悬臂式排桩支护结构位移和弯矩的分析研究

文章以武汉阅马场交通综合整治工程首义广场隧道工程为项目依托,以悬臂式排桩支护结构形式为主要研究目标,分别采用解析法和数值模拟法对武汉阅马场交通综合整治工程首义广场隧道工程中悬臂式排桩支护结构的位移和弯矩进行计算,并相互间进行结果的对比分析,研究分析了悬臂式支护结构在基坑开挖过程中桩身侧向位移和受力弯矩的分布规律和特点.     

排桩+钢支撑支护结构位移和弯矩分析研究

以武汉阅马场首义广场隧道工程为依托,以排桩+钢支撑支护结构为主要研究目标,采用解析法和数值模拟法对该工程中的排桩+钢支撑支护结构的位移变形和弯矩进行模拟计算,并与实测位移进行比较.对比分析计算结果,研究分析了排桩+钢支撑支护结构在基坑开挖过程中桩身侧向位移和受力弯矩的分布规律及特点.     

格栅式连续墙在沉管隧道护岸工程支护中的应用

在介绍常用沉管隧道基槽开挖护岸结构形式基础上,结合具体工程项目,对格栅连续墙支护结构的土压力和护岸支护结构设计进行了探讨,提出了格栅连续墙的简化计算方法,并采用简化计算法和有限元法进行了对比计算分析。对比两种方法的计算结果可知,与有限元方法相比,简化计算方法计算的弯矩偏大,位移偏小,主要是由于简化计算方法没有考虑格栅连续墙的空间效应导致弯矩偏大,且等效刚度偏大导致位移偏小;格栅连续墙由于其自身的几何形状,其墙身弯矩分布具有典型的空间特性。其中,内墙承受较大的水平弯矩,外纵墙弯矩均较小,通过对格栅连续墙弯矩分布规律的分析,可以对格栅连续墙结构的配筋进行优化设计。由于目前对格栅连续墙的受力特点和设计计算方法对其空间效应考虑较少,因此格栅连续墙结构的变形计算模式还有待进一步研究和探讨。本文对格栅式连续墙基坑的计算设计具有一定的参考和借鉴作用。     

浅埋偏压隧道常见问题的理论与数值分析

采用了理论计算与数值模拟相结合的研究方法,结合拉格朗目插值法计算得出了某偏压隧道的围岩荷载,对隧道初期支护进行了Ansys数值模拟得到初支结构的位移图和弯矩图;综合理论计算表明（1）隧道的深埋侧偏压现象明显。（2）初期支护的内力分布不均问题严重。针对以上问题提出了不均匀支护思想,注重局部变形和受力的调控;此外鉴于偏压隧道的特殊性,论证了边坡破裂面整体加固的重要性。     

公路隧道下穿双层采空区开挖过程模型试验

双层煤层由于距离较近，采空后冒落带范围相互叠加，下穿隧道施工引起的围岩松动垮塌范围要大于单层采空区，对隧道结构受力和围岩稳定产生不利影响。开展公路隧道下穿双层煤层采空区的室内开挖模型试验，通过埋设地中位移计、土压力盒和电阻应变片，测量了隧道开挖过程中采空区地层移动和初期支护内力特征。测试结果表明，采空区地层沉降主要产生于上台阶开挖至初支闭合阶段，倾角较小时，地层沉降速率较大，沉降曲线较陡，而后期收敛较慢，沉降较大；隧道支护结构承受一定的偏压荷载，且倾角越大，偏压越明显，围岩与支护的最大接触压力出现在采空区对侧的仰拱处。由于采空区地层的松散性，锚杆的作用没有得到充分发挥。钢拱架最大弯矩主要发生在上台阶靠近采空区侧拱脚处；轴力分布不均匀，靠近采空区侧轴力水平普遍偏低，不利于支护结构稳定。随着采空区倾角的增大，初期支护拱顶正弯矩区域向采空区侧偏移，最大弯矩值和最大偏心距都显著增加，支护结构稳定性降低。试验揭示了隧道下穿双层煤层采空区开挖过程中采空区地层移动规律和初期支护受力特征，可用于指导类似工程设计与施工。     

超浅埋偏压隧道加固前后施工力学分析

以广东梅河高速公路三断岭隧道超浅埋偏压段为实例,通过有限差分法分析了该段不加固和采用地表钢管注浆并上覆钢筋混凝土盖板加固的施工力学差异。研究结果表明:加固后,初期支护的轴力、弯矩和洞周位移明显减小,但是初期支护的安全系数却增大;加固前后初期支护上最大轴力的位置发生变化,而最大弯矩位置不变;加固前围岩的塑性区出现在隧道的洞周及隧道左侧,极易发生滑坡,而加固后塑性区变小;通过加固前后的施工力学分析,位移监控的重点为靠山侧,而结构内力的重点监控为靠河侧。     

深埋隧道仰拱边墙连接方式力学效应分析

在隧道结构中,仰拱是衬砌结构的重要组成部分,影响仰拱力学效应的因素较多。仰拱与边墙的连接是衬砌施作的关键环节,对衬砌结构以及围岩的力学状态有着至关重要的影响。以乌鞘岭铁路隧道斜井为例,通过数值模拟分析了仰拱与边墙的不同连接方式对深埋隧道围岩、支护结构的力学行为影响,结果认为铰接情况可以有效地减小弯矩,改善衬砌结构的受力状态,但对控制衬砌底部变形不利。所得结论以期能为将来的隧道支护结构设计及施工提供帮助。     

浅埋偏压大断面隧道施工力学分析及方案比选

结合南宁玉象隧道偏压浅埋大断面隧道工程实际,建立了偏压浅埋大断面隧道施工动态有限元数值模型,分别采用上下台阶法、CD法和双侧壁导坑法3种施工方案,模拟施工对围岩变形和力学特性的稳定性影响,对围岩位移、应力、锚杆、初期支护轴力与二衬弯矩等进行对比分析,结果表明,双侧壁导坑法能较好地控制围岩位移,应力分布与隧道支护结构内力分配较合理。     

公路隧道下穿倾斜煤层采空区室内开挖模型试验

开展了公路隧道下穿倾斜煤层采空区室内相似模型试验,考虑了不同开挖进尺和初期支护参数的影响,通过埋设位移计、土压力盒及电阻应变片,测量了隧道开挖过程中采空区附近地层的移动和初期支护的内力。试验结果表明,增大隧道开挖进尺,地层最终沉降量、隧道施工过程中的沉降速率均显著增加,沉降槽变得更窄、更陡。减少钢拱架数量也会引起地层沉降的增加,但增加幅度相对较小。增加开挖进尺或减少钢拱架数量还将引起钢拱架弯矩增加,使得拱部最大弯矩向右侧移动,并改变轴力分布,降低初支结构稳定性。研究结果表明,隧道下穿倾斜煤层采空区地层时,可以不对采空区进行加固,但需要降低围岩级别进行初期支护设计,并采用较短的循环进尺进行隧道开挖,同时缩短上台阶初期支护时间,尽早使初期支护闭合成环,从而降低开挖引起的地层的沉降,保证初期支护结构的稳定性。     

既有公路山岭隧道扩建技术及数值模拟研究

依托芜合高速公路试刀山隧道改扩建工程,介绍了改扩建施工方案。通过建立有限元模型模拟开挖过程,分析隧道改扩建过程中围岩的变形,扩挖完成后的拱顶沉降、周边位移的特征,初支的应力变化规律。结果表明,隧道扩挖完成后最大竖向位移12.7mm,初期支护最大弯矩116.2kN·m,中隔撑的最大弯矩为119.2kN·m;采用加中隔撑的扩挖方案可保证施工安全。隧道扩挖施工后隧道开挖量较大的一侧围岩产生的竖向位移大,初期支护弯矩、轴力、剪力均表现出不对称性,扩挖过程中应及时支护、加强监控量测。     

膨胀流变性围岩隧洞预制钢筋混凝土衬砌稳定性分析

 针对一实际流变、膨胀性围岩的室内实验结果及初步设计与施工方案, 应用引进的岩土工程仿真分析软件F INAL 对隧洞施工期、运行期的围岩变形与薄拱片钢筋混凝土衬砌结构的内力、强度特性进行了较系统的数值仿真分析。分析结果说明: 膨胀、流变性围岩一次开挖后按距掌子面2～ 3 倍洞径时施作薄拱片钢筋混凝土衬砌的开挖与支护方案是可行的; 在个别岩性岩层复杂的洞段, 由于衬砌内力受力不均匀可能导致弯矩较大而使衬砌在个别部位出现拉裂缝; 在所讨论的情况下, 衬砌内力受围岩膨胀性影响最大, 外水压力荷载次之, 流变影响最小。     

不同地质条件下盾构隧道受力变形特性研究

针对天津滨海地区盾构隧道衬砌结构,采用大型有限元软件ABAQUS建立三维地层-结构模型,考虑隧道管片材料非线性特征,利用混凝土材料的塑性损伤本构模型,研究地层和隧道结构相互作用后隧道管片结构内力分布与变形特征,以及隧道管片受拉和受压损伤情况。最后,研究不同地质条件和超载作用对隧道管片结构的影响。数值分析结果表明：隧道管环横截面变形表现为水平向外扩张、竖向压缩的特点,呈现“横鸭蛋”形状;隧道管环拱顶轴压力最小,拱腰轴压力最大;管片外侧受拉时最大弯矩位于拱腰,内侧受拉时最大弯矩位于拱顶;受拉和受压损伤分布均集中在拱底附近,其中管环受压损伤面积比受拉损伤面积大;地质条件越好,变形随轴线方向变化越均匀,轴力和弯矩、隧道结构竖向位移、横截面收敛变形,以及管环损伤面积与损伤程度越小。研究结果以期为进一步探讨隧道衬砌结构的变形性能与损伤分布提供参考。     

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。     

早拆模留设支撑情况下结构内力重分布研究

针对早拆模技术中,留设支撑后会改变结构内力分布,部分位置还会出现反向弯矩,内力重分布及产生的反向弯矩必然与原设计内力分布不同的问题,对受弯构件的内力弯矩的重新分布情况、产生反向弯矩情况进行了分析,以供早拆模施工分析结构承载能力作参考。     

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。     

盾构刀盘扭矩对风化岩地基中邻近桩基的影响

基于地铁盾构施工对邻近某客运站桩基影响的问题,利用FLAC^3D有限元模拟分析软件,通过八种工况对比分析了刀盘扭矩与盾构推力对风化岩地基中邻近桩基的影响。结果表明:刀盘扭矩与盾构推力对桩基的影响呈现不同的规律。刀盘扭矩对桩基的影响规律主要为:盾构刀盘扭矩的存在使得桩身主要产生沿隧道横向的附加弯矩和位移,桩身沿隧道纵向的附加弯矩和位移相对较小;桩身最大弯矩和最大水平位移均发生在隧道中心线附近。与刀盘扭矩的影响不同,盾构推力主要使桩身产生沿隧道纵向的附加弯矩和位移;但桩身最大弯矩和最大水平位移也发生在隧道中心线附近。在风化岩地基中,刀盘扭矩对桩基沿隧道横向的影响是不可忽略的。     

小曲线半径盾构隧道上穿既有隧道影响分析

为研究新建盾构隧道上穿既有隧道时对下部隧道影响,以南昌某地铁出入线上穿既有盾构隧道工程为依托,结合小曲线半径隧道、盾构机超载等特殊工况,采用有限元进行模拟分析。研究结果表明:盾构机超载将导致既有隧道纵向呈凹槽型沉降变形,最大值约-9.7 mm,管片弯矩值较未开挖时增长34.3%;上部开挖卸载将导致既有隧道纵向呈隆起变形,最大值约8.7 mm,管片弯矩值较未开挖时略有减小;既有隧道在盾构机超载及开挖卸载两者耦合作用下,纵向变形呈“S”型曲线,最大隆起值与最大沉降值差值高达13.8 mm。针对上述分析,提出对既有隧道施加钢支撑环+拱顶注浆的加固措施,隧道最大变形值较未加固时减小44.8%,验证了该加固措施的有效性,对小曲线半径段施工控制重难点进行分析,并提出相应建议,以期为相关工程提供参考依据。     

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。     

Time-dependent behavior of tunnel lining in weak rock mass based on displacement back analysis method

Weak rock mass behavior is an important and challenging consideration during construction and utilization of a tunnel. Tunnel surrounding ground deformation in weak rocks causes to gradual development of loading on the support system and threats the opening stability. In this research, time-dependent behavior of Shibli twin tunnels was investigated using laboratory testing, monitoring data, and finite difference numerical simulation approaches. The host rock of Shibli tunnels are mainly composed of gray to black Shale, Marl and calcareous Shale. Geological maps and reports demonstrate a heavily jointed condition in the host rock through two orogenic phases. The experiment was organized in following order to understand the behavior of the rock mass around the tunnels. At first, triaxial creep test were conducted on intact rock specimens. Then, the time-dependent behavior of the tunnel host rock was numerically simulated considering Burger-creep visco-plastic model (CVISC). Finally, displacement based direct back analysis using univariate optimization algorithm was applied. Also, the properties of the CVISC model and initial stress ratio were estimated. Numerical modeling was verified by its comparison with tunnel displacement monitoring results. The creep behavior of the rock mass was predicted during tunnel service life based on back analysis results. Results show that thrust force, bending moment, and the resulting axial stresses will gradually increase at the spring line of the final lining. After 55 years of tunnel utilization the compressive strengths of lining concrete will not be stable against the induced-stresses by thrust force and bending moment, thus the tunnel inspection and rehabilitation are recommended.     

复杂接缝面管片接头的力学性能数值分析

根据武汉长江隧道工程管片接头所具有的复杂接缝结构特点,采用三维非线性有限元方法,对管片混凝土和接头承压衬垫均采用非线性材料性质,对螺栓采用三维实体结构模拟并考虑了螺栓预紧力的作用,对榫头采用三维实体模拟并考虑了接触关系,完成了对管片接头力学特征的分析研究。分析表明,接头弯曲刚度随接头弯矩增大而明显减小,但当弯矩增至一定程度后,接头切线弯曲刚度反有轻微增大;随接头弯矩的增长,端面混凝土最大压应力也相应增大,但当接头弯矩增到一定程度后,接头端面混凝土最大压应力数值趋于稳定不变;随接头正弯矩增大,弯螺栓拉应力将有明显提高,而随接头负弯矩增大,弯螺栓拉应力将会有所衰减。研究结论可供类似盾构隧道工程参考。