中外隧洞衬砌结构分析方法差异研究

针对厄瓜多尔CCS水电站监理提出采用Bierbaumer理论计算隧洞围岩压力和使用美国规范进行结构分析的要求,结合围岩类别参数,综合分析了岩柱法、太沙基理论、普氏压力拱理论、Bierbaumer理论、国内规范中围岩压力计算差异及各自的优缺点。分析表明,前三种理论不适合于该工程围岩压力分析。提出立足于Bierbaumer理论,同时借鉴国内规范对围岩荷载计算方法进行修正。全面采用美国规范进行地震及非地震工况的结构设计,同时采用SAP2000、ANSYS等有限元软件分析尾水洞特殊部位,如大断面衬砌拐角及拱肩受力过大、洞壁大埋管造成结构厚度削弱、U型断面壁薄等问题。研究认为各关键结构设计满足美国规范各项要求,可供国外类似工程的设计和研究借鉴。     

托巴堆存场浅埋隧洞支护结构设计分析

排水隧洞是中大型堆存场布置中常用的底部排水方式之一。由于浅埋隧洞山岩压力复杂性和计算理论的不确定性,针对托巴水电站堆存场排水隧洞工程,基于浅埋隧洞竖向和侧向山岩压力不同的计算理论,通过SDCAD结构力学计算方法对衬砌结构展开稳定性分析。结果表明,通过传统法和新奥法对浅埋隧洞设计的计算成果比较,山岩压力对埋深浅、围岩稳定性差和不能形成承载拱的隧洞影响显著,新奥法设计可充分减少传递到衬砌上的山岩压力,对保证工程安全、加快施工速度和节省工程投资具有重大意义。     

TBM引水隧洞组合结构联合承载特性及荷载分担率研究

为探究TBM引水隧洞在Ⅴ类围岩条件下组合结构联合承载特性影响及荷载分担率研究,基于有限元软件,依托榕江关埠引水隧洞工程,建立三维计算模型,开展管片的施工开挖及受力,对计算结果进行特性分析。结果表明：TBM隧洞施工开挖开始至结束地表的断面竖向沉降值逐渐增加,且开挖的开始和结束阶段是较为危险阶段,实际工程中应给予重视监测;组合结构联合承载中管片的竖向位移和最大压应力均小于管片单独承载,且外压工况下管片压应力最大,最大值为18.22 MPa,均满足相应的规范要求;外压控制下主要由管片承担荷载,钢圈和锚杆作为储备力分担荷载,其中管片平均承担93.06%,内张钢圈平均分担6.11%,锚杆平均分担0.84%。因此组合结构可为引水隧洞工程中管片的安全设计提供参考。     

圆形压力水工隧洞在轴对称岩体应力作用下的弹性理论计算

深埋于地层之中的圆形压力水工隧洞,无论是坚硬围岩还是软弱围岩,以往多按普氏和太沙基山岩压力理论及弹性抗力假定,采用结构力学或与弹性力学相结合的计算方法设计衬砌结构,这在某些情况下,不符合实际情况。对于支护结构的合理设计,国内外都在不断地探讨新方法,目前采用《新奥法》进行支护设计就是其一。本文视压力水工隧洞的围岩和混凝土衬砌为不同的弹性介质,运用弹性理论,推导出在轴对称岩体应力和内水压力联合作用下,计算混凝土衬砌及位移的计算式为:     

输水隧洞软岩段TBM掘进挤压大变形与支护受力分析

隧洞软岩大变形严重威胁到TBM安全运行,软弱围岩的变形具有明显的蠕变特性。针对某深埋输水隧洞软岩TBM掘进洞段的围岩变形和支护结构安全展开分析和评价,研究高应力条件下软岩的蠕变特性,比较不同支护方式管片结构的受力状态。研究表明：软岩洞段TBM掘进采取大断面扩挖和管片+豆砾石层+聚乙烯泡沫板缓冲层支护,缓冲层的施加明显改善管片的受力状态,有效地提高了管片结构的安全裕度。建议在类似的深埋软岩隧洞工程中,开展有针对性的岩体流变试验和变形监测,选取合适扩挖断面尺寸和支护方式,给围岩变形预留足够空间,为TBM的顺利掘进提供可靠的作业条件。研究成果为保障隧洞顺利掘进提供了技术支持,也可为其他同类超长深埋隧洞的修建提供参考。     

引黄工程北干线1号洞管片接缝超标处理方法

隧洞管片衬砌接缝对隧洞结构安全和防止渗透十分重要,通过对引黄工程北干线1号洞管片接缝超标处理方法的研究,旨在为类似工程提供一定借鉴,促进隧洞管片衬砌工艺和接缝处理更趋完善。     

基于均匀设计-响应面-有限元法的软岩隧洞围岩与衬砌结构协同承载可靠性分析

软岩隧洞围岩力学特性和衬砌结构受力皆具有显著的随机性、未确知性等不确定性,基于确定性分析的结构安全设计方法往往难以全面合理地反映软岩隧洞工程的复杂性;传统的可靠度计算理论则对于由围岩和支护系统构成的地下结构真实的功能函数无法从理论上给出显式表达,从而制约了可靠度计算理论在隧洞工程中的应用。在以数理统计方法为核心的可靠度计算理论基础上,结合均匀设计方法、响应面法和有限元数值模拟方法,借助于《水工隧洞设计规范》(SL 279—2016)中衬砌结构的承载力极限状态函数,构建了围岩和衬砌结构协同承载的荷载效应响应面显式表达式,由此提出了一种软岩隧洞围岩和衬砌结构协同承载的可靠性评价方法。采用该方法分析了影响联合承载特性的单因素随机变量,辨识了影响围岩和衬砌结构协同承载可靠性的主要因素,最后将该方法应用到具体工程中进行检验。通过与传统可靠度计算方法进行对比可知,该方法满足了精度,简化了流程,提高了效率,表明其具有很好的适应性和可行性。     

输水隧洞动态监控指标拟定方法

为确保输水隧洞工程运行期的安全,需针对工程特点建立有效的动态监控指标。在分析研究输水隧洞监测方法、工程运行安全影响因素的基础上,选择内外水压力、温度、隧洞衬砌混凝土和围岩变形等影响因子,构建输水隧洞安全监控指标模型,按照置信区间法原理拟定监控指标。将长时段监测数据分段分析处理,同时引入移动平均滤波算法,提出了输水隧洞动态监控指标的拟定方法。实例计算结果表明,所提出的方法能确定测点的动态监控指标。     

岩石围岩盾构钢筋混凝土内衬高内压输水隧洞受力简化分析方法

长距离输水工程在穿越城市群时,往往需要深埋以规避地表及浅层地下的各类建(构)筑物。这种情况下盾构隧洞成为极具优势的选择方案。当这种深埋隧洞的围岩具有较好承载能力时,可以采用钢混凝土内衬与盾构组成复合衬砌,与围岩一起共同承担管道内的高内水压力。而这种隧道结构的内衬往往会发生开裂,进而改变其受力特征,此时内衬、盾构管片与围岩如何共同受力成为了工程设计的重点和难点,对此目前还没有成熟的计算方法和规程。针对钢筋混凝土受内水压开裂后的受力变形特点,提出了钢筋混凝土内衬开裂后刚度减少的等效刚度计算方法,计算在内水压力作用下复合衬砌与围岩共同作用的受力特点。结果表明:当围岩弹性模量达到2 GPa时,这种结构可以具有较好的承载能力;当围岩弹性模量达到5 GPa时,可以承担1 MPa以上的内水压力,围岩具有较好的利用价值。研究结果为盾构钢筋混凝土内衬高压输水隧洞联合受力提供了简化的计算方法。     

盾构压力隧洞双层衬砌的力学模型研究

本文以我国规划设计中的南水北调中线穿黄隧洞为工程背景，对双层衬砌的结构计算方法进行研究。文中根据管片施工后外部水土压力达到稳定时间长短的不同，提出了衬砌受力的两种叠加模型；根据内外衬砌接合面结构形式的不同，建立了三种双层衬砌相互作用模型；根据上述模型编制了有限元计算程序，对穿黄隧洞双层衬砌的结构内力进行了计算，并对不同模型计算结果的差别进行了对比。计算结果表明：对于盾构开挖的双层衬砌水工压力隧洞，通常使用的由外管片单独承担全部外水土压力的假定是一种偏于危险的设计方法，设计中应增强内外衬砌接合面的结构联结，以便形成有效的受力整体。     

盾构输水隧洞灌浆式预应力衬砌结构有限元分析

北京市南水北调配套工程东干渠工程输水隧洞施工工法为盾构法,为了提高其抗渗和抗裂特性,并优化内外衬的协同变形,衬砌结构采用了灌浆式混凝土预应力衬砌。研究了隧洞衬砌结构设计参数及工作机理,采用二维有限元计算方法,分析了预应力注浆压力和连接螺栓型号的影响。结果表明:内外衬之间的预应力式注浆可以提高二衬混凝土承受内水压力的能力,预应力注浆压力不宜大于0.3 MPa,否则将影响管片的结构和防水安全;连接螺栓刚度变化对管片和二衬混凝土环向应力的影响很小,结合管片张开对防水、防渗的影响,连接螺栓型号采用M20以上型号均可;随着预应力注浆压力的增加,二衬混凝土受力状态得到明显改善,由全断面受拉构件变成受弯构件,拉应力区明显减小,内外衬协同受力状态得到优化。     

高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开度计算方法评析

针对在复杂工作条件下的高压水工隧洞衬砌裂缝宽度的计算问题,基于国内外现有主要裂缝计算方法理论基础,通过研究内水压力、隧洞半径、衬砌厚度、保护层厚度、围岩抗力、混凝土抗拉强度以及衬砌配筋率等参数对衬砌裂缝开裂特性和扩展规律的影响,结合某抽水蓄能电站高压水工隧洞工程案例,开展各裂缝计算方法的综合评析。结果表明:(1)对高压水工隧洞衬砌而言,衬砌裂缝宽度主要受内水压力、围岩抗力和钢筋应力参数的影响,其中内水压力的影响最为显著;(2)由于裂缝开展规律不同,基于一般混凝土构件建立的裂缝计算方法不适用于高压水工隧洞,并且计算结果明显与实际情况差别较大;(3)弹性地基梁方法对高压水工隧洞衬砌裂缝宽度计算较为合适。     

关埠引水工程内水压力作用下隧洞管片受力与接缝变形研究

利用有限元软件建立关埠引水工程隧洞管片三维数值模型，系统分析了管片应力、接缝变形及螺栓应力在不同工况下的变化规律。结果表明：内水压力会显著影响隧洞衬砌管片的力学性能，随着内水压力的增大，管片应力、接缝变形及螺栓应力也随之增大，盾构隧洞衬砌管片最大拉应力为3.263 MPa,最大压应力为6.612 MPa、管片接缝变形最大为0.28 mm, TBM隧洞衬砌管片最大拉应力为0.192 MPa,最大压应力为2.952 MPa、管片接缝变形最大为0.08 mm,连接螺栓的应力变化与接缝变形能相互吻合，接缝变形越大，螺栓应力也越大，最大值为604.01 MPa。研究结果可为输水隧洞衬砌结构的设计与分析提供参考。     

引汉济渭工程秦岭隧洞围岩稳定性有限元分析

对引汉济渭工程秦岭引水隧洞开挖的初期支护施工过程围岩结构的塑性变形分布规律进行分析研究,结合计算结果,为初期支护过程围岩的稳定性提供分析依据,以便对现场施工提供合理化建议。采用非线性弹塑性有限元法,依据地下结构设计理论及岩石的Drucker-Prager屈服准则,考虑围岩和初期支护衬砌结构的整体性,对秦岭引水隧洞的Ⅲ、Ⅳ类围岩开挖和初期支护结构的施工过程进行了模拟,计算了开挖施工过程三种不同工况下围岩顶拱及侧向的塑性变形。结果表明:秦岭隧洞初期支护施工过程的三种工况下围岩结构的塑性变形主要集中在顶拱120°范围内及两侧边墙,隧洞围岩结构整体处于安全状态。     

水利输水隧洞二次衬砌计算

衬砌结构通常采用钢混结构,衬砌厚度和配筋等参数往往从工程安全角度考虑不同围岩类别和荷载加以确定。文中主要通过结构计算和分析并结合具体工程,研究输水隧洞外部荷载的确定以及在其影响下,隧洞的衬砌结构计算。     

锦屏二级深埋长大水工隧洞安全监测关键技术

深埋长大水工隧洞在高地应力、高外水压力等因素的影响下,围岩变形及支护结构受力情况是工程中关心的问题。安全监测是指导设计与施工、了解工程安全状况的重要手段,深埋长大水工隧洞的不确定性给安全监测带来极大的困难。通过锦屏二级水工隧洞安全监测的工程实践,介绍了深埋条件下不同围岩类别的变形及支护结构受力特点,从变形、渗流、应力等角度深入分析了深埋隧洞安全监测中的关键技术,总结了仪器设备埋设的经验,为类似工程提供了参考。     

邱庄水库大岭隧洞衬砌内力分析

根据大岭隧洞沿线围岩类别、围岩厚度及隧洞衬砌断面尺寸,选取3个断面为衬砌内力计算代表断面。计算过程中,根据围岩情况及不同荷载组合,合理确定围岩压力、内(外)水压力及围岩弹性抗力,取得了较为可靠的内力计算成果,为隧洞结构安全评价提供了依据。     

水工隧洞下穿公路设计方案优化

受通行公路动载影响,为保证水工隧洞下穿公路施工安全,结合辛安泉供水改扩建工程长治支线隧洞下穿省道S225施工案例,经围岩压力计算及钢拱架受力验算,采用超前支护及加强初期支护对原设计方案进行了优化,确保了下穿公路隧洞施工安全。     

引水隧洞管片受力特征的试验研究

为了研究引水隧道管片受力特征，保证隧洞稳定运行，以引水隧洞工程为利，选择不同位置的3个断面，对盾构推进过程中管片结构的土压力变化规律、环向轴力以及纵应力大小进行监测。结果表明，各断面土压力在盾构推进过程中呈现出先增大后减小最后趋于稳定的变化趋势。土压力峰值对应的推进环数约为2环。不同断面之间的土压力大小差距较为显著，在拱顶位置附近的管片受力较大；随着推进管片环数增加，各测点纵向应力变化趋势相同。研究结果确定出最容易发生病害的管片位置，对工程管片衬砌结构的设计和施工具有指导意义。     

珠三角水资源配置工程隧洞埋岩深度及间距的影响分析

以珠三角水资源配置工程中的复合衬砌盾构输水隧洞为研究对象,在采用简化计算模型的基础上,利用ABAQUS有限元数值分析软件,分析不同外荷载工况下,不同埋岩深度及隧洞间距下管片衬砌环的应力和变形情况。由管片衬砌环最大径向变形及容许应力确定此时可承受的内水压力大小,并得到内水压力大小随埋岩深度和隧洞间距变化的影响规律,以供工程实践参考。