光滑接触条件下非圆形有压隧洞应力及位移解析解

考虑支护滞后的力学过程,并在衬砌与围岩为光滑接触的条件下,利用平面弹性复变函数法推导出非圆形隧洞在原始地应力和内水压力作用下的应力及位移解析解。根据衬砌内边界的应力边界条件及围岩与衬砌接触面上的应力和法向位移连续条件,获得了求解围岩和衬砌解析函数的基本方程。利用幂级数方法求解基本方程,再由此计算围岩和衬砌中的应力和位移,并且利用数值方法验证了所得结果。以直墙半圆拱形隧洞为例,分析了不同位移释放系数、侧压力系数和内水压力条件下的围岩开挖边界和衬砌内外边界的切向应力及围岩与衬砌接触面上的法向应力分布规律。研究成果可为求解深埋隧洞围岩与衬砌的应力及位移解析解提供参考。     

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:     

水工有压隧洞衬砌伸缩缝间距设计新法

根据对流换热边界条件下的水工压力隧洞温度分布规律，建立了考虑变温和内水压力联合作用下的隧洞衬砌、围岩应力计算法，绘出了水工有压隧洞衬砌伸缩缝间距计算公式。所获结果，可供设计人员参考。     

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。     

水工压力隧洞灌浆式预应力衬砌弹塑性应力分析

采用岩石力学中应用广泛的莫尔——库仑屈服条件,对水工压力隧洞灌浆式预应力衬砌进行了系统分析,给出了水工压力隧洞围岩分别处于弹性状态与弹塑性状态下的围岩、衬砌应力解析计算式．     

基于井流理论的隧洞外水压力解析计算方法研究

外水压力是影响隧洞安全稳定运行的关键因素。目前，外水压力的取值仍采用经验性或半经验性的方法，局限性较大。基于井流理论，采用水-岩分算的方式，通过地下水渗流原理推求圆形隧洞外水压力折减系数解析计算公式，并通过数值分析方法进行对比，将成果应用于城门洞形断面进行验证。结果表明，围岩条件即围岩的渗透性主要影响外水压力的大小；衬砌支护完成后，隧洞孔隙水压力会快速降低，然后逐渐趋于稳定，衬砌的阻水作用得到充分发挥；利用解析公式计算等效转换后的城门洞形断面，解析解与数值解误差不大，围岩的渗透性仍为主要因素。     

基于渗流场与应力场耦合的高压隧洞设计

将内水压力以体力的形式作用于隧洞衬砌和围岩,建立了高压隧洞内水外渗渗流场与应力场的耦合数值分析的计算模型。该计算方法较好的反映了水工高压隧洞的内水外渗后实际受力变形情况。将其应用于惠州抽水蓄能电站高压隧洞不同方案的对比计算研究,得出了一系列有意义的结论。     

围岩类型及衬砌厚度对水工隧洞地震动力响应的影响分析

以分析水工隧洞在地震激励作用下的变形破坏机制为目标,针对不同围岩类型和衬砌厚度条件下水工隧洞位移变化,根据地下结构抗震计算理论,选取合理的材料参数和模型边界条件,使用ANSYS建立了某水工隧洞的三维有限元模型,对其施加水平和竖向地震激励,应用瞬态分析法计算了隧洞结构模型在不同围岩类型和衬砌厚度下的水工隧洞动力响应。结果表明,在相同衬砌厚度下,随着隧洞围岩强度的降低,水平位移和竖向位移受影响的程度有明显的区别,即水平位移越来越大,竖直位移无明显规律可循;在相同的围岩强度下,水工隧洞并不会随着衬砌厚度的增加而趋于稳定,在Ⅲ类围岩的情况下,水工隧洞的位移随着衬砌厚度的增加而越来越大,Ⅴ类围岩下改变衬砌厚度对水工隧洞的位移几乎没有影响。因此,合理的设计围岩类型和衬砌厚度,可以既满足水工隧洞抗震性能要求,又能够降低工程造价。研究结果对合理设计隧洞衬砌厚度、增强抗震性能具有参考价值。     

新型预应力混凝土衬砌压力隧洞技术研究

本文提出了一种新型预应力混凝土衬砌压力隧洞技术。该项技术根据厚壁圆筒承受内外水压力理论,利用围岩的抗力作用,采用外加预应力法,在围岩和衬砌混凝土之间安装一种圆环形扁千斤顶设备,根据需要利用水或水泥浆通过有限的径向位移对隧洞衬砌混凝土层外部人为地施加某一数值与分布的均布压应力,用以部分或全部抵消内水压力所产生的拉应力。其优点是省去了预应力钢筋,且施工简便。模拟试验证明,利用水或水泥浆施加预应力法是可行的。有限元计算结果表明,在隧洞衬砌混凝土外层间隔施加预应力时,衬砌混凝土中的应力能够满足工程需要。     

新型预应力混凝土衬砌压力隧洞技术及其有限元分析

本文提出了一新型预应力混凝土衬砌压力隧洞技术,即:在厚壁圆筒承受内外水压力时,利用围岩的抗力作用,采用外加预应力法,在围岩和衬砌混凝土之间安装一种圆环形扁千斤顶设备——用薄钢板制成的中空圆环形压力囊,并根据需要利用水或水泥浆通过有限的径向位移对隧洞衬砌混凝土层外部人为地施加某一数值与分布的均布压应力,用以部分或全部抵消内水压力所产生的拉应力。其优点是不仅省去了预应力钢筋,而且施工简便、经济合理。还利用三维有限元法,分析了在隧洞衬砌混凝土外层间隔施加预应力时衬砌混凝土中应力的变化。计算结果表明,该技术是可行的,效果十分明显,可应用于实际工程。     

内水渗漏软化基底对盾构隧洞衬砌管片受力性能的影响分析

水工盾构隧洞在运行过程中存在内水渗漏导致基底软化的风险,基底软化将对隧洞管片受力变形产生影响。依托实际水工盾构隧洞工程,构建了由管片、灌浆体和围岩组成的三维有限元数值模型,针对Ⅴ类围岩条件下因渗漏导致基底均匀和不均匀软化的状况,研究了管片的受力性能变化规律。结果表明：在内外荷载作用下,管片的环向应力、竖向位移和定位销应力均随基底软化深度的增加而增大,均匀软化条件下仰拱管片出现峰值为1.88 MPa的拉应力,存在管片开裂风险;基底软化导致定位销应力增大,而管片竖向位移的变化幅度较小。研究成果可为水工盾构隧洞的安全运行监测提供科学依据。     

地面荷载和衬砌支护作用下浅埋隧道的围岩应力解

为研究地面荷载对有衬砌支护的浅埋隧道围岩应力的影响,在Verruijt研究复杂边界条件下浅埋隧道围岩应力问题的基础上,考虑隧道衬砌支护及地面荷载共同作用对浅埋隧道围岩应力稳定性的影响,求得了浅埋隧道围岩应力解并分析了多个因素对隧道围岩应力场的影响。结果表明:地面荷载越大,隧道腰部环向应力越大、底部环向应力越小;衬砌支护作用越大,隧道腰部环向应力越小、底部环向应力越大。地面荷载和衬砌支护作用不会改变浅埋隧道周边环向应力的分布规律及其受力最不利位置,但会改变其大小及作用方向。开挖过程中隧道拱腰处易出现土体失稳破坏。     

基于有条件联合承载机理的导流隧洞衬砌 安全与加固措施研究

针对高边墙的导流隧洞,结合某导流洞工程实例,建立了包含衬砌、围岩和支护结构在内的数值分析模型,采用有限抗拉强度材料反映衬砌与围岩间粘结强度有限的受力特征,分析了封堵期间在外水压力作用下衬砌与围岩的有条件联合承载特性,进而校核了衬砌结构的安全性。结果表明：随着衬砌与围岩粘结强度的降低,衬砌应力数值随之增加,所需最小抗剪厚度也越来越大;当衬砌厚度不满足条件时,可将衬砌内钢筋与外围锚杆绑扎或在衬砌内表面施加锚筋桩加固;相比钢筋与外围锚杆绑扎的加固措施,锚筋桩加固措施更为有效。     

高地应力环境下引水隧洞软弱围岩稳定性分析

以实际深埋软岩引水隧洞施工为背景,在对导致大变形的围岩压力性质认识和力学行为分析的基础上,结合室内实验、数值模拟手段、施工变形监测数据和围岩—衬砌接触压力现场试验,研究了隧洞开挖后洞周位移分布特征、围岩变形和支护受力随时间发展规律。研究结论表明:(1)大主应力方向为垂直方向的高地应力环境中,隧洞软岩大变形以挤压型变形为主;(2)开挖面和二衬对约束隧洞空间位移分布具有重要作用;(3)软弱围岩变形发展和支护受力具有明显的流变特性和时间效应,及时施加二衬能有效限制流变变形的发展。在研究基础上提出了一些施工中有益于控制围岩稳定性的建议。     

TBM隧洞管片衬砌受力与连接螺杆的必要性研究

结合某TBM有压引水隧洞,建立了包含管片衬砌与外部围岩的三维数值计算模型,运用有限元法模拟分析衬砌在不同工况下的应力和变形特性,探索使用连接螺杆的必要性。结果表明:施工完建期在开挖释放荷载和豆砾石灌浆压力单独作用下螺杆对衬砌的受力影响甚微;运行期在内水压力作用下,采用螺杆的方案衬砌环向拉应力较大且在与螺杆连接位置处出现局部应力集中。未采用螺杆的方案使得管片衬砌具有柔性结构的特征,承担的内压较小因而环向拉应力较小,表明螺杆对衬砌的环形拉应力不利。未采用螺杆的接缝处最大张开位移由原来的0.635 mm增加为0.731 mm,表明螺杆对于减小接缝处张开位移有利。基于接缝处张开位移不大于4 mm即可满足要求,具有较高的安全裕度,螺杆的优势不明显。鉴于此,从螺杆的不利角度出发,建议螺杆在管片安装期间完成功能后放松螺杆连接,以避免管片局部被动拉裂而影响结构整体的安全性。     

丹巴水电站引水隧洞衬砌结构安全与围岩稳定性分析

依托丹巴水电站引水隧洞工程,研究锚杆和衬砌对围岩稳定性的影响,进行了不同埋深下隧洞衬砌厚度的比选和衬砌的安全性分析、配筋和裂缝宽度验算等,考虑了不同衬砌施加时机对隧洞受力及位移的影响。研究发现,锚杆支护可使围岩塑性区分布更加均匀,受力更加合理,可较好的控制围岩变形;衬砌内最大压应力值随着埋深增加而增大,随着衬砌厚度增加而降低;提出了有效减压区,应在有效减压区选择衬砌厚度,衬砌厚度选1.5m为宜;在最危险工况下,给出了合理的配筋设计方案;经过不同位移量和不同模型下衬砌安全性的对比分析,衬砌加固选择85%的位移预留量,围岩的变形量和最大控制内力都可得到明显的控制。     

隧道洞口段结构地震响应分析

隧道的进出口大多是风化的松散堆积体,是抗震设防的薄弱环节。运用Newmark隐式时间积分有限元法,采用粘-弹性人工边界,对在地震荷载作用下围岩材料的渐变对隧道洞口段抗震性能进行分析。得到了3种工况下沿隧道轴线方向衬砌最大应力、位移以及加速度变化曲线,及不同工况下洞口段隧道结构的抗震设防长度。洞口段设防长度与洞口段围岩性质有关,洞口段围岩由软弱向坚硬渐变长度越长,洞口段衬砌应力就越大,洞口段设防长度就越长。     

高压引水隧洞的有限元计算

钢筋混凝土高压引水圆型隧洞的设计与计算,其中一个重要的内容是用有限元模型正确模拟地应力,以判断在隧洞开挖后围岩的2次应力场中的应力是否仍大于内水压力在围岩中产生的主拉应力,围岩会不会出现水力劈裂现象?也就是说,要保证运行期间不发生水力劈裂,只有按内水压力作用下的三次应力场中不出现拉应力(或者拉应力远小于围岩的极限抗拉强度)来确定围岩的承载能力方能保证这一点.用变温应力场来模拟地应力能够获得合理的位移与应力计算结果.隧洞混凝土衬体的配筋是由裂缝开展宽度计算确定的.通过模拟钢筋的有限元模型的钢筋工作应力的计算结果来确定混凝土的缝宽,将能够较全面地考虑包括隧洞体型尺寸、围岩弹模与弹性抗力、混凝土标号、衬厚、配筋量以及高压固结灌浆的残余应力等诸因素的影响,合理地确定配筋量.