高地温隧道二次衬砌受力特性分析

研究目的:拟建川藏铁路的部分隧道工程施工过程中预计会遇到高地温(达30℃～80℃),高岩温将会给隧道工程的建设带来极大的挑战。本文拟通过衬砌外表面边界条件设定为固定温度约束(温度区间为30℃～80℃),利用ANSYS有限元软件建立三维荷载-结构模型,通过温度场和应力场的耦合,研究不同地温下、不同龄期的Ⅳ级围岩混凝土二次衬砌与Ⅴ级围岩钢筋混凝土二次衬砌受力特性,分析与评价其安全性,从而提出相应的工程应对措施。研究结论:(1)随着地温升高,隧道二次衬砌各个部位的安全系数呈下降趋势,特别是当地温从30℃升为50℃时,衬砌安全系数显著下降;(2)地温高于60℃时,Ⅳ级围岩隧道混凝土衬砌安全系数将不满足设计规范要求;(3)地温为80℃时,Ⅴ级围岩钢筋混凝土二次衬砌最小安全系数临近设计规范要求极值,位于衬砌墙脚附近;(4)地温超过60℃时,需设置隔热复合式衬砌;(5)本研究结论可为高温隧道的设计与施工提供参考。     

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。     

高速铁路隧道衬砌脱模强度对结构安全影响分析

为了明确高速铁路隧道衬砌脱模强度对结构安全的影响,通过建立早龄期混凝土强度与弹性模量之间的关系,获得混凝土不同强度脱模对应的力学参数,基于有限元软件对不同脱模强度下隧道结构安全性进行分析,以探明高速铁路隧道衬砌脱模强度的影响因素及其合理取值。研究发现:脱模强度逐渐增大的过程中,安全系数控制点在隧道结构由下向上转移;得到不同围岩级别下高速铁路隧道脱模强度临界值,并给出建议取值;当脱模强度为10 MPa时,深埋隧道安全系数较浅埋增大约50%,Ⅳ级围岩安全系数较Ⅴ级增大40%。当安全系数为临界值时,浅埋隧道脱模强度较深埋增大70%,Ⅴ级围岩脱模强度较Ⅳ级增大45%,浅埋隧道脱模强度与埋深大致呈线性相关。     

铁路路基上跨既有公路隧道受力变形影响分析

新建路基开挖卸载施工对下方既有隧道的覆盖地层产生扰动,导致既有隧道围岩和结构应力状态的改变,影响既有隧道结构安全。文章依托新建赣深铁路路基上跨既有S29从莞高速公路石山隧道工程项目,采用地层-结构与荷载-结构相结合数值分析方法,进行了上方开挖施工对既有隧道结构受力变形影响分析,并提出施工控制措施。结果表明:在上方路基开挖施工过程中,既有隧道结构以竖向变形为主,在相交位置处隧道拱顶产生最大竖向变形1.86mm,结构变形较小;采用荷载-结构法进行二次衬砌受力分析,结构受力最不利部位为拱顶,最小抗压安全系数为3.94,最小抗拉安全系数为4.05,结构安全性满足要求。     

黄土隧道围岩湿陷衬砌结构力学响应分析

针对湿陷性黄土隧道围岩浸水后工程力学性质劣化导致的衬砌结构病害问题,考虑黄土围岩浸水湿陷过程中隧道围岩压力增大及围岩约束软化的特点,提出围岩浸水湿陷前后围岩压力及基床系数的变化取值计算方法,建立基于荷载-结构模型的黄土隧道围岩浸水湿陷衬砌结构力学响应分析方法。以曾开展现场试坑浸水试验的黄土隧道为对象,对隧道围岩浸水湿陷引起的衬砌结构内力变化及承载安全状态进行计算分析,结果表明,黄土围岩浸水湿陷会引起衬砌结构内力显著增大和分布形式变化,特别是仰拱中部和墙脚端部弯矩值增大2.5～3倍,相应部位截面承载安全系数可降低至1以下,发生拉裂破坏,衬砌结构设计中应予以加强。模型计算结果与现场实测结果相吻合,验证了该分析方法的合理性,可为湿陷性黄土隧道衬砌结构冗余设计提供参考。     

复合式衬砌隧道的总安全系数设计方法探讨

研究目的:铁路、公路等交通隧道常采用复合式衬砌,其中初期支护一般采用地层-结构法或工程类比法进行设计,二次衬砌采用荷载-结构法进行设计,由于二者采用的分析方法不同,难以统一评价整体结构的安全性。现有隧道设计规范仅提出了二次衬砌的安全系数要求,但复合式衬砌并非单一结构,有必要研究初期支护和二次衬砌的总安全系数。同时为建立总安全系数设计法,有必要研究初期支护的荷载-结构模型。研究结论:(1)对于采用喷锚支护的复合式衬砌隧道结构,围岩压力随埋深的增加而增加,隧道支护参数应根据埋深进行相应调整;(2)采用荷载-结构模型可以建立复合式衬砌初期支护和二次衬砌的统一设计方法;(3)复合式衬砌隧道的总安全系数应包含初期支护和二次衬砌各自的贡献,当二次衬砌为钢筋混凝土时,总安全系数建议不低于3.0,否则不低于3.6;(4)不同设计方法所建议的初期支护和二次衬砌的安全系数分配可按表2采用;(5)采用本文设计方法对现有高速铁路隧道结构安全性进行再分析,结果表明,在埋深为300 m左右时,Ⅲ、Ⅳ级围岩支护参数有进一步优化的空间;(6)本研究结果可为复合式衬砌隧道结构设计提供思路和方法。     

城市小净距隧道施工工法合理性分析

以在建的某市小净距隧道V级围岩段为例,采用有限元数值分析方法,对隧道施工全过程进行仿真分析,获得了不同施工步条件下围岩位移、受力及塑性区分布图.同时对施工过程中的初衬及临时支护受力特征进行研究表明:设计中采用的施工工法和支护措施,有效地控制了地表、隧道围岩位移及塑性区分布,充分发挥了初衬材料的受力性能,二次衬砌结构处于安全性状态.     

高速铁路隧道拱顶二次衬砌背后存在空洞时气动荷载对其的影响

为了探索隧道拱顶二次衬砌背后不同范围内存在空洞条件下高速列车气动荷载对隧道二次衬砌结构的影响,采用隧道空气动力学的流体力学分析方法及结构力学分析方法,对二次衬砌结构的受力进行研究。研究结果表明:在气动荷载作用下,隧道二次衬砌结构处于"拉—压"的循环受力状态中;在隧道拱顶二次衬砌背后存在空洞时,衬砌结构上产生的瞬态应力变化规律与其受到的气动荷载变化规律一致,当列车运行速度为350km·h-1时,二次衬砌结构上产生的最大瞬态应力是同一时刻气动荷载的约39倍;在最大正峰值气动荷载作用下,随着拱顶二次衬砌背后空洞范围的增大,拉应力范围逐渐变小,拉应力值先增大后减小;在最大负峰值气动荷载作用下,隧道拱顶二次衬砌第一主应力仅有压应力而无拉应力作用,而且随着拱顶二次衬砌背后空洞范围的增大,二次衬砌受压区的范围逐渐变小,压应力值先增大后减小;二次衬砌结构上产生的最大应力绝对值随着列车运行速度的提高而增大,且与列车运行速度的平方成二次函数关系。     

上覆溶洞水压对小净距隧道衬砌结构的影响研究

隧道衬砌是确保运营隧道防水与结构稳定的重要结构，其受力状态会随着上覆溶洞水压力的改变而改变。鉴于此，以某小净距隧道为工程背景，利用有限元差分软件建立分析模型，研究上覆溶洞处于不同水压状态下隧道衬砌结构的受力状态，利用相应公式计算衬砌结构安全系数，结合实际数据与模拟结果对比验证模型的可靠程度，得出主要结论：拱底衬砌结构最大主应力为拉应力且其余位置为压应力，溶洞水压逐渐变化可能导致拱底破坏；整体衬砌结构最小主应力均为压应力，拱肩、拱腰与拱脚的最小主应力均随水压增加而增加；各部位衬砌结构安全系数随溶洞水压增大而减小，随溶洞水压进一步增大，拱腰处可能最先发生受压破坏。这可为处于溶洞等不良地质条件下的隧道安全稳定性研究提供参考。     

长大隧道不同工法衬砌结构安全性模拟分析

为研究长大隧道在不同施工方法中对衬砌结构的影响,判定施工方法对隧道开挖的安全情况,本文从隧道衬砌结构受力的角度出发进行数值模拟分析,采用荷载结构模型对不同围岩条件下隧道结构安全性展开研究,利用安全系数的方法选取合理施工方法。从安全性定量计算,判别隧道在不同结构形式下安全性,从而可提前有效指导施工,避免施工过程中,隧道在结构受力不利部位发生开裂等问题,减少返工情况的发生,降低施工成本,保证施工安全,研究过程和成果可为今后类似工法优化提供一种研究思路。     

爆破振动对邻近铁路隧道衬砌结构的影响北大核心

依托海南西环铁路新建隧道爆破工程,选择三角形等效爆破荷载模拟爆破过程。结合现场爆破振动监测,验证隧道爆破三维模型的准确性。进而逐级提高爆破荷载,分析5、10、15、20、25倍五种爆破荷载工况下,隧道围岩塑性区分布情况、既有铁路隧道衬砌结构的爆破振动速度和拉应力变化规律。结果表明:新建隧道爆破开挖时,既有隧道衬砌结构迎爆侧拱肩爆破振动合速度最大,仰拱一直处于受拉状态;随着爆破荷载不断提高,隧道围岩塑性区范围不断扩大,既有隧道衬砌结构最大爆破振动速度和最大拉应力均不断增大;当采用20倍爆破荷载作用时,既有隧道衬砌结构迎爆侧边墙最大爆破振动速度为29.90 cm/s。     

考虑水荷载作用的铁路隧道衬砌结构设计

采用室内模型试验方法,通过改变围岩注浆圈模拟介质的渗透系数,进行10组铁路隧道衬砌结构的水荷载折减系数测试试验,研究水荷载折减系数与注浆圈综合渗透系数的关系。试验结果表明,当围岩注浆圈渗透系数小于10-5cm.s-1时,水荷载折减系数取0~0.3为宜;反之,取值为0.3~1。按考虑水荷载和不考虑水荷载两种受力模式对隧道衬砌结构进行计算分析结果表明,存在较大水荷载作用的隧道衬砌结构设计不宜套用标准图,建议采用钢筋混凝土圆形衬砌结构。     

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。     

乌鞘岭特长隧道F7断层围岩大变形段二次衬砌安全度分析

乌鞘岭特长隧道11#斜井处正洞在穿越F7断层时,由于隧道埋深大,断层岩体破碎,岩体完整性差,围岩自稳能力弱,受挤压影响等,开挖后围岩变形长时间不收敛,50d后的变形仍有2—4mm/d,累计最大变形量已超过60cm,部分地段严重侵限,不能满足《铁路隧道设计规范》关于二次衬砌施做的规定。如果二次衬砌及时施做,在软岩大变形条件下其安全度问题值得进一步探讨。本文通过现场量测和监测手段,并结合理论计算与分析,对已施工完毕的二次衬砌段的结构安全度进行了探讨,结果认为,目前乌鞘岭隧道F7断层二次衬砌结构的设计参数是可行和安全的,满足《规范》所规定的在软弱围岩地段的要求,建议及时施做二次衬砌。     

四车道大跨公路隧道二次衬砌设计

本文以四车道大跨隧道的二衬受力特点为突破口,分析了衬砌结构设计的相应技术对策,即增加衬砌厚度和提高混凝土抗压强度.通过对外部荷载、结构内力规律的总结,并结合大量计算结果,得出四车道大跨隧道软弱围岩段(V级围岩)二次衬砌的承载能力薄弱点多为混凝土抗压强度不足的结论.以深圳市石清大道羊台山隧道为依托,通过有限元计算,对比研究了“增加二衬厚度”、“设置三层衬砌”、“提高混凝土强度等级”等三种技术对策,并认为提高混凝土强度等级是最经济合理的方式.此外,采用C40以上强度等级的混凝土,既能提高衬砌承载能力,又可满足耐久性方面的要求.     

大断面膨胀土隧道结构受力特性测试研究

研究目的:大断面隧道因其跨度大、形状偏于扁平,在施工过程中表现出独有的力学特点,经常造成围岩大变形侵限、区域性塌方、底鼓和支护结构开裂等施工风险,而这些特点在膨胀土环境中表现的尤为明显,因此研究大断面膨胀土隧道支护结构受力特性具有重要的工程应用意义。本文以银西线庆阳隧道为工程背景,首先通过室内试验确定红黏土围岩的膨胀参数,然后利用现场监测手段对庆阳隧道支护结构的力学特性进行研究,并评价其支护结构受力性能,以期对同类隧道施工起到一定的指导作用。研究结论:(1)隧道膨胀土最大膨胀率为67%,最大膨胀力达到67.42 kP a,施工过程中应加强超前地质预报,尽可能减少水害对施工的影响;(2)隧道拱顶、两侧拱腰及底部具有较大围岩压力,围岩压力呈对称分布,初支闭合后拱顶附近围岩压力基本稳定,但两侧拱腰及仰拱位置围岩压力持续增大;初支闭合后钢拱架受力持续快速增长且受力基本对称,隧道上部初支内钢拱架受力始终较大,拱顶钢拱架应力最大达到1.46 MPa;(3)二衬施作后,初支仍存在一定变形,二衬左右两侧衬砌压力增长显著,二衬两侧拱脚位置混凝土应力增大明显;(4)本研究成果可为大断面膨胀性隧道设计优化和安全施工提供理论指导与科学依据。     

黄土地区浅埋暗挖地铁隧道围岩压力特征研究

为了解黄土地区浅埋暗挖地铁隧道围岩压力特征,得出荷载在衬砌结构各部分中的分担比例,本文以西安地铁二号线为研究对象,选取2组不同围岩条件的测试断面,开展现场测试工作。对围岩与初期支护接触压力、初期支护与二次衬砌接触压力及二次衬砌结构应力进行研究。结果表明:隧道墙脚位置初期支护与围岩之间接触压力较大,表明这二者承受大部分垂直压力;初期支护所受围岩压力随着土体强度降低而增大,且分布形式更趋于静水压力作用特点;二次衬砌作为主要支护结构承担大部分荷载,初期支护与二次衬砌接触压力随围岩土体强度降低而显著增大,二次衬砌在支护体系中作用也随土体强度降低而凸显;二次衬砌混凝土基本受压,拱腰及以上位置应力较大,仰拱处应力较小。     

武广客运专线泉井1号隧道衬砌施工技术

二次衬砌是隧道永久支护结构,在围岩及初期支护变形基本稳定后施做。在仰拱超前情况下,采用模板台车进行拱墙一次衬砌。结合武广客运专线泉井1号隧道衬砌施工,介绍了大断面隧道仰拱、二衬钢筋构架、模板台车,以及衬砌混凝土施工中的问题及改进措施,对大断面软弱围岩隧道二衬施工工艺及技术进行总结。     

冰-水相变对寒区隧道动态温度场影响研究

为了揭示冰-水相变对寒区隧道动态温度场的影响,通过建立隧道有限元模型,对比分析考虑相变与否两种情况下隧道温度场的动态变化,研究隧道在内部气温变化作用下的冰-水相变发展过程。研究表明:围岩内部温度随深度增加而升高,年变化幅度逐渐减小,变化相位逐渐滞后;考虑冰-水相变后,隧道温度场年动态变化过程改变较大,温度年变化幅度显著减小;在外界低温的作用下,主洞与导洞部位均有结冰现象,衬砌和围岩内部在1月份开始结冰,4月份之后完全冻结区消失,仅在衬砌和围岩存在冰水混合区,至7月份完全解冻,解冻后重新冻结的月份为10月份,之后冻结范围逐渐扩大,全年冻结发展最快的时间为11月份。     

不同埋深及偏压角度条件下隧道力学特性

运用MIDAS有限元程序建立浅埋偏压隧道数值计算模型,探讨了隧道偏压角度和埋深对洞室稳定性的影响程度及衬砌结构受力变化规律。研究结果表明:随着偏压角度的增加,隧道围岩各特征点抗剪安全系数整体下降,隧道洞室的稳定性逐渐降低;随隧道拱顶埋深的增大,隧道结构内力偏压特征逐渐减弱。