期支护、二次衬砌间的协同受力机制及其影响因素,提供合理的衬砌结构设计参数,结合防水膜的单轴拉伸、黏结拉伸及剪切试验,建立荷载-结构隧道计算模型,对喷膜防水衬砌结构力学性能的影响因素及其作用规律进行研究。在数值计算模型中,依据试验测得的数据,采用不同厚度的防水膜、不同的界面参数及二次衬砌厚度,对隧道衬砌结构进行建模计算。结果表明:1)防水膜厚度的变化不会对衬砌结构的力学性能产生显著影响;2)不同的界面参数会显著影响衬砌结构的应力和位移,随着界面参数的增大,初期支护应力减小,二次衬砌应力增大,两者的应力差减小,衬砌结构协同受力的能力增加;3)二次衬砌厚度的减小会降低其安全系数,但均符合规范,因此可以进一步优化隧道二次衬砌的结构设计。     

高地应力软岩隧道圆形断面扩挖施工围岩及支护受力特征研究

针对高地应力软岩隧道开挖时围岩大变形问题,以某隧道圆形扩挖段为背景,采用三台阶法施工和3层初期支护+小导管注浆+二次衬砌的复合结构支护,并通过现场监测、数值模拟和理论计算研究开挖过程中的围岩变形及支护结构受力。结果表明:上、中台阶开挖时的隧道围岩变形速率较大,在仰拱封闭和第3层初期支护施作完成后,隧道变形趋于稳定;采用3层初期支护结构可有效改善隧道周边围岩应力,3层初期支护基本都是受压结构,拱腰和边墙处竖向应力最大,拱顶处水平应力最大;二次衬砌拱腰、拱顶、拱脚和边墙处安全系数均大于规范要求,保证隧道结构安全。     

湛江湾跨海盾构隧道管片变形与受力分析

以湛江湾跨海盾构隧道工程为背景,应用数值分析方法,建立了单环衬砌结构的三维有限元精细模型,研究了在不同水头作用下单环管片结构以及接缝部位的变形情况。采用修正惯用法得出在最大水头作用下管片结构的内力分布,由此推算出管片内、外侧的环向钢筋应力,并与现场的应力监测数据进行对比。研究表明： 1）高水压作用下,单环管片衬砌的变形呈现“横鸭蛋形”,且管片结构变形和接缝张开量均与外水压力变化呈线性关系; 2）作用水头每增加10 m,衬砌结构中各接缝张开量绝对值约增加0.5 mm; 3）采用修正惯用法计算得到的钢筋应力与实测结果较为吻合,较好地反映了隧道管片的实际受力状态。     

基于安全度的大断面黄土隧道施工方法对比分析

为研究大断面黄土隧道围岩和支护结构的安全与稳定,采用有限元软件ANSYS对弧形导坑法(AHM)和核心土加临时仰拱法(CSTIM)的施工过程进行了数值模拟,对比分析了2种施工方法引起的隧道周边围岩位移场、应变场以及初支和二衬的安全性。结果表明:1)采用CSTIM法施工可减小拱顶沉降40%左右,且沉降区域仅在隧道开挖跨度范围内;2)临时仰拱左右两侧安全系数最小仅为0.12,拱顶和左右拱腰安全系数均大于4.0,永久仰拱安全系数处于0.5~2.5之间;3)二次衬砌受力普遍较小,具有足够的安全储备;4)采用AHM法施工围岩竖向位移较大、支护安全系数分布不均、衬砌局部处于受拉状态。因此,从对围岩扰动大小、支护和衬砌安全性以及施工工序等方面综合考虑,CSTIM法均优于AHM法。研究成果可供黄土地区大断面隧道变形控制和施工方法的选择参考。     

关角隧道开挖围岩变形监测及分析

在新奥法的隧道设计理念中,施工中的变形监测成为其重要的组成部分。为实时掌握青藏铁路关角隧道的围岩变形和支护结构的受力特点,通过采用JSS30A型数显收敛计对围岩进行周边位移量和拱顶下沉量的监测,研究其围岩动态变化,预测和确认其最终稳定时间。对隧道安全施工和二次衬砌的施工时间具有重要的指导意义。     

浅埋超大直径盾构隧道千斤顶推力对衬砌管片受力变形的影响研究

为研究浅埋超大直径盾构隧道在不同千斤顶推力及偏移作用下的衬砌结构受力及变形规律，运用有限元软件ABAQUS建立考虑水土压力、盾尾刷反力、千斤顶推力的盾构隧道衬砌管片三维模型，并分析衬砌管片在盾构直行、上行、下行以及左行条件下发生偏角时的衬砌内力及变形情况。结果表明： 1）千斤顶推力对衬砌管片的影响范围主要为前8环，明显反应在前3环，且环内最大错台位置主要集中在封顶块位置附近； 2）盾构掘进方向主要影响该方向的管环位移，对垂直方向的管环位移基本无影响； 3）拱顶/拱底主要受俯仰偏角影响，不受横摆偏角作用，拱腰则对横摆偏角更为敏感，受俯仰偏角影响较小； 4）当千斤顶发生俯仰偏角时，向下偏角极易引起前几环管片的应力激增； 5）当千斤顶发生横摆偏角时，同侧偏角更易引起该侧管片的位移及应力激增。     

公路隧道衬砌结构的相互作用分析

以特长隧道为研究对象,采用二维平面有限元方法研究了隧道衬砌结构的受力情况,建模中考虑了隧道坡度的影响.通过分析表明,衬砌中的初期支护和二次衬砌一般要共同承担荷载,二次衬砌的受力往往大于初期支护的受力,而且在初期支护与二次衬砌间存在不均匀压力,由此可对衬砌的合理设计与施工提供一定的参考价值.     

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.