外水压下大断面公路隧道衬砌结构受力特性模型试验

矿山法修建的山岭隧道有的情况下对地下水采取排导式处理方案。当衬砌背后来水量超出排水系统能力时,将引起衬砌背后外水压增高,甚至导致隧道衬砌结构破坏。自行研制了隧道衬砌外水压力模拟加载试验装置,该装置通过形成负压环境,利用隧道结构模型内外气压差来实现外水压的模拟。基于隧道-地层复合模拟试验平台,开展了外水压下大断面公路隧道衬砌结构受力特性的室内加载模型试验。结果表明：衬砌结构在水土压力共同作用下,轴力呈锥形分布,拱脚轴力大于仰拱和拱部;弯矩呈蝴蝶型分布,拱脚处承受外弯矩,仰拱及拱顶承受内弯矩;轴力、弯矩随水压增加大致呈线性增大,偏心距逐渐减小,拱脚位置具有最大的偏心距,为外水压下隧道衬砌结构受力的最不利位置;依托隧道工程三车道及加宽带衬砌结构产生渗透性裂缝的外水压力分别为330kPa和420kPa,开裂裂缝主要出现在左右拱脚区域的外侧及仰拱内侧,为受拉开裂破坏,且随着外水压的增加,裂缝的渗透性急剧增大。此研究可为大断面公路隧道排水型衬砌在外水压力作用下结构安全评估提供参考。     

衬砌背后空洞影响下隧道结构裂损规律试验研究

衬砌背后空洞的存在严重影响了围岩与衬砌之间的相互作用,极易引起衬砌结构破损并直接影响到运营安全。通过模型试验,系统研究了拱顶与拱肩背后存在双空洞条件下隧道结构裂损演化过程及衬砌结构轴力和弯矩的变化规律。模型试验结果表明:(1)衬砌背后双空洞的存在,严重影响隧道结构的受力状态,易导致衬砌结构承载力不足;(2)拱顶与右拱肩背后存在双空洞条件下衬砌裂缝出现的顺序为:仰拱内表面裂缝→空洞间衬砌内表面裂缝→拱肩空洞右侧衬砌外表面裂缝→拱顶空洞左侧衬砌内表面裂缝→左拱脚衬砌外表面裂缝→右拱腰衬砌外表面裂缝;(3)空洞尺寸变化显著改变了衬砌内力分布,空洞尺寸的增加,引起两空洞间衬砌结构轴力减小而弯矩增大,使两空洞间的衬砌结构破坏程度更严重;(4)衬砌背后空洞的位置及数量对隧道结构裂损过程有较大影响,衬砌背后存在双空洞时衬砌裂缝的传播过程更复杂。研究成果可为衬砌背后多空洞影响下衬砌裂缝病害的防治和修复提供参考。     

深埋高内水压盾构隧道管片衬砌力学特性足尺试验研究

鉴于目前内水压盾构隧道力学性能的研究尚不充分,未能揭示内水压荷载作用下盾构衬砌的内力与变形等规律,结合上海市拟建设的深埋蓄排水盾构隧道,研发原型管片衬砌加载装置并对内水压盾构衬砌的力学行为开展试验研究。试验结果表明：内水压会显著影响盾构隧道衬砌结构的力学性能,在内水压荷载作用下盾构衬砌环弯矩增大、轴力减小,衬砌环与局部接头变形及螺栓应变均增大,结构安全储备降低。当内水压达0.6MPa时,衬砌环收敛变形约为无内水压作用时的2倍。环间作用增大时错缝拼装衬砌环的抗变形能力及安全储备提高,主要原因是管片接头弯矩向相邻管片截面的传递效应增强。此外,分析了内水压作用时衬砌结构的弯曲刚度有效率与接头弯矩传递系数变化规律及衬砌环收敛变形限值,可为双排螺栓连接的深埋内水压盾构衬砌设计计算参数的选取提供参考。     

富水地层公路隧道衬砌背后空洞对结构受力的影响

 富水地层公路隧道衬砌背后空洞的存在恶化了其结构的受力状态,使衬砌易于开裂进而影响隧道的营运安全。研制外水压加载装置,该装置在二衬模型内部创造一个封闭的负压环境,通过控制模型内外气压差来实现外水压的等效加载,同时结合隧道–地层复合模拟试验系统开展几何相似比为1∶30的室内模型加载试验,全面研究不同位置空洞与不同外水压荷载共同作用下二次衬砌的受力分布规律及开裂特征。结果表明,衬砌背后存在空洞时的二衬的轴力与弯矩总体不再呈对称分布,不同位置空洞对衬砌结构的受力影响不同,空洞附近区域的衬砌内力变化最为显著;无论空洞位于何位置,随着外水压力的增大,二衬轴力及弯矩均大致呈线性增大趋势,空洞附近区域的轴力及弯矩增大速度明显大于二衬其他部位;偏心距则随外水压的增大而减小,水压超过150 kPa后基本不发生变化;相同外水压下,加宽带二衬轴力与弯矩明显大于三车道,分布及变化规律则大致相同;应力场为竖直主应力场时,外水压下左边墙空洞对于衬砌结构的承载力影响最大,拱顶空洞次之,仰拱空洞最小;背后存在空洞的衬砌部位的裂缝数量及开裂程度明显大于其他部位。     

岩溶隧道拱顶局部水压作用下衬砌受力特征研究

岩溶地区岩体裂隙发育、溶蚀管道众多。在暴雨条件下受地表水补给影响,在役隧道顶部溶洞内水位快速升高,导致衬砌结构发生失稳破坏,严重影响行车安全。针对依托工程的地质条件,采用理论分析方法建立了圆形衬砌断面的顶部局部高水压与围岩压力联合作用下的内力计算模型,基于Mathematica编程进行了不同水压力大小和不同水压力作用面积下隧道衬砌结构的受力计算分析。结果表明:随着拱顶水压力值或水压作用面积的增大,位移/弯矩零点角度的大小均呈非线性变化,位移零点变化比弯矩零点变化明显,位移零点均非线性增大,弯矩零点则减小;拱顶和边墙的位移值均呈线性增大,拱顶增幅大于边墙增幅;负弯矩出现在拱顶和仰拱处,正弯矩出现在边墙处,其中拱顶弯矩增幅最大,边墙和仰拱处弯矩增幅几乎一致。     

岩溶空腔对隧道稳定性的影响分析

以贵阳轨道交通1号线地铁隧道为依托工程,利用有限元软件MIDAS/GTS建立了多个岩溶空腔和隧道在不同空间位置条件下的模型。通过对比各模型隧道衬砌应力、弯矩以及锚杆轴力,分析岩溶空腔对隧道造成的影响。结果表明,隧道衬砌应力及弯矩受岩溶空腔影响较大,同时锚杆轴力亦受岩溶空腔的影响,需要分别采取加固措施。     

上覆水平煤层采空区衬砌受荷模型试验研究

隧道近接上覆水平采空区地层施工易扩大上覆围岩松动范围,增大松动荷载,为探明隧道衬砌结构受荷特性,采用室内相似模型试验量测了上覆水平煤层采空区地层隧道二次衬砌结构内力(轴力、弯矩),分析了不同边界压力作用下位移、轴力和弯矩的变化情况和特定压力下间距对二次衬砌受力的影响。结果表明:上覆采空区对洞周位移和二衬内力造成了一定影响,采空区底板与隧道间距越小,位移越大,当竖向压力为1000 k Pa时,与无采空区工况相比,0.5D工况最大位移增加93.73%,1.0D工况增加27.90%;弯矩和轴力的增加越明显,当竖向压力为500 k Pa时,与无采空区工况相比,间距0.5D工况最大弯矩增加139.68%,间距1.0D工况最大弯矩增加34.39%,采空区的存在导致轴力分布形态变化较大,间距0.5D工况平均轴力增加78.39%,间距1.0D工况平均轴力增加37.81%;最大偏心距出现在仰拱部位,承载能力相对较低,是隧道主体结构的薄弱环节;二次衬砌仰拱位置最先开裂,煤层采空区对裂缝展开顺序有一定影响。     

石沱输油管线隧道衬砌结构安全性评价

输油管线隧道衬砌的结构安全性是非常重要的.依托重庆石沱输油管线隧道进行衬砌结构力学行为研究,从轴力、弯矩和安全系数三个方面进行分析,衬砌结构最小安全系数为8.27,衬砌结构是安全的.研究成果可为相似工程提供参考.     

公路隧道工程拱顶贯通型溶洞施工处治技术

在岩溶发育地区隧道工程施工中,溶洞处治技术需要考虑溶洞对围岩稳定性影响,而拱顶贯通型溶洞处治技术还需要考虑溶洞对隧道衬砌结构的影响。采用有限元方法建立贯通溶洞水头压力对衬砌结构影响的数值计算模型,分析贯通型溶洞对隧道衬砌结构的影响,提出填补和排水相结合的处治技术,形成了贯通溶洞对衬砌结构影响的分析方法,依据贯通溶洞水头压力和填补措施对衬砌结构的受力影响计算结果确定处治技术的具体参数,并在实际工程中得到成功应用,可供类似工程参考。     

火灾下大直径盾构隧道结构力学特性有限元分析

对大直径盾构隧道火灾下的力学计算模型进行了分析,提出了隧道火情、衬砌结构接缝、衬砌结构爆裂的数值模拟方法,并根据热力耦合的计算方法计对衬砌结构的火灾力学特性展开了计算。根据计算结果得到了火灾高温作用下大直径盾构隧道衬砌结构力学特性。衬砌结构力学性能受高温影响严重,在火灾高温作用区域,衬砌结构的应力状态发生了明显的改变,衬砌结构中的热膨胀效应明显;衬砌结构内侧由热膨胀导致的应力水平有明显的增加,衬砌结构的弯矩和轴力也都有不同的增大,其中衬砌结构的拱顶截面弯矩和轴力增加最大,拱底截面则增加最小;在火灾下衬砌结构的接缝有明显的张开,张开量随着火灾作用时间有明显的变化。     

Deformation and mechanical characteristics of tunnel lining in tunnel intersection between subway station tunnel and construction tunnel

Deformations and stress distributions in tunnel intersection areas are more complicated than those in common tunnels. The literature on deformations and stress distributions in tunnel intersections, in which the intersecting tunnel is in a different section, is limited. The Shangxinjie subway station in Chongqing, China, was selected to investigate the deformation, stress and plastic zone responses of a tunnel intersection using numerical simulations. Based on the numerical results, the scopes of influence with respect to the deformation, stresses and possible failure modes of the tunnel lining were further studied. The numerical results show that the deformation in a section close to the tunnel intersection was larger than the deformations in distant sections. Compared with the common section, the crown settlement reached the maximum value at the tunnel intersection, and the maximum rate of increase was approximately 28%. The range of the plastic zone at the tunnel intersection was much larger than that in the other areas, and it was mainly located in the side wall and tunnel crown. In the longitudinal direction, the lengths of the scopes of influence were 2.4 B and 1.6 B with respect to the deformation and stress, respectively. The magnitudes of the internal forces in the longitudinal and circumferential directions were almost equal. The bending moments of the tunnel lining within 135° and 225° significantly changed, but the axial force decreased dramatically. Tensile and compressive failures may occur at the tunnel intersection and in a section 5 m away. Locally thickening the supporting structures is suggested to improve the stability of the tunnel.     

考虑衬砌接头的土-盾构隧道有限元模型初探

本文作者详细推导了由梁单元和衬砌接头单元组成的混合单元的刚度矩阵,形成了考虑衬砌拉头的土－盾构隧道有限元模型。利用有限元法计算了考虑衬砌接头和不考虑衬砌接头两种情况下衬砌的内力和衬砌的变形。由计算可知,衬砌接头对衬砌的轴力和位移影响相对较小,但对衬砌的弯矩影响较大,因此在盾构隧道的抗震设计中必须考虑衬砌接头的影响,否则将使设计趋于保守。     

武汉长江隧道管片衬砌结构力学特征模型试验研究

针对武汉长江隧道承受高水压和穿越高渗透性砂性土质的特点,在相似模型试验中专门采用盾构隧道-地层复合体模拟试验系统和旋转式水压装置共同作用,实现对水压和土压的分别控制加载,完成水土分算和水土合算的不同水土压力场条件下管片衬砌结构力学特征的模型试验,最后对高水压和变水压条件下的管片衬砌结构力学变化规律进行了分析。研究表明,高水压条件下的管片衬砌结构最大正负弯矩、最大变形量和结构偏心矩整体水平均有明显偏小,而平均轴力水平有明显提高;随着水压力加大,管片衬砌结构的平均轴力明显增大,最大正负弯矩略有增长或基本不变,最大偏心矩明显减小。该研究为武汉长江盾构隧道的衬砌结构设计提供有价值的参考。     

考虑初衬作用的大跨储水隧洞二衬结构模型及分析

应用荷载结构法分析隧洞复合式衬砌结构的二衬结构内力时,以承载比的概念考虑初衬作用。承载比大多以经验为主,可靠性不高。对于大跨隧洞,采用全荷载计算模型(二衬承受全部围岩荷载)为主分析二衬内力,分析结果偏于保守。本文通过对隧洞初衬、二衬之间相互作用原理的分析,提出考虑初衬作用的二衬结构分析模型。文中对二衬全荷载分析模型和考虑初衬作用的二衬分析模型进行了计算分析,其结果表明:考虑初衬作用的二衬分析模型计算分析二衬内力时,初衬对轴力、弯矩和剪力均有不同程度的承载分担作用,对轴力的分担作用最多。因此,作为一种最直接的考虑初衬作用的隧洞二衬计算分析方法,可供隧洞二衬设计验算参考。     

新型铁路隧道门洞口段结构受力特征现场试验研究

现有的铁路隧道洞门的设计只是经验性地照搬标准图的模式,而对新型隧道门的研究是必要的。一种新型隧道门在满足它的美学效果、环境保护等功能外,更重要的是应保证隧道洞口结构受力后的安全性。对采用新型隧道门的洞口段围岩压力和衬砌内力进行现场测试,并将单线斜切式隧道门洞口段的现场试验结果与模型试验和有限元数值计算结果进行比较,探讨了洞口段围岩压力分布和衬砌结构受力特征。研究结果表明:斜切式隧道门洞口段围岩压力和衬砌内力从洞口向洞内逐渐增大,其大小随覆盖层厚度增大而增大,围岩压力在仰拱处最大;衬砌结构处于复杂的三维受力状态,既有横向轴力、弯矩,又有纵向轴力、弯矩,其受力特征类似于壳体结构,因此,按壳体结构设计比较合理。     

层状复合地层条件下管片衬砌结构力学特征模型试验研究

针对武汉长江隧道承受高水压和局部区段穿越软硬程度差异极大的层状复合地层的特点,采用盾构隧道–地层复合体模拟试验系统和旋转式水压装置共同作用,完成了在不同水土压力场作用下对层状复合地层和单一地层两种不同地层条件下的管片衬砌结构力学特征相似模型试验,并根据试验结果分析了层状复合地层对盾构隧道管片衬砌结构的力学特征的影响。研究表明,随着水压力加大,管片衬砌结构的平均轴力明显增大而最大正负弯矩略有增长或基本不变;处于坚硬岩层包围区域的管片体结构局部弯矩明显减小;小范围的硬岩层对管片衬砌结构整环最大内力影响不大。该研究为武汉长江隧道的管片衬砌结构设计提供有价值的参考。     

考虑层间效应的钢纤维混凝土隧道单层衬砌#br# 受力特征模型试验研究

为探究考虑层间接触效应的钢纤维混凝土隧道单层衬砌内力分布规律,自行设计考虑层间效应的单层衬砌模型并研制竖向油压5MPa和侧向压力1.5MPa作为逐级施加的卧式加载试验台架,开展不同荷载作用下的钢纤维混凝土隧道单层衬砌受力特征模型试验。研究结果表明：不考虑层间接触特征的单层衬砌与考虑接触特征的单层衬砌在拱腰和墙角处的安全系数均为最低,最容易出现弯矩和轴力突变;考虑层间接触特征的单层衬砌最大弯矩与最大轴力均出现在拱脚处,层间接触面存在明显黏结力,结构的轴力增加和弯矩减小,内力变得均衡,结构的整体安全性高于不考虑层间接触面,相对不考虑层间效应,受力最不利的左右拱脚处的安全系数分别增加143.7%、149.4%;当竖向油压达到3MPa、侧向油压值达到0.9MPa时,仰拱周围层间接触面压力增长速度显著加快,仰拱处混凝土由线弹性转变为塑性,竖向油压达到4MPa,侧向油压值达到1.2MPa时,仰拱、拱角与拱顶层间接触面应力值有减小或反向增长的趋势,仰拱、墙角等界面发生破坏;钢纤维在单层衬砌裂缝扩展在30%~70%之间阻裂效果最好。