黄土隧道喷射混凝土衬砌有限元分析

腰岘河单线铁路隧道穿经老黄土Q_2,埋深40米,全长311米。首次在55米长的地段上试验采用喷射混凝土作为永久支护。为了从理论上验证,进行了线弹性的和非线性的有限元分析。计算参数均由现场测试和实验室试验所确定。在线弹性分析中假定隧道一次开挖完毕且衬砌一次做好,计算了土体和衬砌的应力和变形。在非线性分析中,考虑了分阶段开挖与衬砌的时间效应;采用了Duncan建议的双曲线本构关系,惟由试验指出,黄土的初始弹性模量与应力无关。分析结果表明:不考虑开挖过程的时间效应以及材料的应力—应变非线性关系的线弹性有限元分析,其所算得的变形值偏小,衬砌应力值偏大;而考虑这些因素的非线性有限元分析,能反映隧道衬砌与周围土体的实际受力变形情况,算得的变形值与实测值符合良好,衬砌应力值较为合理。用喷射混凝土支护黄土隧道,能保证其稳定性,而喷层强度则为其抗剪强度所控制。     

黄土公路隧道衬砌参数影响性状分析

针对黄土公路隧道常采用模筑混凝土强支护型式,利用数值仿真技术分析了衬砌混凝土强度、厚度和考虑龄期与否对围岩及隧道衬砌结构的影响。研究表明:混凝土强度提高对围岩和衬砌结构影响不大;存在一个“合理经济”的衬砌厚度;仿真计算中是否考虑混凝土龄期对衬砌轴力影响较大。     

带衬砌浅埋隧道开挖受非对称收敛变形影响的地层位移和衬砌应力分析

 盾构隧道施工引起的环境土工效应分析一直是城市轨道交通安全控制的关键课题。由于目前该领域较少考虑隧道衬砌与土体相互作用带来的影响,尤其是较少针对衬砌应力进行分析,由此提出带衬砌浅埋隧道开挖受非对称收敛变形影响的地层变形计算方法;同时考虑地层与衬砌之间的非对称收敛协调变形模式,建立带衬砌隧道开挖的Airy应力函数解析解答。通过实例研究,得到带衬砌隧道非对称变形模式下的地层沉降和水平位移曲线,并与实测数据进行对比验证;通过参数分析,获取土体和衬砌的材料特性、隧道几何特性以及隧道埋深等主要参数对浅埋隧道开挖地层变形和衬砌应力的影响规律。结果表明：非对称收敛变形模式对地层位移的影响明显,在此条件下得到的沉降槽和水平位移曲线与实测值吻合较好,地表最大沉降值更接近于实际;隧道半径或土层硬度对土体沉降最大值有较大影响,减小半径和硬化土层对减少土体沉降量效果显著,而衬砌几何参数的改变对沉降量的影响不大;衬砌轴力和弯矩整体关于90°/270°轴即隧道竖轴线严格对称,其中轴力沿圆周呈倒“8”字分布,而弯矩随着k值的增大,沿圆周方向由“8”字形向“0”字形过渡,最大轴压力和最大负弯矩发生在拱腰位置,土体侧压力系数k的取值对衬砌轴力和弯矩的分布和大小影响明显。分析成果可为正确预估软土浅埋盾构开挖变形提供一定的理论依据。     

考虑气压效应的浅埋隧道开挖影响解析解答

 基于隧道开挖椭圆化变形模式,针对盾构施工分别考虑气压效应与无气压效应2种工况,提出饱和土中浅埋隧道开挖引起的地层长、短期变形和隧道衬砌内力位移的计算方法。结果表明：椭圆化变形模式下得到的位移曲线与实测值吻合较好,考虑气压效应条件下隧道开挖施工引起的土体变形大于非气压工况,长期影响解大于短期影响解。通过参数调整研究衬砌洞周处位移分布规律时,发现衬砌径向负位移在90°拱顶处达到最大值,在270°拱底处取得最小值,反映了衬砌明显的椭圆化和整体下沉变形趋势,并且随着半径增大以及土体模量减小,椭圆化变形趋势越明显;切向位移值基本以90°/270°隧道中轴线为分界轴,正值取在隧道左半圆,负值取在隧道右半圆,增大半径以及减小土体模量提高了切向位移值的整体水平。通过参数调整研究衬砌内力分布规律时,发现硬土质和大间隙时隧道轴力更容易表现出明显的椭圆化分布趋势,弯矩值随着隧道埋深、隧道半径以及土体重度减小而减小,随着土体侧压力系数k的减小而增大。盾构气压水平的提升,使衬砌轴力受压区范围增幅明显,并使衬砌的正、负弯矩值均增大。分析成果可为正确预估复杂工况下盾构开挖变形提供一定的理论依据。     

无衬砌支护下隧道拱顶塌方破坏模型试验

由于隧道垮塌事故的不断出现,隧道开挖过程中的安全问题已引起人们的广泛关注.本文以Ⅳ类围岩为对象,利用模型试验对隧道开挖过程中无衬砌支护情况下拱顶的变形和破坏情况进行了研究.为此,首先利用人工材料实现对原型地层的模拟;随后,进行了模型试验方案的设计;最后,通过对试验结果的研究和分析,得出了隧道开挖中无衬砌支护情况下拱项的...     

地裂缝活动环境下盾构隧道双层衬砌性状分析

 处于地裂缝活动环境下的盾构隧道,在地裂缝上下盘相对错动下,隧道衬砌在纵向将承受比正常情况下大得多的附加应力和变形,此时衬砌在结构强度和防水两个方面都可能失效,使隧道不能正常运营。基于此,考虑在盾构隧道混凝土管片衬砌内再作一层整体式现浇钢筋混凝土内衬形成双层衬砌结构,共同承担外力,以达到减小结构应力和变形的目的。为此,对双层衬砌结构在地裂缝作用下的受力和变形性状进行数值分析,主要考虑地裂缝上下盘错距、钢筋混凝土内衬厚度和强度等因素对衬砌受力和变形性状的影响,得出一些具有工程指导意义的结论,计算结果表明：管片内的整体式钢筋混凝土内衬能有效的减小隧道衬砌在地裂缝错动下的内力和变形;衬砌的内力和变形与地裂缝错距大致成线性正比关系;内衬厚度对衬砌受力和变形均有较大影响,衬砌越厚,应力和变形越小,但厚度超过300 mm后再增加厚度,效果明显减弱;内衬强度对衬砌受力和变形的影响较小,实际工程中采用C30混凝土即可。     

黄土地区浅埋暗挖地铁隧道衬砌受力分析

为了解黄土地区浅埋暗挖地铁隧道衬砌结构的受力特征,得出荷载在衬砌结构各部分中的分担比例,以西安地铁 2 号线实体工程为依托,开展了较大规模的现场测试工作,对围岩与初期支护接触压力、初期支护与二次衬砌接触压力及二次衬砌结构应力进行了研究。结果表明：在三连拱大断面地铁隧道中先开挖洞室初期支护各部位所受的围岩压力均大于后开挖洞室初期支护所承受的压力;左、右线中墙顶、底部初期支护承受的压力较大,表明隧道中隔墙承担了较大的上部土体荷载;初期支护与二次衬砌承受的荷载比例为 52.81% 和 47.19% ;二次衬砌混凝土基本受压,左、右中隔墙二次衬砌混凝土受压最大。在标准断面地铁隧道中左、右线墙脚位置初期支护与围岩之间接触压力较大,表明这两位置承受了大部分垂直压力;初期支护与二次衬砌承受的荷载比例为 40% 和 60% ;二次衬砌混凝土基本受压,拱腰及以上位置应力较大,仰拱处应力较小。     

EPS颗粒-黄土混合土减震层对黄土地区隧道衬砌结构的减震作用

为了分析聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）颗粒-黄土混合土减震层在不同条件下对隧道衬砌结构减震效果的影响,采用通用有限元软件ANSYS建立了在隧道支护体系内设置减震层的数值模型,分析了EPS颗粒掺入比、减震层厚度及地震动强度对隧道衬砌结构动力响应规律的影响。结果表明:设置减震层可以减小传递至隧道衬砌结构的地震能量,从而使得隧道衬砌结构各关键点正应力、剪应力、最大主应力、位移及加速度峰值均有所减小,且一定范围内随着EPS颗粒掺入比的增大,减震效果逐渐明显;减震层的厚度控制在30～50 cm区间内时减震效果最佳;减震层在强震作用下的减震效果更好,该混合土减震层更适合高烈度地震区的抗减震;所得结论可为今后在土体环境尤其是黄土地区开挖的隧道衬砌结构抗减震工程建设提供一定参考。     

软弱围岩隧道二次衬砌合理施作时机研究

为确定软弱围岩隧道开挖过程中,不同施工工法对应的二次衬砌合理支护时机,采用FLAC3D软件建立数值分析模型对三台阶预留核心土法和CRD法的开挖过程进行模拟,分析二次衬砌支护时机对围岩和支护结构受力变形的影响,并确定出合理的二次衬砌支护时机。研究结果表明:二次衬砌的支护时机对隧道围岩的变形有显著影响;不同工法的初期支护所受的最大压应力会随着二衬与开挖面距离的增大而增大,但是其增幅会越来越缓慢;三台阶预留核心土法下二衬与开挖面的合理距离可在15.6～25.2m范围选取,CRD法下的合理距离可在31.2～42.0m范围选取。     

复变函数法分析盾构隧道开挖引起的土体位移和衬砌变形

盾构隧道开挖引起的地层变形历来是人们所关注的重要课题。目前,既有成果较少考虑隧道衬砌与土体相互作用所带来的影响,尤其是较少针对衬砌变形进行分析,就此基于隧道椭圆化变形边界条件,提出了考虑衬砌与土体两种不同介质相互作用下的地层位移和衬砌变形复变函数解答。在该方法中,隧道埋深只影响共形映射后圆环域的环壁厚度,而解析区域依然保持圆形,具有不会对函数解析产生影响的优势;此外,该法经共形映射后保证了边界连续性,避免了既有应力函数法为保证隧道扰动土体无穷远处位移为零,而对解析解进行修正所导致物理意义不明确的缺陷。通过实例分析,得到了隧道开挖引起的地表沉降,并与实测数据进行了对比验证;通过参数分析,获取了扰动地层和隧道衬砌变形的影响规律。结果表明:复变函数解答得到的土体位移曲线与实测值吻合较好,且地表最大沉降值更接近于实测值;隧道的埋深和半径对土体位移和衬砌变形均有较大影响,衬砌厚度对其影响虽然较小,但仍不可忽略;衬砌径向位移曲线呈仰卧的鸭蛋形,关于90°/270°轴对称,拱顶和拱底被压扁,拱顶压缩量明显大于拱底,左、右两侧压缩量小于上、下两侧,表现为收缩之后又被压扁向左、右两侧突出,且随着埋深的增大,衬砌整体上浮;衬砌环向位移曲线呈侧立的苹果形,关于0°/180°轴对称,且在90°和270°处取值为零,随着隧道埋深的增大,环向位移绝对值增大。     

盾构隧道双层衬砌横向力学结构参数优化研究

随着水下盾构隧道建设及运营环境日益复杂,安全要求日益提高,盾构隧道双层衬砌有望在工程中得到较为广泛的应用。本文依托武汉轨道交通8号线越江隧道工程,采用双层衬砌盾构隧道三维壳—弹簧力学分析模型,研究了不同工况下二次衬砌强度及厚度对双层衬砌内力及变形的影响,并对二次衬砌是否应当配筋的问题进行了探讨。研究结果表明:二次衬砌强度变化对管片衬砌结构内力影响甚微,但二次衬砌弯矩量值略有提高,同时通过提高二次衬砌强度来抑制隧道竖向变形的效果不明显,考虑到工程造价问题,二次衬砌强度不宜过高,取C40为宜;二次衬砌厚度增加对管片横向内力影响甚微,但对其结构受力有不利影响,综合考虑隧道运营期火灾以及列车撞击等因素,二次衬砌厚度取30~40 cm为宜;在外荷载增大情况下,二次衬砌拉应力量值显著增加,超过混凝土规范容许拉应力值,因此,实际工程中建议对二次衬砌进行配筋设计。研究结论可为盾构隧道双层衬砌的设计及施工提供有益的借鉴。     

机场跑道下穿隧道结构稳定性影响因素研究

为研究飞机荷载作用下机场道面下穿隧道结构的稳定性,建立了机场道面-基层-土层-隧道衬砌结构协同变形的力学模型,深入分析了飞机荷载作用下道面-基层-土层-隧道衬砌结构的稳定性,重点探讨了地应力、隧道自重及飞机荷载冲击效应影响下隧道结构衬砌的位移响应、速度响应及应力演化规律。研究发现：隧道自重及地应力对土体-隧道结构整体稳定性影响较大,飞机荷载的冲击效应影响相对较小;圆形截面形式的隧道结构的稳定性最好;随着隧道结构埋置深度的增加,地应力对隧道结构稳定性的影响越严重;衬砌结构的混凝土强度越高,其稳定性越好;随着飞机荷载作用位置不同,隧道结构变形有较大的变化,且随着衬砌厚度的增加,飞机荷载的冲击效应对隧道结构的影响逐渐衰弱。     

新建隧道病害处治加固技术

以新建孙家崖隧道为例,分析了隧道初期支护变形、二次衬砌开裂等病害产生的原因及现状,提出了隧道病害整治的原则,并根据裂缝宽度以及素混凝土衬砌、钢筋混凝土衬砌的不同形式,采取了相应的加固方案,保证了该隧道的施工质量。     

二次衬砌技术在水利工程隧洞中的应用研究

二次衬砌是隧洞开挖支护的关键结构。文中结合实例建立“隧洞+二次衬砌”耦合模型,并对不同开挖方式以及不同支护工况下二次衬砌变形进行分析对比。结果表明,全断面光面爆破法开挖时二衬的变形小于三台阶法开挖时二衬的变形,且位移分布较均匀。在满足工程安全的情况下,增加二衬强度并不能大幅度降低二衬位移,在考虑经济性条件下,二次衬砌无需保守设计。     

软岩地层隧道喷射混凝土衬砌研究

通过试验和数值模拟分析，研究了隧道喷射活性粉末混凝土单层衬砌支护技术。并对所采用的混凝土配合比设计以及喷射混凝土单层衬砌的抗渗性和耐久性进行了分析。结果表明，采用喷射活性粉末混凝土单层衬砌取代复合式衬砌，可提高软岩地层隧道的承载和防水能力，改善隧道环境。研究结果可为进一步提高隧道施工和支护技术提供参考。     

隧道钢纤维喷射混凝土性能试验及其工程应用

 根据钢纤维喷射混凝土结构力学原理,为了研究钢纤维混凝土喷层在隧道单层永久衬砌支护中适用性,先分析钢纤维在混凝土中的增强力学作用机制,然后完成钢纤维喷射混凝土合理配比、抗拉、抗压、抗折及抗折初裂强度和弯曲性能等指标的室内试验;并结合具体的隧道现场喷射试验,以及围岩应力、钢纤维混凝土喷层应力及洞周附加水平收敛等监测数据进行分析。研究结果表明,钢纤维喷混凝土抗拉、抗折强度高,韧性好,喷层中的应力分布较均匀,具有较好的让压能力,喷射作业回弹损失量减少,说明钢纤维喷射混凝土是一种理想的单层衬砌支护材料,具有较好的推广应用价值。     

不同支护应力下土质隧道压力拱分布规律试验研究

隧道开挖使得围岩应力重分布而产生拱效应,拱效应的作用范围与隧道支护结构设计的安全储备以及经济性密切相关,并且一直都是岩土工程界的一个重要研究课题。作者根据相似原理,选用中砂为实验材料,采用卸载支护压力模拟隧道开挖。通过实测不同支护力条件下洞周土体径向和环向的土压力数据,分析了土拱拱体在不同支护作用下的发展变化规律,结果表明:压力拱拱体内外边界随着支护压力的减小而不断扩大,最终达到厚度为1.3倍洞径左右的稳定压力拱拱体。研究结果对地下“洞”室的开挖以及衬砌设计具有参考意义。     

基于早期抗裂隧道衬砌混凝土现场试验研究

为了探究隧道衬砌混凝土早期抗裂性及开裂机理，通过现场对比试验的方法进行研究。首先确定现场试验的试验方案，主要确定试验材料及配合比、试验对比段选择和现场试验准备工作；其次进行现场试验，主要包括混凝土配合比试验以及混凝土性能试验测试；最后基于试验分析数据，从实体混凝土裂缝、衬砌混凝土温度和衬砌混凝土强度等角度进行了现场试验对比分析。研究表明：通过对试验段与对比段观测分析，选取的两个试验段隧道混凝土裂缝降低率分别为70.36%和74.58%，可见防裂效果明显；随着龄期的增加，衬砌混凝土内部温度持续性降低，平均降低率为23.0%；且断面温度呈现衬砌混凝土中心温度最高，围岩侧（内侧）温度次之，隧道侧（外侧）温度最低；两个试验段隧道衬砌混凝土试件抗压强度及实体回弹法推算强度值均满足设计（C30）要求，试验段数据均匀，离差小。     

明挖及埋置方式对隧道衬砌的受力影响研究

对于埋深比较浅的隧道会采取明挖法施工,待开挖完毕后,边回填边进行隧道施工。文章通过有限元分析法,研究在开挖角度分别为90°和70°时,待隧道上方土体回填后,隧道衬砌的受力对比分析,并通过改变隧道距开挖边缘的位置进一步对比分析,位置不同时,隧道衬砌所受外力的不同,通过研究发现:当明挖法开挖时,具有一定倾角时,有利于减小作用在隧道衬砌上的外力,隧道位于开挖底部的中间位置时,衬砌拱圈的受力更为合理。     

饱和土中考虑衬砌界面排水的浅埋盾构隧道开挖影响分析

盾构隧道施工引起的环境土工效应分析一直是隧道及地下建筑工程领域中研究的热点问题。由于目前该领域较少考虑饱和土质以及隧道衬砌与土体间界面排水工况所带来的影响,尤其是较少针对隧道施工长期变形影响以及衬砌应力进行解析分析。由此基于隧道开挖椭圆化变形模式,考虑衬砌界面完全排水以及完全不排水两种工况,提出了饱和土中浅埋隧道开挖引起的地层长短期变形和隧道衬砌应力计算方法。结果表明:椭圆化变形模式对地层短期变形和长期变形的影响均较明显,在此条件下得到的位移曲线与实测值吻合较好。在计算衬砌内力时,衬砌轴力和弯矩整体关于90°/270°轴即隧道竖轴线严格对称,其中轴力沿圆周呈上大圆下小圆的倒“8”字形分布;而弯矩沿圆周呈上下圆基本一致的“8”字形分布,其中下圆稍大。土质和界面排水条件显著影响衬砌内力值的大小,其中饱和土长期排水工况下衬砌内力值一般大于不排水工况解,且其与饱和土短期不排水解相比差距明显。分析成果可为正确预估饱和土浅埋盾构开挖变形提供一定的理论依据。