引水隧洞支护方案优化研究

为提高施工效率、降低材料浪费，以某水电站引水隧洞为研究对象，提出采用造价低、施工方便、结构受力均匀的锚喷衬砌，并通过数值仿真及现场试验对优化方案的可行性进行了验证。研究发现，锚喷衬砌结构具有“小弯矩、大轴力”的特点，使混凝土的抗压性能得到有效发挥，提高围岩稳定性。锚喷衬砌结构与围岩间的接触压力及结构变形量较小，结构较为安全可靠。通过快速封闭成环形，可以形成良好的受力体系，有效控制变形破坏，从而确保隧道结构安全和施工安全。     

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。     

非圆形压力隧洞考虑支护滞后过程的应力与位移解析解

基于平面弹性复变函数中的保角变换方法,考虑衬砌的支护滞后效应,并认为衬砌与围岩完全接触,提出了带有衬砌的非圆形水工隧洞在原始地应力和内水压力共同作用下的应力与位移解析解,且求解过程中采用幂级数法简化计算。以马蹄形隧洞为例,用ANSYS进行数值计算,并与解析解进行对比验证;计算隧洞围岩开挖边界和衬砌内外边界的切向正应力以及围岩与衬砌之间的接触应力;讨论在不同侧压力系数、位移释放系数和内水压力下围岩与衬砌的应力分布规律。结果显示:解析解与数值解吻合较好;位移释放系数和内水压力对衬砌及围岩的应力分布影响显著,当位移释放系数和内水压力较大时,在衬砌内边界将出现拉应力区。研究结果为非圆形水工隧洞的围岩与衬砌的应力与位移分析提供了可行方法。     

围岩特性与衬砌厚度对隧洞衬砌混凝土温度应力的影响

为探明围岩特性与衬砌厚度对衬砌混凝土温度应力的影响,从而制定合理的温控标准,提出了技术可行、经济合理的温控措施,确保了白鹤滩水电站泄洪洞衬砌混凝土具有较高的抗裂安全性。根据白鹤滩水电站泄洪洞衬砌混凝土的结构和材料特性以及边界条件,利用ANSYS对衬砌施工过程中的温度场和应力场进行三维计算。结果表明:衬砌厚度越大,混凝土温度越高,最高温度出现时间越晚;围岩强度越高,衬砌厚度越大,产生的拉应力就越大;而围岩强度越差,衬砌厚度越大,对应的拉应力相对较小。围岩特性与衬砌厚度共同影响着衬砌混凝土温度和温度应力变化趋势,因此,为确保混凝土抗裂安全性,对不同围岩特性的地段应选择不同的衬砌厚度。研究结果可供类似工程参考。     

考虑地下水渗流影响的衬砌隧洞弹塑性分析

考虑地下水渗流场的作用,将含水围岩作为两相介质体,视外水压力为渗透水作用在围岩和衬砌应力场中的体积力,分别考虑围岩与衬砌的渗透系数,并基于岩体应变非线性软化特征,对衬砌隧洞进行弹塑性分析,得到了渗流场作用下围岩与衬砌的应力和位移解析计算式,并得到围岩开始产生屈服的极限应力。计算表明,当考虑渗透水压力作用时,围岩径向应力和切向应力都增大,并使围岩塑性区扩展;当隧洞围岩、衬砌材料的渗透系数差异显著时,不能简化为等渗透系数处理。     

深埋TBM隧洞围岩稳定与衬砌支护时机研究

结合某市供水项目TBM有压输水隧洞工程,建立三维数值分析模型,考虑开挖面空间约束效应,采用FLAC3D进行施工开挖期的围岩稳定与衬砌支护时机研究,分析了深埋TBM隧洞围岩的变形过程和在不同衬砌支护时机条件下围岩的变形与衬砌受力规律。计算结果表明,开挖掌子面的空间效应明显,对围岩的变形过程有较大影响;衬砌支护越早,围岩的变形量越小,但会造成衬砌应力水平显著提高,对衬砌结构的安全不利;因此建议综合考虑围岩稳定状态与衬砌应力量值决定衬砌支护时机。     

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。     

软岩隧洞二次衬砌的裂缝特性与成因

某大型灌溉工程中的引水隧洞，二次衬砌产生了严重裂缝．通过对不同洞段的衬砌变形、裂缝的发生发展以及衬砌与围岩温度的跟踪观测，获得了二次衬砌的应力变化与发展规律、混凝土的收缩曲线及影响因素、裂缝的产生时间与发展变化特性、温度应力的分布与变化过程．各种观测结果规律性好、相互印证，为裂缝的原因分析提供了可靠的依据．综合分析监测结果得出：隧洞二次衬砌的纵向裂缝与横向裂缝产生的原因是不同的，纵向裂缝是由于围岩压力和混凝土的收缩应力共同作用的结果，横向裂缝是由于混凝土的温度应力和收缩应力共同作用所致。     

基于ANSYS的输水隧洞围岩及衬砌结构有限元分析

根据某配水工程输水隧洞的实际情况,利用ANSYS对V类围岩隧洞典型支护断面建立二维有限元模型,仿真模拟了初始应力状态、毛洞开挖、毛洞支护等施工过程,并拟定内、外水压力不同工况组合,研究了围岩和衬砌的应力、应变状态。结果表明,隧洞周边围岩拉应力值较小,压应力较大值主要集中在隧洞中部;衬砌变形呈现向下变位的特点,拐角处可能存在应力集中现象,弯矩最大值出现在衬砌中部,衬砌的最大拉应力超过了混凝土的抗拉设计强度,最大压应力未超过抗压设计强度。     

高压水工隧洞透水衬砌渗流-应力-损伤耦合分析方法研究

在高压隧洞发电运行过程中,衬砌钢筋应力普遍小于设计预期,并未达到既安全又经济的效果。本文基于混凝土塑性损伤模型与透水衬砌理论,提出了透水衬砌渗流-应力-损伤耦合算法。基于大型通用有限元软件平台ABAQUS进行二次开发,通过Fortran语言调用实用程序GETVRM获取材料损伤,并利用子程序USDFLD实现了材料渗透系数随损伤的动态更新,完成了隧洞初次充水加压工况中衬砌损伤开裂的耦合分析过程,研究了衬砌损伤开裂、渗透孔压以及钢筋应力的演化特征,并探讨了衬砌与围岩有条件联合承载特性对耦合结果的影响。可以发现:计算所得的衬砌损伤开裂特征与衬砌压水试验结果吻合,完全联合承载与有条件联合承载两种情况下,衬砌钢筋应力表现出明显的差异,说明衬砌设计中未考虑衬砌与围岩相互脱离,即有条件联合承载,是隧洞发电运行时衬砌钢筋应力普遍小于设计预期的原因。本文提出的耦合算法所得到的结果与工程普遍规律相符,具有一定推广性,可以为衬砌设计问题提供一定参考。     

双护盾掘进管片衬砌隧洞的结构分析

分析双护盾掘进管片衬砌隧洞结构的空间效应，确定弹性状态下的变位及围岩所受荷载；进而推求围岩流变时产生的流变荷载，此荷载作用于衬砌及围岩，进而求出每一流变时段末围岩所储入的荷载及衬砌的应力，从而可求出衬砌所受总的应力．它适用于包括偏压荷载、围岩力学特征变幅很大的普遍情况．     

加固措施对富水断层破碎带隧洞围岩稳定的影响研究

若遭遇节理裂隙发育、孔隙水压力较高、溶蚀破碎带等不良地质条件,现有的加固措施能发挥 多少作用,值得进一步研究。选取处于强透水岩体且夹杂断层破碎带的引水隧洞断面,应用大型商用有 限元程序ＡＢＡＱＵＳ对围岩稳定性进行分析,探究混凝土衬砌和注浆圈两种加固措施的支护效果。分析 表明,衬砌能够显著减小围岩的应力和变形,替围岩承担较大的应力;而注浆圈不仅能够约束围岩、提高 围岩的整体性和自稳能力,而且能够降低衬砌的应力,起到了保护衬砌的重要作用;加固之后围岩应力 和变形的改变与渗流场的变化息息相关。     

锚喷衬砌在长距离城门洞形引水隧洞中的应用

对于城门洞形隧洞衬砌计算,目前均采用《水工隧洞设计规范》规定的边值数值解法,或通过隧洞衬砌计算软件SDCAD计算。该方法对于小断面城门洞形隧洞,按照边值法计算后,即使围岩条件较好的洞段采用钢筋混凝土衬砌,仍需采用双层配筋,对长距离引水工程来说,投资较大。因此,通过ANSYS有限元法和边值数值解法进行对比计算分析,对于小断面城门洞形隧洞衬砌进行优化,以集安供水工程为例,主要论证Ⅱ、Ⅲ类围岩采用锚喷衬砌的可行性,有效节省投资。     

基于全量理论的洞室围岩抗力系数计算

视衬砌在内压力作用下与围岩共同承载联合工作,采用全量理论将岩体单轴应变非线性软化本构模型推广,得到复杂应力状态下岩体等效应力和等效应变关系,将围岩划分为松动区、塑性区、弹性区,对衬砌压力隧洞在等压荷载作用下进行弹塑性分析。在推导出围岩松动区、塑性区、衬砌内任一点的应力和位移解析计算公式基础上,得出了不同工况下围岩抗力系数计算公式,该围岩抗力系数计算公式不仅考虑了中间主应力的影响,而且与已有的围岩抗力系数计算公式相通。     

某水电站调压井衬砌应力稳定分析

结合某水电站调压井实际工程,运用ANSYS结构有限元软件,模拟调压井实际开挖进程,进行井身衬砌应力稳定分析。从结果可以看出,调压井衬砌和围岩间的应力和变形均十分合理,计算精度较高,满足施工安全及衬砌合理化要求,为该工程顺利施工提供了理论依据。     

超大埋深高地应力软岩隧道衬砌设计研究

围岩初始地应力场是隧道工程稳定与支护结构设计所需要的基本因素之一，在超大埋深高地应力软岩隧道衬砌设计过程中，如何合理确定围岩压力并进行衬砌针对性设计参数是工程师关注的重要问题。以某铁路超大埋深高地应力软岩隧道为研究对象，从理论推导和数值模拟两个方面出发对围岩压力进行研究，即基于卡斯特耐尔拓展公式理论推导确定围岩压力和基于ANSYS有限元分析软件进行三维地应力场模拟，研究了不同地应力水平和预留变形量组合下的围岩压力，并对三维地应力场模拟结果进行分析探讨；通过上述方法确定围岩压力后，建立有限元分析模型对高地应力软岩隧道衬砌参数(以Ⅳ级围岩为例)进行设计，检算衬砌参数可靠性并形成成果，可以为类似工程提供参考。     

新疆下坂地水利枢纽工程引水洞洞径经济比选及隧洞衬砌结构初步确定

通过对新疆下坂地水库枢纽引水发电洞初拟洞径、洞内流速、年发电量、直接投资的动能技术经济指标分析,采用差额投资内部收益率方法对洞径进行经济比较,选择经济洞径5.2m。对隧洞衬砌结构可选用锚喷衬砌或钢筋砼衬砌,结合本工程对外交通、隧洞围岩类别、工作水头、岩爆、有害气体进行分析,初步确定采用钢筋砼衬砌。     

深埋大直径无压引水隧洞基于流变的风险分析

以南水北调西线工程深埋大直径无压引水隧洞为例，考虑高地应力及锚杆、衬砌等支护的动态作用，推导出隧洞围岩、衬砌应力及位移的表达式．经计算表明，一般在运行5年后，隧洞衬砌及围岩稳定破坏基于流变的风险达到最大，并随围岩流变的稳定而趋于稳定，隧洞开挖后未及时衬砌的风险明显高于及时衬砌的情况．     

隧洞支洞群施工及运行期围岩及衬砌结构应力变形数值分析

采用弹塑性D-P模型对缅甸太平江水电站引水发电洞支洞群稳定性进行了分析,探讨了在开挖及运行工况下围岩稳定性、衬砌混凝土结构的应力变形分布规律以及不同开挖顺序对围岩应力变形影响。结果表明:在施工及运行工况下,围岩稳定,运行工况下现有衬砌结构能够满足要求,不同开挖方案对围岩应力变形影响不大。分析成果为该工程设计及施工提供参考。     

调压井井壁结构计算几种方法

调压井大井衬砌包于围岩之中,当它随轴对称向荷载时,如果围岩较均匀,衬砌内主要只承受轴向应力(箍应力),仅在筒底或某些参数不连续部位,会有局部弯曲应力存在,在计算大井井壁时宜计及围岩的弹性抗力作用,以减少应力和节约工程量.