隧道气囊在外压作用下的变形特性及试验验证

在隧道的建设和运营中,地下水渗漏、突发洪水及有害气体等会对隧道及周围环境造成严重危害,故需快速高效的临时性装置进行阻隔。提出采用大直径气囊将隧道阻隔分区,其原理是通过增大内压使气囊与隧道壁贴合,利用气囊与隧道壁之间的摩阻力来抵抗外部压力,将流体阻隔在气囊一端,避免灾害扩大。充灌气囊属于膜结构,在抵挡外力时,薄膜的受力和变形直接影响气囊滑移失效的模式。结合气囊在隧道中的边界条件和受力条件进行分析,得出自初始状态至阻漏失效的整个过程中气囊形状和内压随外压变化的关系,得到气囊能够抵挡最大外压的计算公式,并确定气囊失效模式的类型,进而探究了气囊长径比和初始压力对形状和内压变化的影响。通过模型试验对理论公式进行验证,试验结果与理论分析有很好的一致性。     

地铁隧道涌水涌砂诱发地面塌陷的大型模型试验研究

为研究地铁隧道涌水涌砂诱发地面塌陷的发生机理，研制水渗流作用下隧道大型模型试验系统，以青岛黄岛区地铁涌水涌砂灾害为例，再现了地铁隧道涌水涌砂诱发地面塌陷的灾害演化发生过程，进一步揭示涌水涌砂诱发地面塌陷的发生机理，在此基础上基于椭圆理论建立涌水涌砂过程中地面最大沉降值的理论预测公式。研究结果表明，地表变形与涌水涌砂具有良好的相关性和滞后性。在涌水涌砂诱发地面沉降过程中，地表变形将经历缓慢变形、急剧变形、地面坍塌3个阶段。地表缓慢变形阶段，灾害影响范围内地表位移缓慢增加，土体土压力及黏土层内测点渗压基本保持不变，而涌水点附近渗压在动水压力作用下逐渐升高。地表急剧变形阶段，土压力和地表位移急剧增加，涌水点附近渗压呈断崖式衰减，而黏土层内测点渗压快速增加，均具有显著的土体塌陷前兆信息，也反映土体塌陷灾害的瞬时特征。地面塌陷阶段，地表变形、土体土压力、涌水点附近渗压基本保持不变。地铁隧道涌水涌砂诱发地面塌陷模型试验研究结果对类似工程防治具有一定的指导意义。     

均匀外压作用下隧道双气囊体系的变形特性和失效机制

在隧道的建设和运营过程中,地下水渗漏、突水及有害气体等灾害的发生会对隧道及其周围环境造成不利的影响,应采取快捷高效的临时性封堵措施将危险源隔离。充气囊利用其与隧道壁之间的摩阻力来抵抗外部压力,将有害气、流体阻隔在气囊一端,避免灾害进一步扩大。在单个气囊变形规律和失效模式的研究基础上,提出双气囊体系共同抵抗外力的模式,对其受力变形特性进行分析,得到双气囊体系在外压增长过程中各点形状、内压的变化规律以及失效模式,解决了气囊摩阻力不足、体量大、抢险施工困难大、效率低等问题。研究表明:双气囊体系与单气囊封堵的变形特性有一定的差异,其施工更加高效方便,可以大幅度提高气囊封堵能力,具有更好的封堵效果。     

隧道工程全包与半包结构防水体系受力特征试验研究

长期以来针对隧道防水该采用全包防水方案还是半包防水方案,一直是人们争论的焦点。依托厦门翔安海底隧道,对不同防排水方式（即全封堵、堵排结合及排放方式）的隧道衬砌水压力分布规律采用相似模型试验的方法进行研究,模型试验的比例尺为 1 ∶ 38.88 ,试验台架可同时施加土压和水压。通过模型试验得出结论：全封堵条件下,防水板全包、半包对衬砌背后的水压力、结构的受力无明显影响;隧道内排水后,半包段衬砌背后水压力明显减小,并随着排水量的增加,水压力基本成直线下降,并且半包段衬砌应变较全包段小,半包情况下衬砌结构受力较为有利。     

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。     

公路隧道火灾中火区节流效应理论及试验研究

火区节流效应在公路隧道火灾过程中是一个典型的现象,研究公路隧道火灾的节流效应及其影响因素,对于火灾的正确模拟、判断灾情的发展、指导救援,都具有重要的意义.借助大尺寸火灾模型试验,深入研究了节流效应与通风风速、火灾规模之间的关系.试验隧道内径1.8 m,长度100 m,试验数据采集系统采用世界领先水平的有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络——CAN现场总线系统.并对火区节流效应进行了理论分析计算,将理论公式计算结果与试验结果进行比较,所得结果相吻合,证明了理论公式的正确性.     

斜拉桥预应力索塔锚固区水平向拉-压杆模型及应用研究

大跨斜拉桥混凝土索塔锚固区容易开裂,采用拉-压杆模型对锚固区水平向受力及预应力锚固体系设计进行了研究。首先,对63组索塔锚固区尺寸样本进行了无量纲参数化处理,建立了普适的水平向锚固区结构尺寸分布模型,结果表明,前壁受力复杂,应力分布需要通过拉-压杆模型计算;然后,基于几何尺寸分布模型,建立了18组典型锚固区水平向板单元有限元模型,并进行了拓扑优化和矢量化处理,提出了水平向拉-压杆理论模型及相应拉-压杆受力公式,与专用软件CAST计算值吻合良好;最后,提出了锚固区环向预应力的计算公式,已有多个足尺模型试验结果表明了所提出的预应力设计方法的合理性和有效性。     

隧道施工中涌水事故的处理

阐述了柚树下隧道的一次涌水事故的原因和采取的处理措施 ,说明了在地下隧道施工中认真分析水文地质和加强监测工作的重要性 ,指出该工程采用小导管超前注浆通过易涌水段是实用可行的办法。     

高水压山岭隧道衬砌水压力分布规律研究

博士学位论文摘要：随着国内铁路路网的完善和发展，需要修建大量深埋长大山岭隧道，在高水压岩溶区修建隧道，这在国内外都是个技术难题，尤其在当今对环保要求较高的条件下，必须改变以往“以排为主、排堵结合”的治水方案，采取“以堵为主、限量排放”的治水方案，在这种背景下，不可避免地遇到高水压问题。因此，研究深埋高地下水位铁路隧道围岩、注浆圈、衬砌背后水荷载的分布规律和高水压的存在对隧道围岩稳定和结构受力的影响具有突出的工程实践应用价值。这些问题已成为当前地下工程（特别是深埋山岭隧道）设计、施工、运营中很关键且无法回避的问题，已经引起各国有识之士的极大关注，是隧道工程研究的前沿和热点问题之一。本文以在建的渝怀线圆梁山深埋特长铁路隧道为工程背景对上述问题进行系统研究。 研究内容与方法如下：（1）在对水工隧道水压力折减系数综合分析的基础上，考虑铁路隧道与水工隧道结构、防排水型式的不同，提出了水压力作用系数的概念。采用室内三维模型试验方法研究均质围岩、裂隙围岩中隧道修建过程中水压力分布变化规律，重点分析衬砌背后和注浆圈外表面水压力及其水压力作用系数与围岩、注浆圈、衬砌的渗透系数、厚度和隧道控制排水量的关系。（2）采用理论分析方法，推导均质围岩中针对铁路隧道防排水型式下注浆圈外表面、衬砌背后水压力理论解析公式，分析衬砌背后水压力与各量之间的关系。通过对地下水渗流场数学模型研究，采用等效连续介质模型用数值方法分析隧道渗流场的分布，对地下水在围岩、注浆圈、衬砌上水压力分布规律及其作用系数进行分析。（3）以圆梁山隧道地质勘测报告为基础，通过分析得出圆梁山隧道的水文地质结构模型、地下水流系统模型、地下水动力模型：特别是对深孔压水和抽水试验成果进行详细分析，得出隧道附近围岩的渗透系数和渗透系数张量，为数值分析和三维室内模型试验围岩渗透系数的取值提供依据；进一步概括得出圆梁山隧道的地下水流数学模型，并将模型试验、理论计算公式、渗流场等效连续介质数值模拟分析得到的水压力分布规律应用于该工程实际。（4）采用数值分析方法研究单线铁路隧道标准衬砌断面形式承受水压力的能力，并结合圆梁山隧道工程对5种不同形状断面进行优化分析。（5）在水压力分布规律研究的基础上，采用数值分析方法分析水压力在衬砌上均匀分布、不均匀分布、局部突水时隧道围岩的稳定性和结构受力特征。 主要研究成果如下：（1）提出水压力作用系数的概念，并采用室内模型试验、理论公式推导、数值分析等方法研究得出注浆圈外表面、衬砌背后水压力分布规律，确定作用在衬砌上水压力荷载的大小；得出水压力作用系数与围岩、注浆圈、衬砌渗透系数、厚度及隧道控制排水量的关系。（2）针对圆梁山隧道工程，给出水压力分布规律模型试验和数值分析结果的工程应用。（3）得出单线铁路隧道标准衬砌断面形式承受水压力的能力值为0．40MPa，经对断面形状进行优化分析得到承受高水压的合理断面形式为蛋形断面或圆形断面，当水压力超过1．5MPa时，采用圆形断面为宜。（4）分析水压力在衬砌上均匀分布、不均匀分布、局部突水时隧道的位移、塑性区、衬砌内力大小和分布特点，运用结构力学上弯矩影响线理论，在突水位置不确定的情况下，提出采用弯矩包络图确定衬砌结构上最大弯矩的方法。     

复杂岩溶地区隧道涌水预测方法研究

 岩溶地区隧道地下水涌水预测方法和理论是长期以来难以突破的水文地质难题。基于我国岩溶地区隧道突(涌)水实例分析,从岩溶蓄水模式角度揭示岩溶区易发生涌水的构造机制,指出当前地质超前预报手段在涌水预报方面存在的问题。就岩溶地区隧道涌水量的预测理论研究现状,系统分析各预测方法的优缺点和适用条件。对不同含水地质构造的岩溶区进行划分,提出相应较合理的隧道涌水量预测方法,并结合工程实例验证其可行性。所得结论可为岩溶隧道涌水的预测研究提供借鉴。     

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。     

不同外水压力下输水隧洞结构及配筋计算分析

本文采用SDCAD对输水隧洞衬砌结构在不同外水压力作用下的内力值及配筋进行了计算,结果表明,无压输水隧洞内力及配筋结果由外水压力控制,外水压力越大,结构所受内力就越大,对隧洞的选配钢筋的要求也就越高。     

Strategic decision support system for utility tunnel’s planning applying A’WOT method

Future sustainable underground strategies will consist of the ability to reduce overcrowding subsurface space in our cities. To this end, utility tunnels become a key factor in urban underground planning. These facilities improve joint-use of urban underground space (UUS) that may contain multiple utilities such as water, sewerage, gas, electrical power, telephone, and central heating in several combinations or in some cases all together. However, implementing these subsurface tunnels is retarded most by first-cost, compatibility, security and liability problems. All these drawbacks should be addressed in early planning stages taking into account the uniqueness of each city. Therefore, expert consensus panels from public and private organizations should determine appropriate policies for developing utility tunnels network. This research work applies A’WOT hybrid method combining SWOT analysis and analytical hierarchy process (AHP) to study utility tunnel planning in urban areas. The hybrid method takes account of internal resources and capabilities (strengths and weakness) and external factors (opportunities and threats). SWOT analysis is a structured way to analyze these four factors, while AHP technique achieves pairwise comparisons among factors in order to prioritize them using the eigenvector method. The quantitative strategic analysis obtained from the decision support system should be used as a preliminary step in urban planning of future utility tunnel networks.     

城市地铁双护盾TBM工法隧道衬砌结构受力特征研究

以深圳市城市轨道交通8号线一期梧沙区间隧道为依托工程,对“双护盾TBM工法隧道”施工期间管片衬砌外部压力和结构内力开展了现场跟踪测试,总结归纳出“双护盾TBM工法隧道”管片衬砌外部压力和结构内力在施工期内的时变演化规律。研究结果表明：隧道施工期间,管片外侧压力共经历四个发展阶段,注浆压力对管片内力变化影响较大,管片设计应考虑注浆压力的影响,同时应注意TBM施工时的注浆量控制。对于深埋TBM隧道,结构内力与隧道埋设深度不具有明显的对应关系,但随着结构上部围岩风化程度增加,隧道上方垂直荷载对管片结构内力影响加大。研究成果可为城市地铁双护盾TBM施工结构受力分析提供依据。     

Effect of surcharge loading on horseshoe-shaped tunnels excavated in saturated soft rocks

Underground facilities are usually constructed under existing buildings, or buildings are constructed over existing underground structures. It is then imperative to account for the current overburden loads and future surface loadings in the design of tunnels. In addition, tunnels are often constructed beneath the groundwater level, such as cross-river tunnels. Therefore, it is also important to consider the water pressure impact on the tunnel lining behaviour. Tunnels excavated by a conventional tunnelling method are considered in this paper. The hyperstatic reaction method (HRM) is adopted in this study to investigate the effect of surcharge loading on a horseshoe-shaped tunnel behaviour excavated in saturated soft rocks. The results obtained from the HRM and numerical modelling are in good agreement. Parametric studies were then performed to show the effects of the water pressure, surcharge loading value and its width, and groundwater level on the behaviour of the horseshoe-shaped tunnel lining, in terms of internal forces and displacements. It displays that the bending moment, normal forces and radial displacements are more sensitive to the water pressure, surcharge loading and groundwater level.     

考虑注浆圈作用的体外排水隧道渗流场解析研究

体外排水方式在隧道工程中已得到逐步应用,但考虑注浆作用的体外排水隧道渗流场解析理论未见报道,导致理论滞后于工程实践。基于镜像法与渗流力学理论,提出了考虑注浆圈作用的体外排水隧道渗流场理论模型,通过解析退化、数值仿真两种方法共同验证了理论模型及解析公式的正确性,探讨了注浆圈渗透系数与厚度对涌水量、隧道外水压力的影响规律。分析结果表明：注浆圈渗透系数对体外排水隧道渗流场存在显著影响,随注浆渗透系数比值增大,涌水量可得到明显控制,但会引起外水压力的增长;注浆圈厚度影响相对较小,其影响主要在于厚度值越大时能一定程度上加强对底部结构外水压力的控制。提出了兼顾隧道限排要求与隧底水压力控制效果的合理注浆圈参数。研究成果以期为体外排水隧道注浆参数设计及施工实践提供参考。     

The effect of external water pressure on the liner behavior of large cross-section tunnels

Recent extreme weather with heavy rainfall has brought new challenges to the operation of a karst tunnel as a large amount of groundwater flowing toward the tunnel in a short time exceeded the drainage capacity and caused high external water pressure. By evacuating the air in the inner space of the tunnel structure, an apparatus was developed to simulate the external water pressure on the tunnel structure. It was also employed to study the behavior of a highway tunnel structure with a large cross section considering cavities behind the liner. The results showed that the bending moment of the liner increased with the external water pressure, which helps to decrease the nonuniform distribution of the thrust force, and the maximum bending moment and eccentricity were generally located at the knees or side walls. Lower external water pressure contributed to reducing the eccentricity of the liner while higher external water pressure does not further reduce the eccentricity. Under external water pressure, fractures appeared first at the knee, then at the invert and finally at the vault. The air tightness tests under external water pressure also showed that the cavity decreased the bearing capacity of the liner and significantly aggravated the fractures in the liner nearby. The results help to estimate the bearing capacity of the liner under external water pressure, and the method of simulating external water pressure can also be used to study tunnels with different cross section geometries.     

某浅埋偏压隧道开挖顺序的数值模拟研究

以宜巴高速公路青龙隧道为研究对象,利用有限元对浅埋偏压的隧道进口段采用左右两洞不同施工顺序时的力学响应进行了数值模拟,分析了围岩的位移、应力以及初期支护结构中的内力分布,通过对比研究,确定了先施作埋深较深的洞,再施作浅埋洞作为该隧道的最优施工方案,对类似的其他浅埋偏压隧道的施工具有一定的借鉴意义。     

共同沟的成本分析与研究

共同沟是城市地下空间可持续开发的必然趋势。本文主要分析了共同沟的成本构成因素。将共同沟的建设成本分为内部成本与外部成本 ;考察了国内已建共同沟的造价 ;最后提出了共同沟成本计量的多标准方法 ,与传统方法相比 ,更易于推动共同沟的建设