牛头山黄土铁路隧道的地震稳定数值模拟分析

为了获得天平铁路土建一标段的牛头山黄土隧道结构的动力稳定安全系数,从而为该隧道的安全运营提供可靠保证。本文考虑混凝土隧道衬砌结构为弹塑性本构关系,围岩土体为理想弹塑性材料,采用有限元软件ANSYS和抗剪强度折减法,利用时程分析法进行牛头山黄土隧道的地震稳定性分析,获得了它的地震稳定安全系数,定量估计该隧道结构的地震动安全储备情况。数值算例结果表明:(1)地震作用会使得黄土隧道结构的安全系数降低;(2)塑性区最先出现在底脚以及拱顶,然后出现在曲墙两侧。因此,结构设计时应加大衬砌厚度,并对曲墙两侧和底脚塑性发展严重区采取构造措施加强。     

填方隧道地震响应影响因素分析

以某隧道工程为例,建立了隧道地震动力分析数值模型,对高烈度地震区对填方地基修建的隧道结构进行动力响应特征研究,探讨隧道不同衬砌厚度、混凝土强度及覆土厚度等参数对隧道衬砌结构受力状态的影响。研究结果表明:在地震荷载作用下,衬砌厚度和覆土厚度对隧道各部位弯矩荷载值及剪力荷载值影响较大,特别是在衬砌底板与中墙连接部位影响显著;衬砌混凝土等级超过C30后对隧道衬砌结构的受力状态影响很小;对于隧道上部的回填覆土,应尽量避免单侧覆土,必要时增加水平支撑的方式以改善隧道受力状态。     

黄土隧洞安全系数初探

通过分析黄土破坏机理及形式,借鉴有限元强度折减法的思想,探索性提出黄土隧洞剪切与拉裂安全系数的定义及计算方法.文章先采用FLAC3D分析软件,模拟无衬砌黄土隧洞开挖,计算稳定安全系数.不断降低土体的抗剪切强度参数c-tanψ,使黄土隧洞达到极限破坏状态,此时的折减系数即为剪切安全系数.不断降低土体的抗拉强度参数,黄土隧洞内临空面上(不包括底部临空面)出现第一个拉裂破坏单元时,表明黄土隧洞发生拉裂破坏,定义拉裂安全系数为实际抗拉强度与破坏时折减抗拉强度的比值.采用ANSYS分析软件,模拟跨度较大黄土隧洞开挖,根据不同支护方式:老式支护和复合支护,分别计算围岩和衬砌安全系数,比较支护前后安全系数变化.提出了黄土隧洞的稳定必须同时满足两个要求:初期支护后土体围岩的安全系数不小于1.15～1.2;根据规范要求二次支护后衬砌结构的安全系数大于2.0～2.4,以确保隧洞在施工与运行过程中的工程安全.     

深埋双线铁路隧道二次衬砌安全性的变化规律

采用复合式衬砌的铁路隧道,当二次衬砌厚度不足时会影响隧道结构的安全,但衬砌厚度过大又有损经济效益。文章结合某深埋双线铁路隧道,采用ANSYS计算软件对不同衬砌厚度和不同围岩参数条件下衬砌各部位的安全系数进行了分析。通过研究获得了以下结论,即:改变围岩参数对安全系数影响不大,而衬砌厚度变化对安全系数影响较大,可为同类工程的设计和施工提供参考。     

地震隧洞稳定性分析探讨

 为得到地震作用下无衬砌隧洞的力学规律,将有限元强度折减法和具有拉和剪破坏分析功能的大型有限差分程序FLAC相结合,并将其引入到隧洞的稳定性分析中。在黄土无衬砌隧洞静力分析基础上,提出地震作用下动力有限元静态分析以及完全动力2种稳定性分析方法,在分析时同时考虑隧洞的拉破坏与剪破坏,从而得出黄土隧洞在动力情况下首先是隧洞顶部出现局部拉破坏然后是侧边整体破坏的破坏机制,同时也验证有限元强度折减法不仅能够用于隧洞静力分析而且能够用于隧洞动力稳定分析,从而为无衬砌黄土人居洞室的抗震设计提供理论依据,也可作为有衬砌黄土隧道的地震反应分析的基础。     

有衬砌隧道设计计算探讨——隧道稳定性分析讲座之三

利用有限元强度折减法结合基于有限差分原理的FLAC软件,探讨了隧道设计计算过程中初衬和二衬的计算问题以及隧道开挖的应力释放问题,并以黄土隧道为例探讨研究不同应力释放率以及不同初衬和二衬厚度情况下隧道的受力特征,计算围岩安全系数以及二衬安全系数,得出了以下结果:一是利用FLAC软件计算中的不平衡力来控制隧道开挖过程的应力释放是合适的与可行的;二是初衬作为隧道围岩的加固圈将承受较大荷载和产生较大的变形,初衬必将进入弹塑性状态;二衬作为隧道的强度储备或者承受不大的荷载,二衬视作弹性杆件可按结构力学的方法确定安全系数;三是如果初衬后围岩安全系数大于1.30,可以认为围岩和初衬都是稳定的,二衬作为安全储备;如果围岩安全系数在1.30~1.15之间或围岩为粘弹塑性材料时,表明二衬将承受一定荷载;如果初衬后围岩的安全系数小于1.15~1.20,则认为初衬不足,不能保证施工安全。最后建议对二衬后的围岩安全系数取1.3,二衬结构安全系数对无抗裂要求的混凝土衬砌取1.4,钢筋混凝土衬砌取1.35。两者综合的安全系数大约在1.8左右以供参考。     

基于强度折减法的中断面黄土隧道施工方法研究

为了研究中断面黄土隧道的开挖施工方法,本文借助有限元软件和抗剪强度折减法,对中断面黄土隧道的四种施工方法(全断面法、上下台阶法、台阶分部法和CD法)进行了有限元数值模拟,并获得了中断面黄土隧道施工中的抗剪强度安全系数。结果表明:对于中断面黄土隧道,CD法的施工安全系数最大,全断面法的施工安全系数最小,因此,对于中断面黄土隧道,建议采用CD法进行施工。     

高地震烈度区粉土地基抗液化及隧道抗震研究

昆明东外环下穿隧道工程是昆明南火车站枢纽工程中的一个重大项目,在勘察过程中发现K2+100~K2+200隧段含两层粉土层,且其中一层紧靠隧道设计底板。由于该工程处于高地震烈度区,在地震作用下粉土极易发生液化,直接影响到上部隧道结构的稳定。针对该工程实例,利用FLAC~(3D)软件开展了高地震烈度区粉土地基抗液化及不同隧道衬砌混凝土强度等级与衬砌厚度等条件下的隧道抗震研究。计算结果表明,在设计地震动加速度为0.2 g的条件下,该工程粉土地基超孔压比约为0.2,粉土地基不会发生液化;随着衬砌厚度的增加,衬砌弯矩和剪力总体呈现增长趋势,而混凝土强度等级的变化对衬砌的受力影响很小。分析结果初步揭示了可液化土中隧道结构的抗震特性,可为设计所参考。     

隧道软硬围岩交界段纤维混凝土衬砌抗震性能模型试验研究

为提高高烈度地震区隧道软硬围岩交界段的抗震安全性,依托乌鲁木齐地铁1号线某区间隧道工程,采用振动台模型试验对隧道软硬围岩交界段纤维混凝土二衬的抗震性能进行研究。研究结果表明:硬岩部分隧道结构的安全性主要由围岩﹣衬砌间的运动相互作用控制,软岩部分隧道结构的安全性由围岩﹣衬砌间的运动相互作用和地震惯性力共同控制;纤维混凝土二衬提高了支护结构的强度/刚度和韧性,由于硬岩部分隧道结构承受的地震惯性力增加很小,同时围岩﹣衬砌间的运动共同作用改善不明显,结构安全系数最小值增加较大,增大百分比最大达71.40%;软岩部分隧道采用纤维混凝土二衬后,支护结构抵抗较大地震惯性力的作用效果显著,但同时增强了围岩﹣衬砌间的运动相互作用,结构安全系数最小值增大百分比小于硬岩部分,增大百分比最大为29.11%;综合考虑地震动峰值加速度、纵向应变、接触应力及结构内力等指标,同体积纤维掺量条件下,隧道软硬围岩交界段钢纤维混凝土二衬的抗震性能及结构安全性优于玄武岩纤维混凝土二衬。研究成果可为强震艰险山区交通隧道抗震性能的提高提供参考。     

溶洞对隧道衬砌结构安全影响及回填深度研究

文章以国内某地穿越溶洞地层隧道项目为依托,采用ANSYS软件数值模拟,并得到有无溶洞情况下隧道衬砌结构的力学性状差异以及溶洞对隧道衬砌结构的安全度影响,进而提出建立刚度折减区,研究采用回填手段时,所需的最优回填深度。结果表明,溶洞造成隧道衬砌结构整体受力形式发生改变,衬砌大部分区域安全系数下降,回填土能有效提高隧道整体安全系数,回填深度达到4 m时,回填覆土只需提供原围岩0.2倍地层抗力刚度系数即能达到稳定,最具有安全性和经济性,为综合评价溶洞对隧道衬砌安全影响以及回填方案选取提供了依据。     

地下大跨度岔洞接头分析

用ANSYS对不同跨度主—支洞组合、围岩类别、矢跨比、衬砌截面厚度的大跨度岔洞接头在围岩压力和自重作用下的变形与应力进行了分析,总结了跨度、围岩类别、矢跨比、衬砌截面厚度变化对岔洞接头的影响规律,提出了相应的结构加强措施和截面参考设计尺寸。     

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。     

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。     

静力无衬砌黄土隧洞稳定性探讨

强度折减法和具有拉和剪破坏分析功能的大型有限差分程序FLAC相结合,并将其引入到静力隧洞的稳定性分析中。首先对黄土无衬砌隧洞静力破坏机制进行了数值分析,在此基础上进行了一个简单的隧洞静力模型试验,数值分析结果在静力模型试验中得到了验证,同时说明FLAC强度折减法能够用于隧洞静力稳定分析,进而计算得到隧洞静力稳定安全系数。为下一步黄土隧道的地震反应分析和有衬砌黄土隧道动力稳定性分析奠定了基础,也为隧道修建和运营期间的稳定性提供了依据。     

基于黄土联合强度的黄土隧道围岩应力及位移研究

隧道围岩应力及位移计算问题是隧道工程界中传统研究课题之一,但黄土抗拉强度在黄土隧道围岩应力及位移计算中存在的影响需要进行合理性评价。基于建立的可综合考虑黄土抗拉和抗剪特性的联合强度,开展了极限应力平衡分析,重新推导了强度破坏曲线的主应力表达式;然后重新确定了轴对称圆形隧道条件下黄土围岩塑性区半径;最后得到了隧道周边黄土围岩位移表达式。研究结果表明:在围岩塑性区应力计算与比较中,基于联合强度确定的围岩塑性区应力小于基于传统的Mohr-Coulomb理论确定的围岩塑性区应力,而塑性区半径和隧道周边围岩位移相对较大;基于拉强度建立的联合强度理论克服了Mohr-Coulomb理论高估黄土抗拉强度的缺陷,可以合理评价黄土隧道围岩应力及位移。     

浅埋交叉隧道地震动力响应及减震措施研究

运用ADINA软件中的Newmark直接积分法和Mohr－Coulomb弹塑性模型,计算了交叉隧道运行期,在不同地震动波和不同方向地震激励作用下,隧道顶部不同覆土厚度时动力响应规律;分析了衬砌厚度变化对隧道地震反应的影响。计算结果表明:垂直于隧道轴线方向的地震波对隧道结构影响最大,对于立体交叉隧道最大位移、最大加速度一般发生在上部隧道顶板中间位置处,而最大主压应力一般出现在隧道顶板与边墙连接处,这些部位是结构安全的关键点,设计时应重点关注;随着隧道顶部覆土厚度的增加结构相对位移、加速度和应力都有所增加,且位移和应力变化比加速度大,当覆土厚度增加到一定程度时,响应将基本趋于稳定;随着衬砌厚度的增加结构最大相对位移和应力逐渐减小,而加速度将逐渐增大,但减小和增大幅值随衬砌厚度增加而越来越小。     

赵家楞杆隧道病害及处置方案计算分析

黄土复杂的物理力学性质给黄土隧道施工和运营带来了巨大影响,同时也产生了一系列病害。为了提高类似黄土隧道结构的安全性和耐久性,利用SIR-3000和BJSD-2型激光断面仪对巉柳高速公路巉柳段赵家楞杆隧道病害情况进行了检测,结果表明隧道有明显的沉降段,并出现检修道倾斜、破损,衬砌厚度基本满足设计要求,测线位置并未发现明显含水区域和大面积脱空,依据检测结果分析了病害产生的原因。并针对病害形成的特征,提出了3种加固方案,从围岩稳定性和衬砌安全系数分析了3种方案的可行性,结果表明更换仰拱并加固仰拱地层改善了隧道结构的受力性状,衬砌的安全系数也得到提高。     

不同衬砌结构缺陷对隧道结构整体安全性的影响

为研究不同衬砌缺陷对隧道结构整体安全性的影响,以某实体隧道工程为依托,采用荷载 结构法建立有限元数值模型,分别对衬砌在正常状态、强度不足、厚度不足及背后脱空4种工况下进行数值计算,对比分析了不同衬砌缺陷对结构安全性的影响。结果表明:当隧道衬砌存在强度不足和厚度不足缺陷时,缺陷部位单元的安全系数减小,而其他部位的安全系数基本不变,随着衬砌厚度不足程度的加深,相应缺陷位置的安全系数也随之降低;当衬砌背后脱空面积较大时,衬砌脱空部位与其相邻位置处的剪力和弯矩均发生正负突变,衬砌结构受力与变形模式发生改变,脱空区域安全系数明显减小,但脱空部位相邻区域衬砌结构的安全系数反而增大,其他部位安全系数没有明显变化,与正常状态下基本保持一致。     

隧道衬砌厚度不足及劣化对结构承载能力影响研究

文章依托某隧道围岩条件及设计参数,针对隧道衬砌厚度不足、隧道衬砌劣化等病害类型对不同病害程度情况下的结构承载能力影响进行了系统研究。得出结论如下:(1)隧道洞顶部位厚度欠缺时,结构受力分布规律影响及安全性能降低程度相对较大;(2)隧道拱肩部厚度不满足设计要求时,随着衬砌厚度不足程度的不断增大,拱肩的安全系数显著降低;(3)隧道墙腰部厚度不满足设计要求时,随着欠缺程度的增加,相应部位的安全系数呈线性减小趋势。     

麦积山隧道衬砌结构安全性有限元分析

利用ANSYS有限元分析软件,分别对某隧道变厚度衬砌结构与等厚度衬砌结构的内力进行计算和分析,结合公路隧道设计规范给定的极限状态方程,分别计算出强度安全系数,并进行对比分析研究衬砌厚度变化对其安全系数和结构稳定性的影响,为类似隧道设计施工提供科学依据。