火灾工况下地下共用结构中隧道顶板设计方法研究

为研究隧道、地铁和综合管廊合建结构薄弱处的抗火设计理论,保证在火灾情况下地下共用结构的安全性,以义乌商城大道车行隧道发生火灾为例,采用有限元分析软件ANSYS建立全尺寸火灾模型,利用热分析功能,研究不同火灾规模下结构温度场的分布规律,并采用理论分析的方法,对火灾后共用结构顶板极限承载力计算方法进行推导。研究结果表明:1)随火灾规模增加,混凝土径向影响范围逐渐增加,研究明确了不同火灾规模下轻、中、重度受损范围;2)提出了高温下钢筋与混凝土黏结强度、混凝土抗压强度以及钢筋屈服抗拉强度计算公式,并基于此给出了火灾后地下共用结构中隧道顶板极限承载力计算方法。     

两个水平密贴地下结构的地震响应分析

为了研究相互邻近的地下结构的地震响应特征,以某新建地铁车站结构和上部密贴的既有公路隧道结构为对象,利用有限元分析软件MIDAS-GTS,对水平密贴的两个地下结构的地震响应进行数值模拟,分析公路隧道结构在有、无地铁车站结构时的地震响应,探讨结构接触面性质对水平密贴结构的地震响应的影响。计算结果表明:1)在设定条件下,地铁车站结构对公路隧道结构水平位移的影响幅度小于5%,但公路隧道顶板与底板的相对水平位移峰值增大了20%,水平加速度峰值增大幅度大于5%,隔墙动应力峰值增大11%,底板结构应力峰值增大150%;2)影响公路隧道结构动力响应的结构接触面性质主要是切向刚度,切向刚度增大,接触面范围内的公路隧道底板下侧的动应力减小,而接触面两侧的公路隧道底板的动应力却有明显的增大。     

公路特长隧道互补式通风模式的火灾安全性研究

互补式通风是近年来出现的一种新型、节能的通风模式。为了研究和评估其在火灾工况下的安全性,采用火灾模拟软件FDS建立了隧道局部模型。根据设备性能及管理水平,设定联络风道内风机及风阀关闭时间为120 s。然后分析了着火后相邻隧道内的火灾烟气蔓延规律、温度场分布以及能见度状况。分析结果表明:联络通道风阀关闭前,将会有少量烟气蔓延至相邻隧道,根据温度场和能见度场判断,影响程度在可控范围内;联络通道内风阀关闭后,相邻隧道不再受着火隧道影响。对照国际道路协会(PIARC)研究报告中的人员安全标准,互补式通风模式能满足火灾情况下的安全运营要求。     

城际铁路与地下道路共构设计大断面方案比选

为合理确定城际铁路与地下道路共构设计时隧道匝道汇入主体结构的大断面方案,采用有限元计算软件Midas Civil分别对平顶顶板、折板形顶板及拱形顶板3种方案进行建模计算,分别对不同方案的位移、应力、弯矩等进行分析。结果表明,拱形顶板与折板形顶板的受力性能均优于平顶顶板,且刚度增大,应力分布合理,弯矩值大幅度减少。综合考虑施工难易程度、工程量等因素,结论是选用折板形式作为隧道与城际铁路合建段大断面的顶板施工方案,具有结构受力合理、施工技术成熟、工程造价可控三大优势。     

火灾高温下盾构衬砌结构试验与力学模型综述

复杂运营环境下自然与人为因素所引发的众多隧道火灾已造成了重大的社会影响和经济损失。火灾已成为威胁隧道安全运营的主要灾害之一,其对隧道衬砌结构会产生严重的损伤乃至破坏。盾构衬砌为装配式结构,接缝多以螺栓连接,火灾高温下易发生管片爆裂和接缝连接薄弱部位受损而诱发的突然破坏;同时,由于盾构隧道周围地层的约束作用有限,其衬砌结构体系受火损坏后垮塌的风险极高。为提高软土地层环境下盾构隧道装配式衬砌结构体系的耐火能力及火灾安全性,本文调研了盾构隧道火灾安全研究现状,对与盾构隧道火灾安全研究相关的试验及理论分析工作做了较为全面的综述,主要包括:火灾高温下盾构隧道衬砌管片力学特性试验与理论分析模型,火灾高温下管片接缝力学特性试验与理论分析模型,火灾高温下盾构衬砌体系力学特性试验与理论分析模型,火灾高温下盾构隧道周围地层力学行为研究。在此基础上,针对大直径盾构隧道的火灾试验,高温引起的盾构衬砌管片材料性能劣化评价及主动式抗火管片的材料设计,火灾高温条件下盾构衬砌结构计算模型精细化这3个核心问题,展望了盾构衬砌受火灾影响的研究方向和思路。     

四洞公路隧道火灾模式下烟气控制标准研究

为了确定四洞公路隧道火灾模式下的烟气控制标准,通过理论公式计算得到火灾隧道内防止烟气逆流的纵向临界通风风速,并采用火灾动力学软件FDS进行对比验证,同时研究阻塞场景下在相邻安全隧道内进行反向通风的控烟模式,得到阻止烟气经火源下游的横通道蔓延到安全隧道的临界风速。结果表明:Kennedy理论公式计算的结果与FDS模拟结果吻合较好,确定三车道隧道火灾模式下临界风速为2.2m/s,双车道为2.3m/s;阻塞场景下,三车道隧道发生火灾时,相邻三车道安全隧道反向通风临界风速不小于3.5m/s,双车道隧道发生火灾时,相邻三车道安全隧道反向通风临界风速不小于5.5m/s。     

复杂环境下连续弯钢箱梁耐火性能提升方法

交通类火灾严重威胁钢结构桥梁的耐久性和安全性。为提升复杂环境(开放火灾和弯桥荷载)下连续弯钢箱梁的耐火性能,增强钢结构桥梁的安全服役寿命,选取大型立交桥枢纽工程中两跨连续弯钢箱梁为研究对象,通过建立耐火试验验证的钢箱梁与混凝土刚性基层协同工作的数值预测模型,深入揭示开放环境碳氢火灾下传热模式和结构特征耦合的箱梁力学行为演化规律。研究了局部环境火灾作用下结构的高温响应与失效模式,分析了复杂荷载状况、弯曲半径与支座布置方式对连续弯钢箱梁火灾响应行为的影响,提出了复杂环境下连续弯钢箱梁的耐火性能提升方法。研究结果表明:连续弯钢箱梁在火灾下的内外侧挠度差值不断增大,主梁内外侧支座反力的变化呈相反趋势,并且在受火初期支座反力变化程度剧烈;受火区域边缘靠近中支点的底板与腹板严重屈曲从而先形成塑性铰,然后在受火跨跨中形成塑性铰,随即整跨结构发生突然性垮塌;荷载水平的增大会显著缩短其耐火极限,受火前期及时撤离桥上的车辆荷载能够有效地延缓变形发展并且避免结构的突然性垮塌;曲率半径小于200 m会显著加剧连续弯钢箱梁高温下的弯扭耦合效应,增大主梁内外侧挠度差值与内外侧支座反力变化幅度,削弱火灾下结构的整体稳定性能;在钢结构桥梁抗火设计时中支点应设置抗扭支座,常温下支座的布置方式对火灾下连续弯钢箱梁的支座受力状况改善甚微,应在支座与梁端附近增设外部限位装置以防止结构变形过大。研究结论可为提升复杂环境下钢结构桥梁抵抗火灾的能力以及增强安全服役寿命提供设计依据。     

厦门莲花公路隧道火风压及其对气流组织的影响研究

利用ANSYS/FLOTRAN软件对南安（金陶）—厦门高速公路（厦门段）莲花公路隧道进行火灾温度场数值模拟,分析同一火灾规模在不同风速下,火灾时隧道内火风压特性及其对通风气流组织的影响,为厦门段莲花隧道和与其相似的大坡度公路隧道的消防预案和火区火风压研究提供参考依据。     

共用地下连续墙深基坑影响下地铁车站与隧道节点变形分析

为了分析深基坑与地铁车站共用地下连续墙影响下车站和隧道连接节点的变形特性,保护地铁线路运营的整体安全,通过现场测试和数值模拟展开研究。根据上海地区深基坑与地铁车站共用地下连续墙工程实例的现场测试数据,分析了开挖施工过程中车站与地铁盾构隧道的竖向位移分布特征,并采用三维数值模型研究了共用地下连续墙深基坑开挖深度、相对位置对车站与隧道节点变形的影响,探讨了车站与隧道节点的曲率半径、相对弯曲的发展变化规律,并判断其安全状态。测试结果与数值分析均表明,车站与隧道节点变形比隧道最大沉降处更加不利;节点的曲率半径随基坑开挖深度的增加而减小,相对弯曲随基坑开挖深度的增加而增加;基坑与车站完全共用地下连续墙或远离隧道时,节点处的曲率半径相对较大。     

基于无网格算法对隧道围岩弹塑性分析

通过引入广义粒子动力学数值法模拟隧道围岩的弹塑性变形特征,应用于隧道围岩模型结构分析中,确定隧道围岩不同侧压系数下的塑性区和应力场。研究结果表明:随水平应力的提高,隧道围岩塑性区从两帮朝顶部和底部方向转移。当λ2.0时,随水平应力提高,顶部和底部塑性区宽度开始增加,当λ2.0时,塑性区从顶底部向两肩和底角区域扩展,导致隧道稳定性突降;随洞壁距离的增加,隧道切向应力表现出一个先递增后下降的变化趋势,径向应力呈现出逐级递增,并在不同洞壁距离处获得原岩应力状态;隧道顶板和边墙水平位移随着λ的增大而不断增大,在λ1.0情况下,顶底板总位移相较于隧道围岩边墙位移要大;当λ1.0时,边墙总位移较围岩顶底板位移大;在剪胀角增加的过程中,塑性变形区也在不断的增加,围岩承载力也获得了一定幅度的增加。     

深埋水电站洞室群围岩受力特性研究

结合锦屏二级水电站超深埋四孔引水隧洞工程,研究不同支护时机下洞周关键点位移、不同路径力学响应、能量密度分布规律。结果表明:典型断面隧道在毛洞状态不能稳定,最大水平位移发生在外侧隧道,且两侧极不对称,而中间隧道两侧位移基本对称;当应力释放80%时对应毛洞必须支护;拱顶深部围岩(2～3m)出现最大主应力、最大剪应力、能量密度增高带,外侧隧道拱顶深部围岩(2～3m)力学状态对洞室群稳定性起着关键作用。     

岩石地基中群桩基础对相邻车站隧道影响分析——以重庆地铁1号线七星岗站为例

桩基加载会造成周围土体的位移和应力变化,继而对邻近隧道的内力和位移造成影响,特别是在群桩基础的作用下,这种影响不可忽视。以岩质地基中大跨径车站隧道与群桩基础的相互影响为研究对象,采用有限元软件对群桩位于隧道顶板上方、隧道侧壁破裂面以下及隧道底板3种模型进行对比分析,重点比较桩基加载工况下隧道位移变化及衬砌内力变化。分析表明当桩基础荷载大,隧道洞跨大时,置于隧道顶板的桩基础会明显降低衬砌安全系数,使衬砌结构遭受破坏;通过数值模拟对比分析得出当桩基位于隧道侧墙破裂面以下,且临近隧道侧墙的桩基加长至隧道拱底标高时,能大大降低对隧道衬砌结构和位移的影响,并能确保运营隧道的结构安全。     

邻近基坑卸荷-加载对既有软土盾构隧道影响分析

为了减少和避免地铁盾构隧道发生运营中断事故,提升地铁盾构隧道的防灾减灾能力,应用数值模拟的方法,以上海某典型工程为例,研究了软土地层中,邻近基坑卸荷-加载作用下,盾构隧道位于基坑拐角特殊位置的变形机制,并对地下连续墙支护方案的隔离效果和盾构隧道与基坑边缘净距l的影响进行了分析。研究结果表明： 1）当基坑位于盾构隧道侧方浅部时,基坑卸荷-加载诱发盾构隧道产生朝向基坑方向的位移,随着基坑加载的进行,竖向位移可得到适量恢复,水平位移恢复较少; 2）当盾构隧道位于基坑拐角特殊位置时,受基坑临空面范围和卸荷-加载作用共同影响,最大竖向位移出现在基坑拐角位置附近,最大水平位移出现在隧道轴线距离基坑边缘约1.5h（h为基坑深度）位置; 3）近地铁区域采用地下连续墙加固方案,可使盾构隧道水平位移减小50%,加固效果明显; 4）当盾构隧道与基坑边缘净距l大于1.5h时,邻近基坑卸荷-加载对既有盾构隧道影响较小。     

基坑分区开挖对邻近大直径越江隧道影响的数值模拟与现场实测分析

为研究基坑分区开挖对邻近越江隧道保护的有效性,以上海市西藏南路双线越江隧道附近绿谷一期基坑工程为依托,首先采用有限元法建立数值模型,分析基坑分区与不分区开挖对地下连续墙位移和既有越江隧道收敛变形的影响。然后根据现场监测数据,研究基坑分区开挖下既有越江隧道和地下连续墙的变形规律。结果表明： 1）采用分区开挖的方式,地下连续墙最大位移减小23.9%,邻近越江隧道最大竖向位移减小35.4%,分区开挖施工对距离较近隧道的保护效果更好; 2）对于面积较大的分区,其开挖导致的地下连续墙变形更大; 3）既有越江隧道在基坑施工过程中发生了斜向压扁的不规则收敛变形,地下连续墙最大水平位移对邻近隧道的收敛变形具有一定的预测作用。     

旁侧基坑开挖偏心卸载下盾构隧道横断面受力变形研究

为了研究基坑开挖导致旁侧既有盾构隧道产生偏心卸载而带来的不利影响,采用MIDAS/GTS NX软件建立精细化的三环盾构管片模型。基于修正惯用法计算的盾构衬砌环初始围压和Mindlin公式计算得到的基坑开挖卸载产生的附加围压,通过将总围压施加在盾构管片模型上,模拟计算得到盾构衬砌的横向变形和内力;采用椭圆度作为评价隧道安全状况的指标,研究基坑开挖偏心卸载对盾构隧道的影响规律。结果表明： 在基坑开挖偏心卸载过程中,衬砌结构会产生斜向“压扁”的效果,呈现“斜椭圆”变形;由于应力集中的原因,在管片与管片的接缝处应力较大,混凝土应力最大值处在邻接块与标准块之间;混凝土和螺栓的最大应力值会随着椭圆度的增大而增大;随着基坑围护结构位移增大,基坑侧壁应力释放系数β值逐渐增大,隧道的水平位移值也随之增大;在基坑开挖过程中要严格控制围护结构的位移量,以保证盾构隧道安全。     

软岩高地应力对运营铁路隧道影响的有限元分析

软岩铁路隧道在运营阶段易发生持续的变形及底臌等其他影响工程安全的现象，而高地应力加剧了变形。为探究在不同高地应力作用下软岩隧道的变形和受力的规律，运用FLAC3D对软岩隧道的位移和安全系数进行分析。结果表明:竖向地应力不变，水平地应力越大隧道的水平位移越大，竖向位移越小，水平地应力的改变对双线隧道影响显著；水平地应力的改变对隧道安全系数的改变影响不明显。     

邻近深基坑工程地铁结构位移现场监测与数值模拟分析

以天津市某工程为背景,采用有限元分析方法,对地铁隧道管片和车站结构的位移进行计算,并与现场实测结果进行对比,以此来研究基坑开挖施工对地铁结构的影响。研究结果表明:基坑开挖过程中地铁结构产生了一定的水平和竖向位移,其中,隧道管片的位移大于车站主体结构的位移;数值模拟结果与现场实测数据变化趋势基本一致,数值比较接近,二期基坑顶板施工完毕时,隧道管片水平位移最大实测值和模拟值分别为-3.91,-4.97 mm,竖向位移分别为-3.02,-3.41 mm,模拟结果与实测数据均在变形控制标准之内;基坑开挖过程中,隧道管片水平和竖向位移均呈现出两端小、中间大的抛物线变化趋势,最大值出现在邻近基坑开挖侧隧道管片位移监测区段的中点处。     

大跨扁平隧道仰拱研究

仰拱是隧道衬砌结构的重要组成部分,能提高隧道结构的承载能力。以往的研究主要通过塑性区范围、应力、位移大小分析仰拱所起的作用。基于有限元强度折减法对比分析不同地质状况下仰拱对大跨扁平隧道整体安全系数大小的影响,得到一些有益的结论,为解决类似问题提供一种新思路。