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。     

中埋深膨胀岩盾构隧洞管片结构受力分析及内力特征

长距离输水隧洞因线路长,工程地质情况复杂,管片结构设计中的一些关键参数较难把握。以新疆引水项目无压输水隧洞盾构段为研究背景,采用数值模拟的计算方法分别对不同膨胀岩偏压、不同侧向土压力、不同外水压力做影响分析,并通过现场测试,对衬砌的轴力和弯矩实测验证,来探究中埋深膨胀岩盾构隧洞管片力学特性。     

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。     

双线盾构隧道地表沉降及管片圆周应力分析——以昆明地铁迎滇区段为例

为了解软弱地层双线隧道盾构施工过程中地表沉降及管片圆周应力的变化规律,以昆明地铁迎滇区间段为研究对象,采用数值模拟方法建立双线隧道盾构施工三维有限元模型,并对盾构施工过程进行模拟分析。结果表明:隧道盾构施工过程中不同介质交界处是诱发工程灾害的关键位置,施工过程中应加强监测;监测断面距开挖面越远,地表沉降量越小。隧道右线开挖至12环时,左线12环管片圆周的大、小主应力值最大,最大值分别为2.5 MPa和2.4 MPa,且左线管片的大主应力与小主应力均随管片环数的增加呈逐步减小趋势;右线施工过程中,左线和右线管片圆周大主应力的最值随盾构环数的增加基本呈逐步减小趋势。     

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。     

T BM 开挖隧洞管片衬砌结构 三维有限元分析及配筋计算

研究在高内水压力下,TBM开挖隧洞中管片衬砌能否承担内水压力作用且结构强度满足设计要求的问题,主要针对管片衬砌结构接缝对衬砌整体应力的影响。以某水电站长距离引水隧洞为例,采用有限元法建立三维模型,计算发现在内水压力作用下,管片分块衬砌受力规律不同于常规现浇混凝土衬砌,管片之间螺栓连接受力集中,接缝处产生了应力释放,使得管片其他部位应力降低,而且配筋量较同水头下整体现浇混凝土配筋量大大减少。     

盾构高压输水隧洞新型半埋式钢管复合衬砌结构研究

目前高内水压力的输水盾构隧洞基本是采用分离式双层衬砌结构,是当前最安全的结构模式,但不一定是最合理的。该文提出了一套盾构输水隧洞新型半埋式钢管复合衬砌结构,该种衬砌结构为:盾构管片外衬、钢管内衬、内外衬间不全部填充自密实混凝土及软垫层设置于内衬钢管外表面。基于新型半埋式钢管复合衬砌结构,利用ABAQUS有限元分析软件,分析了不同自密实混凝土填充程度,不同软垫位置等条件下,钢管内衬应力,填充自密实混凝土应力及外衬盾构管片的变形。根据计算结果,新型半埋式钢管复合衬砌结构,可以有效控制盾构外衬的变形及自密实混凝土的应力。同时,半埋式钢管复合衬砌受力明确,且有利于隧洞排水,可为高压输水隧洞结构设计提供参考。     

天生桥二级水电站Ⅲ号引水隧洞永久观测设计

南盘江天生桥二级水电站工程Ⅲ号引水隧洞永久观测主要是内部观测，观测内容为变形，渗流，压力，应力，温度和裂缝等。全洞段又分为常规衬砌和特殊衬砌两种形式的观测设计，根据Ⅲ号引水隧洞地质情况和结构受力特性，选取观测断面和特征点，进行仪器布置，了解其结构的实际受力和变形情况，并为隧洞的设计积累资料。     

超大直径盾构小半径曲线掘进的管片结构受力分析

以深圳春风隧道工程为背景,采用三维数值模拟的方法,对超大直径盾构小半径曲线掘进进行有限元模拟,基于不同推力、不同地层条件分析管片主应力与变形量特征,得出管片变形规律。研究结果表明：盾构在微风化岩小转弯半径掘进过程中,不同推力差对管片最小主应力的影响主要体现在第1环管片,推力差越大管片最小主应力越大;不同推力差作用下管片产生的最大变形增量均较小。在中风化板岩地层中,第1环和第2环最大主应力明显增大;第3环管片及其后各环管片最小主应力增大明显;各环管片最大变形增量也相应增大。微风化围岩可以很好的约束管片结构变形,进一步减小盾构小曲线掘进过程中对管片结构受力、变形的不利影响。     

穿黄盾构隧洞新型复合衬砌结构特性研究

为防止穿黄盾构隧洞在运行期洞内高压水从外衬管片接缝和内衬变形缝外渗,从而诱发洞外围土渗透破坏,确保隧洞能安全稳定运行。采用三维有限元分析和1〖DK（〗∶〖DK）〗1仿真物理模型试验的方法,对穿黄隧洞复合衬砌结构的特性进行了试验研究,探讨了结构型式、破坏机理和风险预防措施以及有关工程应用的具体问题;研究了盾构隧洞复合衬砌3种结构形式的7个具体方案。提出了预应力盾构隧洞结构型式,研发了拼装式管片环与预应力结构相结合的新型复合衬砌型式。这种创新结构设计型式在盾构隧洞工程中尚属首例,可为同类工程参考。     

复合衬砌联合承担高内水压力的可行性分析

复合衬砌结构形式越来越多地应用于高内水压长距离输水隧洞中。该文结合珠三角水资源配置工程,对几种不同复合衬砌形式进行有限元分析,在联合受力模式下,以盾构管片接缝张开量为控制条件,分析不同复合衬砌结构形式在不同围岩条件下的应力变形特性,确定不同结构方案联合承担高内水压力的可行性,深化对不同复合衬砌联合受力特性的认识,为设计计算提供参考。     

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。     

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。     

不同隧洞围岩压力计算方法对管片力学特性影响研究

为探究隧洞围岩压力计算方法对管片力学特性的影响,文章以榕江关埠引水工程为研究对象,依据全土柱理论、SL 279—2016《水工隧洞设计规范》与普氏理论3种围岩压力计算方法,基于地层-结构法建立TBM有压输水隧洞精细化模型,分析其结构的安全稳定性。结果发现,隧洞处于安全状态,围岩压力计算方法对管片应力及变形影响较大;全土柱理论物理意义明确适用于浅埋隧洞,对于深埋隧洞可以选取普氏理论进行设计研究。该研究可为类似工程提供一定的理论参考。     

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。     

盾构输水隧洞双层复合衬砌的联合受力分析

针对城市修建的地下盾构双层衬砌输水隧洞,由于隧洞围岩承载能力低、管片与二衬混凝土间可能存在初始间隙,在高内水压力作用下衬砌混凝土承受的应力过大,导致衬砌易出现拉裂和渗漏。本文通过有限元方法,对盾构双层衬砌输水隧洞进行模拟计算分析。结果表明:若管片、二衬之间不存在间隙,则大大降低二衬混凝土的拉应力及管片的压应力,使两者的受力趋于均匀,确保了管片和二衬混凝土组成的双层衬砌结构的联合受力作用。结果可为双层复合衬砌结构进一步优化提供依据。     

高地应力条件下输水隧洞断面选型及支护设计

在高地应力条件下选择合理的隧洞断面型式以及支护结构,对保证施工期围岩稳定及隧洞长期运行安全具有重要意义。针对滇中引水工程高地应力洞段,通过对比分析不同断面型式下隧洞围岩应力、变形及塑性区分布规律及量值大小,确定了隧洞断面型式为马蹄型,有利于隧洞围岩受力及结构稳定。在综合分析隧洞围岩的应力变形情况及塑性区深度的基础上,结合工程类比法确定了隧洞施工过程的临时支护措施及永久衬砌方案。通过对比支护前后隧洞围岩的变形数值及塑性区分布范围发现:临时支护措施能够有效的控制围岩的变形及减小围岩的塑性破坏范围,经永久衬砌后的隧洞围岩处于稳定状态,无明显的塑性破坏产生。     

引汉济渭二期工程输水隧洞盾构开挖过程参数化数值模拟方法研究

引汉济渭二期工程输水隧洞开挖过程及支护方案的安全性对于隧洞工程施工、运营阶段的安全性至关重要。数值模拟方法是预判输水隧洞开挖过程、支护过程的隧洞围岩及支护结构受力性能、安全性的重要手段。文章的目的是提出一种简化、通用、可靠的参数化数值模拟方法。将Ｐｙｔｈｏｎ语言应用于隧洞开挖过程的数值模拟中，基于Ｐｙｔｈｏｎ语言编制隧洞开挖过程的代码，代替双手完成复杂的建模过程。利用本文提出的方法分析了模型横向网格尺寸对开挖支护后管片环向应力的影响，并发现管片环向应力不受横向网格尺寸影响。文章所提出的基于编程语言的参数化建模方法具有零错误、高效的特点，可用于类似隧洞工程的开挖过程的数值模拟，对隧洞工程的安全性分析具有实用价值。     

内水压力作用下水工隧洞管片衬砌结构数值模拟分析

隧道衬砌管片结构直接影响隧道整体安全。本文以某输水水工隧洞为研究对象,利用有限元软件建立三维模型,计算管片变形与应力、接缝变形和螺栓应力,系统分析了内水压力作用下水工隧洞管片衬砌结构受力变形规律。研究表明,管片衬砌结构在内水压力作用下主要呈现向外的变形趋势,环向应力主要以环形拉应力为主;水头高度对不同位置接缝的裂缝宽度影响较小,裂缝平均宽度与水头高度的增长呈现线性关系;同一接缝的外侧开度较大,内侧开度较小,但同一接缝的裂缝开度差值接近;螺栓对于裂缝开度具有一定的限制作用,对于不同接缝和同一接缝不同开度,接缝宽度越大,当螺栓固定程度相同的情况下,螺栓对于裂缝的限制作用越大。     

高地应力条件下德罗电站软岩引水隧洞洞型与支护设计

德罗电站引水隧洞具有距离长、埋深大、洞室围岩为软岩和地应力水平高的特征,确定隧洞断面形式及支护方式,是隧洞工程设计的重点及难点。针对过流能力、结构受力、施工条件、工程投资和工期控制等,对不同断面形式隧洞进行比较分析,推荐采用平底马蹄形断面。根据隧洞沿程围岩类型,确定隧洞各洞段支护方式。三维数值计算表明,德罗电站引水隧洞平底马蹄形断面选择和支护设计方式是合适的,可为同类隧洞工程设计提供参考。