水下隧道周围土体及衬砌变形力学性状研究

以拟建的哈尔滨松花江隧道为例，直接针对隧道安全运营，采用因子对目标函数影响的优化思想，在假定不同工况的若干种设计模型下，考虑土体-衬砌相互作用及材料变形的非线性特性，建立尽可能逼近实际问题的有限元计算模型．基于ANSYS软件反复进行数值模拟实验，研究隧道周围土体及衬砌变形的力学性状，并据此预估隧道最危险破坏点，为合理确定隧道覆土层安全厚度提供理论依据．     

隧道开挖对邻近土体位移影响的数值分析

在城市修建地铁的过程中,隧道洞口开挖会不可避免地对隧道洞口周围的土体产生影响。采用有限差分软件FLAC3D来分析由于隧道开挖而引起的土体位移。在数值模型中,假设衬砌为线弹性材料;而土体则是由Mohr--Coulomb破坏准则控制的弹塑性材料。将采用有限差分软件计算得到的土体位移结果同采用解析法以及经验法得到的位移结果进行对比。并结合不同土层刚度以及衬砌刚度的情况,来分析以上两个因素对土体位移的影响。经过分析得到的结果表明：（1）通过有限差分软件计算得到的地表土体沉降曲线能够与采用解析法以及经验法得到的沉降曲线很好的吻合,但是采用数值方法得到的沉降曲线相对较宽并且较浅。（2）在上软下硬土层中,地表土体的最大沉降值将变大而沉降曲线将变窄;而在上硬下软土层中,地表土体的最大沉降值将变小而沉降曲线将变宽。（3）随着衬砌刚度的增大,土体的位移将会减小。     

土体杨氏模量对开挖卸荷引起隧道变形影响

采用基于摩尔库伦准则的理性弹塑性模型开展有限元分析,研究土体的杨氏模量对基坑开挖卸荷引起隧道变形影响,分析隧道纵向隆起、衬砌直径变形以及弯曲应变的变化规律和趋势。研究表明,基坑开挖卸荷引起坑底下方的隧道隆起,隧道衬砌横截面竖向压缩、水平拉伸,隧道横向和纵向弯曲应变分别沿隧道横截面和纵轴线呈对称分布。随着土体杨氏模量增大,隧道顶部最大隆起,隧道衬砌直径以及隧道横向和纵向弯曲应变都呈对数减少,并给出了拟合方程,便于应用。     

复变函数法计算圆形盾构隧道周边土体位移

盾构隧道开挖引起隧道周围土体应力及位移的改变,是工程界长期关注的重要课题.将半无限空间弹性单圆孔洞问题,映射为复平面上定值圆环问题,并利用隧道孔洞边界土体与衬砌之间空间位置及协调变形关系,给出了圆形盾构隧道周边土体位移的复变函数解,采用Matlab软件实现算法.结果表明:复变函数解析法计算得到的隧道地表沉降曲线与实测曲线较一致;隧道埋置深度、隧道半径、土体泊松比对土体变形影响较大;土体模量、衬砌模量、衬砌泊松比对土体变形计算结果影响微小.     

隧道围岩压力与衬砌体受力特性原位测试

以工程实例为背景,对隧道洞口段施工过程中围岩的收敛变形,锚杆作用应力 ,初次衬砌、二次衬砌内的应力与变形,以及衬砌间的压力进行观测,取得大量的试验数据 ,并结合施工过程进行分析,为隧道衬砌设计和施工的安全可靠性提供科学依据和技术指导 ,为进一步的工程研究积累资料.     

二次衬砌台车荷载计算及数值模拟

为保证隧道衬砌模板台车的施工安全,以某高速公路分岔式长隧道为例,根据给出衬砌台车的尺寸,对隧道二次衬砌台车模板系统进行了设计,计算了其纵肋和环向肋内力和变形,并基于ANSYS分析软件,计算了台车门型结构内力和变形.结果表明,模板系统、台车结构的强度与刚度均满足设计要求.根据计算结果,建议浇筑二次衬砌混凝土时应注意对称浇...     

地铁荷载作用下隧道土体变形的数值模拟

天津市区地铁隧道一般埋设于第一海相软土层中,目前针对这一海相软土层在地铁荷载下隧道周围土体变形的研究较少.本文利用ABAQUS有限元软件,模拟地铁运行荷载,对比分析隧道周围土体在竖向和水平方向上距隧道不同距离处土体的变形,结果表明:土体变形较大的区域主要集中在以隧道轴线为中心的10,m范围内,工程建设时对此区域土体要重点关注;而在30,m以外区域土体变形较小.分析结果为以后在现有地铁隧道沿线建设地下构筑物时提供了有价值的参考.     

隧道围岩压力与衬砌体受力特性原位测试

以工程实例为背景。对隧道洞口段施工过程中围岩的收敛变形，锚杆作用应力，初次衬砌、二次衬砌内的应力与变形。以及衬砌间的压力进行观测，取得大量的试验数据，并结合施工过程进行分析。为隧道衬砌设计和施工的安全可靠性提供科学依据和技术指导，为进一步的工程研究积累资料．     

列车荷载作用下渗漏隧道的长期非线性固结

为研究列车荷载对地铁周边土体长期非线性固结的影响,以及其与隧道渗漏的共同作用,将列车荷载等效为矩形循环荷载,采用经典的土体非线性固结理论,以及衬砌与土体相对渗透性系数,得出列车荷载作用下局部渗漏隧道的非线性固结解析解.通过本文预测值与上海地铁实测数据的对比,验证了解析解的合理性.分析结果表明:列车荷载加剧了隧道上方地表长期沉降,衬砌渗漏程度越大,沉降增加量越大.本文解析解能较好模拟隧道周边土体的长期固结特性,为预测地铁隧道长期运营导致的地表沉降提供一个较为合理有效的方法.     

饱和土体中衬砌隧道在移动荷载下的动力响应

为了研究移动点荷载作用下饱和土体全空间中圆形衬砌隧道的三维动力响应,采用解析方法进行求解.用无限长圆柱壳模拟衬砌,用Biot饱和多孔介质模型模拟土体.引入两类势函数表示土骨架和孔隙水的位移,在不同环向模态下利用修正Bessel方程求解各势函数.结合边界条件,得到频率-波数域内衬砌和土骨架位移、孔隙水压力的解答.对各模态下的解答求和,并进行双重Fourier逆变换得到时间-空间域内的动力响应.通过算例分析荷载速度、土体渗透性等对位移及土体孔压的影响.结果表明:饱和土体中衬砌隧道系统存在临界速度,该速度与土体剪切波波速很接近;位移场和孔压场分布受荷载速度、土体渗透性影响较大;随着土体渗透性增大,土体孔压减小;高速荷载时的位移响应频谱与低速荷载时的差别很大.     

隧道横截面对电磁波传播特性的影响

利用解析方法与数值分析方法重点研究了电磁波在圆形隧道、矩形隧道和拱形隧道中的传播特性,得出了当隧道横截面积越大衰减率越小,及隧道横截面形状对衰减率影响。当频率较高时,圆形隧道、矩形隧道和拱形隧道的衰减率表达式是一致的;当隧道半径或长边长的一半大于波长10倍以上时,电磁波的衰减率很小,几乎与横截面形状无关,仅仅与隧道横截面积的大小有微弱的关系。     

兰渝铁路桃树坪隧道3号斜井进正洞施工技术

大断面隧道施工中,斜井进正洞衔接段施工是工程的重点和难点之一.在建的兰渝铁路桃树坪隧道位于第三系粉细砂层中,地下水位在洞顶2 m以上,为双线大断面饱和沙土隧道.以桃树坪隧道3#斜井进入正洞段施工为例,详细介绍了大断面饱和沙土隧道由斜井进入正洞施工技术,为类似工程施工提供参考.     

距离判别分析法在隧道渗漏水灾害分级中的应用

基于距离判别分析理论,选用隧道的埋深、隧道区植被覆盖情况、隧道区年平均降雨量、隧道区地表水状况等8项指标作为距离判别分析模型的判别因子,以调查的数据作为训练样本,建立了隧道渗漏水灾害分级预测的距离判别分析模型,经过训练后的模型回判估计的误判率为零.利用该模型对国内圆梁山隧道和西奇一号隧道渗漏水情况进行预测,结果与实际符合,说明该模型在研究隧道渗漏水发生可能性及分级预测中有良好的实用性.该方法为隧道渗漏水灾害分级预测提供了一条新思路.     

敞开式TBM护盾半径适应性设计

为了研究敞开式岩石隧道掘进机（TBM）护盾半径与开挖洞径的适应性问题,建立护盾与洞壁接触理论模型;基于护盾与洞壁接触间隙的变化规律,结合有限元力学性能分析和实际工况,提出护盾半径的设计方法. 结果表明：底侧护盾最下部应与最小洞壁保持5~10 mm的间隙,在水平位置附近与洞壁相切接触,护盾半径由开挖洞径上、下限共同决定;顶护盾的设计半径应比隧洞开挖半径小30~50 mm,其和洞壁的最大间隙与两者的半径差呈正相关关系,受开挖洞径大小影响微小;底护盾半径设计应保证护盾底部与最小开挖洞壁底部接触,护盾半径应比隧洞开挖半径小15~50 mm.     

TSP在隧道超前预报中的应用效果分析

在隧道工程中,为了能够安全、顺利地进行隧道建设,对隧道周边以及掌子面前方的地质构造进行探测是非常必要的,目前运用TSP(Tunnel Seismic Prediction)进行超前预报是准确而又高效的方法之一。本文在介绍了TSP系统的基本原理的基础上,设计了不同的观测系统对隧道进行探测,通过对实际采集的资料进行处理、解释以及对重叠段的对比分析,验证了TSP在隧道探测中的有效性和可靠性。此外,分析不同的观测系统可以发现对于小偏移距的观测系统有利于获得隧道周围岩体的地质信息,而靠近掌子面的观测系统则更有利于获得掌子面前方岩体的地质信息,这些结论可以为TSP在实际隧道中的应用提供相应的理论依据。     

桩基础承载过程对近距离地铁隧道影响机制分析

为更好地了解桩基础承载过程对已建成隧道的长期影响,通过改进离心场桩基加载装置和试验监测设备进行离心试验,分析桩基础承载过程对邻近已有隧道的变形及受力影响,在试验中考虑了参数变化(不同桩顶荷载以及桩基础与隧道结构净距)因素,并基于试验结果对桩-土-隧道之间的相互作用进行了探讨.结果表明:承载桩基会引发临近地铁隧道结构变形,且以沉降变形为主,隧道截面影响区域横向变小,纵向变大;相对于隧道双侧存在承载桩基础,单侧桩基础荷载造成隧道所受弯矩分布向桩基础方向发生明显偏转,隧道结构向桩基础方向产生一定扭曲;桩基础承载所致附加应力会在隧道结构体产生应力集中效应,隧道拱腰部位是桩基受荷所引发土体附加荷载主要承受区;隧道结构会在承载桩周所产生的附加应力场中产生加筋阻拦效应,明显缓释桩周摩阻力在相同位置处的传递,桩顶荷载越大,缓释的程度越明显.     

牛头山黄土隧道的施工安全评价

为了研究牛头山黄土隧道施工过程的安全性,借助于ANSYS软件和强度折减法,采用上下台阶法,对牛头山黄土隧道的施工过程进行了数值仿真,得出了该黄土隧道的施工安全系数,分析了施工过程中围岩的塑性区分布.结果表明该黄土隧道的围岩塑性区主要分布在隧道曲墙两侧附近,施工安全系数为1.873,符合工程质量要求,从而定量评价了牛头山黄土隧道的施工安全性,为保证牛头山黄土隧道的正常施工提供了参考.     

局部液化地层范围及埋深对隧道地震上浮的影响研究

杭州地铁4号线甬江路站-锦江站区间施工时需穿越大范围的可液化地层,为降低隧道在地震作用下上浮破坏的潜在风险,该区间选线时将隧道埋深进行了增大,从而使隧道部分处于非液化土层。为了研究在地震作用下盾构隧道局部液化地层范围以及隧道埋深对隧道上浮的影响,并对隧道调整后的抗震效果做出评价,采用有限差分软件FLAC^3D数值模拟与振动台试验相结合的方法,对处于不同液化土层分布范围、不同埋深的隧道地震上浮情况进行了数值分析及模型试验,研究结果表明：隧道液化地层范围越小,隧道上浮位移越小;当隧道埋深达14 m、隧道液化地层范围小于隧道范围一半时,隧道只发生轻微上浮;隧道设计时应尽量避免使隧道完全处于可液化地层中,可采取液化与非液化地层组合或增大埋深的方式,提高隧道结构的抗震安全性。     

软岩浅埋连拱隧道施工围岩变形特征分析

为研究软弱破碎围岩浅埋连拱隧道施工过程中围岩变形特性,依托陕北某连拱隧道实际工程,通过现场布设监测仪器系统开展了拱顶沉降、围岩变形长期测试,获得了随施工过程拱顶沉降及围岩径向变形规律。结果表明：地表沉降近似于Peck沉降曲线,越靠近隧道中心地表沉降越大,最大沉降值产生于左线隧道开挖落底后,约为12.1 mm;拱顶沉降沿隧道纵向变化规律为：中导洞>正洞>左右侧导洞,中导洞表现为拱顶下沉,侧导洞则是水平收敛,上台阶施工因未临时仰拱封底而其收敛变形显著大于下台阶施工;随距隧道壁面距离增加,测点累计变形量逐渐减小,K21+970测试断面围岩松动区约2 m,因测线布置限制,K21+970测试断面松动区超过4 m。     

黄土连拱隧道开挖的模型试验与压力拱分析

针对黄土连拱隧道复杂的施工力学特性,研究黄土连拱隧道动态开挖全过程中隧道轮廓位移、围岩的应力及压力拱分布规律.通过大型室内模型试验模拟黄土连拱隧道中的导洞开挖,利用相关监测元件对隧道轮廓位移、围岩的径向及环向应力进行采集和分析;采用有限差分软件对开挖过程的位移及压力拱进一步分析.研究表明：随着黄土连拱隧道不同导洞的开挖,各监测点位移时程曲线总体形状呈台阶形增长,且各台阶的增长对应各导洞初期开挖的位移突变;黄土连拱隧道的压力拱范围比同等级围岩的连拱隧道更大,先行导洞开挖完时,其拱顶压力拱大约为1D（D为隧道洞高）,单洞开挖完时,其拱顶压力拱范围大约1.5D;从第一先行导洞开挖到双洞完成,中隔墙上部围岩压力拱范围经历了0.5D→1D→0.5D→1D的变化,形成了多次应力重分布,对此范围的围岩应及时注浆或打入锚杆,加强支护.