矩形隧道衬砌结构优化数值模拟分析

为提出合理的明挖法城市地下矩形隧道结构优化形式,建立了衬砌厚度和衬砌拐角优化后的荷载-结构力学模型,运用有限元软件对衬砌结构的内力和变形进行数值模拟分析。研究结果表明:当对衬砌结构厚度进行优化时,矩形隧道结构的最大变形值与衬砌结构厚度成反比;衬砌厚度减薄,对整体结构内力分布变化影响较小,但是在衬砌结构拐角处产生应力过大的现象。而对衬砌拐角处结构形式进行优化时,衬砌结构的变形量明显减小,整体结构变形分布较均匀,而产生水平位移最大值的位置出现"下移"的现象;衬砌结构形式的优化,使衬砌结构内力分布特征产生较大差异,对整体结构受力是有利的。因此考虑结构受力和使用空间等方面的要求,采用该种衬砌结构优化形式,不仅能够充分发挥衬砌结构的潜能,而且可以节约工程造价。     

双圆盾构隧道衬砌不同内力计算模型对比分析

盾构隧道衬砌结构的内力大小及分布规律对衬砌管片的设计和施工控制具有重要的意义,尽管单圆盾构的内力计算模型已经比较成熟,但对于双圆盾构的内力计算仍有待进一步研究.文章拟对目前国内所采用的双圆盾构内力计算模型进行综合分析,并与所建议的双圆盾构梁-弹簧法比较分析表明:在相同边界条件下,双圆盾构衬砌结构的内力解析解获得的轴力和弯矩值一般偏大,数值解最小,而实测值介于二者之间,但不同方法计算结果所表现的分布规律基本一致,证明作者所提出的双圆盾构梁-弹簧模型可为双圆盾构衬砌结构的设计和施工提供参考依据.     

高速公路隧道衬砌厚度安全性分析

以某高速公路隧道为背景，针对其衬砌厚度低于设计值的情况，建立荷载结构模型，通过弹塑性有限元分析方法，计算衬砌的结构内力及其强度安全系数，提出了衬砌厚度变化对其安全系数、结构稳定性的影响。     

不同外水压力下输水隧洞结构及配筋计算分析

本文采用SDCAD对输水隧洞衬砌结构在不同外水压力作用下的内力值及配筋进行了计算,结果表明,无压输水隧洞内力及配筋结果由外水压力控制,外水压力越大,结构所受内力就越大,对隧洞的选配钢筋的要求也就越高。     

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。     

有限单元法在钢筋混凝土岩石隧洞衬砌计算中的应用

本文分析了目前常用的钢筋混凝土衬砌内力计算方法的不足、围岩与衬砌问缝隙对衬砌内力的影响,以及按规范公式计算衬砌裂缝宽度存在的问题,指出钢筋混凝土有限单元法是衬砌配筋设计的一种有效方法,同时介绍了应用钢筋混凝土有限元进行衬砌设计的思路。     

地铁区间盾构隧道衬砌内力计算方法比较分析

地铁区间盾构隧道衬砌内力计算是非常复杂的。针对沈阳地铁一号线区间盾构隧道衬砌,分别采用不考虑土壤介质侧向弹性抗力自由变形均质圆环法和考虑土壤介质侧向弹性抗力的修正惯用法进行内力计算。分析比较了衬砌管片结构内力分布规律,探讨了计算方法对盾构隧道衬砌结构设计所造成的影响。     

穿越断层破碎带隧道动力响应特性分析

 通过数值分析和振动台模型试验相结合的方法,研究穿越断层破碎带隧道在地震荷载作用下横向内力分布和纵向动力响应特性。结果表明：围岩条件是影响衬砌地震内力的重要因素,围岩越差,地震作用产生的内力越大,其抗震性能越差;在横断面方向,不同围岩条件下衬砌内力均在共轭45°方向最大,为隧道抗震最不利位置;在纵断面方向,隧道位于围岩与断层破碎带接触面时,衬砌地震内力急剧增大;当隧道断面沿纵向远离断层破碎带一定距离后,其内力趋于一个稳定值。研究结果可为穿越断层破碎带隧道结构抗震设防提供参考。     

盾构隧道衬砌的设计方法分析

针对盾构隧道衬砌管片的内力及变形受多种因素影响的情况,结合工程实例,从衬砌管片方面分析了衬砌的内力及变形,得出衬砌管片的内力及变形随其自身因素变化的一些规律,以供设计人员参考。     

拱顶背后空洞对直墙式隧道结构安全性影响分析

拱顶背后空洞作为隧道衬砌病害的主要诱因,威胁着隧道运营安全.为探究空洞对隧道结构安全性影响机制,依托某公路隧道工程,建立三维数值模型就空洞几何尺寸对衬砌结构内力及安全性变化规律进行分析.研究结果表明:拱顶背后空洞的存在改变了衬砌结构内力分布规律,空洞几何尺寸发生改变,衬砌结构内力也随之变化;当空洞环向范围发生改变,衬砌...     

盾构隧道施工阶段管片上浮的力学分析

 盾构隧道衬砌管片在施工阶段处于复杂的受力状态,易出现管片错台、整体上浮等现象。对盾构隧道施工阶段管片注浆段进行受力分析,考虑静态上浮力和动态上浮力,分别分析其作用机制,提出上浮阶段的衬砌环受力模型及计算公式。针对盾构隧道衬砌环在正常设计状态与上浮状态下的受力不同,采用修正惯用法衬砌设计理论分别对其进行内力计算,并将计算结果进行对比分析。结果表明：上浮状态下管片的弯矩值、剪力值和轴力值分别比正常设计状态下的管片内力增加64%,51%和46%,表明隧道上浮对管片受力不利。其中施工阶段动态上浮力对管片的受力影响非常大,超过静态上浮力,必须对其进行合理控制,防止压裂管片。     

泄洪洞上平段高外水压力作用下的衬砌安全性数值分析与评价

白鹤滩泄洪洞规模宏大且围岩地质条件复杂,当大坝蓄水至正常蓄水位时,受外水压影响,泄洪洞衬砌的安全性评估是电站运行期的关键技术问题。以左岸1号泄洪洞受外水压影响为例,采用3DEC数值分析软件分析在不同蓄水位、不同衬砌厚度下,渗流场对衬砌安全性影响。研究表明,由于外水水头不大,衬砌整体的受力水平不高;在衬砌拱肩及拱脚位置局部应力集中,主应力相对较大,但均不超过10 MPa,所以衬砌受力大小相比C30混凝土材料的抗压和抗拉强度设计值处于较低的水平,具有较好的安全性。研究成果可为类似深埋地下工程施工及支护方案的确定提供参考。     

基于截面极限承载力曲线的衬砌厚度减薄研究

复合式衬砌结构的优化设计是隧道工程技术的重要研究课题之一。衬砌厚度过大、配筋过密,不仅造成经济浪费,还可能导致衬砌容易开裂。依托蒙华铁路隧道工程,通过现场试验和理论分析的方法,研究衬砌厚度减薄的可行性。首先,基于衬砌截面极限承载力曲线的概念,提出以抗弯安全系数评价衬砌安全性的方法。其次,根据现场试验得到的衬砌截面内力监测值,揭示了衬砌厚度减薄前、后,截面内力的变化特征,得到减薄衬砌厚度,衬砌截面的抗弯安全系数增大,抗弯安全性有所提高。最后,通过有限元数值计算,验证了现场监测得到的主要结果,即初期支护加强、衬砌减薄的复合式衬砌结构优化设计是可行的。研究结果表明,在隧道衬砌设计时,厚度设计过大会使其截面刚度过大,抗弯安全系数反而会减小,衬砌容易发生开裂破坏,适当减薄衬砌厚度,有利于保证其抗弯安全性。研究成果对复合式衬砌结构的设计具有一定的参考意义。     

碳纤维补强公路隧道衬砌的内力计算方法

在分析碳纤维补强衬砌结构的承载机理基础上,对带缝工作的公路隧道衬砌结构提出了一种内力计算方法,特点为将裂损衬砌视为铰接拱形衬砌结构,补强后的衬砌视为无铰衬砌结构,文中给出了计算内力的解析式,为碳纤维补强衬砌的设计计算提供了一种理论解,并通过工程实例表明了无铰拱形衬砌结构能改善结构的受力性能,增强结构的承载能力.     

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。     

双圆盾构纠偏时隧道衬砌的内力分析

在双圆盾构隧道施工过程中,盾构机很容易发生侧向偏转,施工中必须不断地对双圆盾构进行纠偏。然而,纠偏过程往往会对周围环境以及衬砌内力产生一定的影响。针对该问题,应用有限元数值模拟的方法,分析双圆盾构施工时纠正偏转角引起的衬砌上的附加内力。并将计算结果与现有的计算模型得到的结果进行比较。结果表明:施工中纠偏所引起的内力比现有设计中不考虑纠偏计算得到的内力有比较大的变化。而且,随着偏转角的增加衬砌上有些点的内力增大(最大达5～6倍),有些点的内力减小甚至发生符号的反转。由此可知,可靠合理的隧道衬砌设计方法应考虑这种纠偏引起的内力重分布的作用。     

地下洞室支护结构安全性分析

运用现代支护结构原理,结合工程实例,通过ANSYS软件进行了开挖和支护的数值模拟,计算出了支护结构的内力,由其内力结果,得出衬砌强度安全系数,研究不同厚度的衬砌对其安全系数及其稳定性的影响,根据工程规范,确定衬砌的最小安全厚度。     

回填土隧道施工方案对比研究

在城市化进程中经常需要对山坡进行整平,对沟谷、边坡进行填平,随着城市规模的发展,面对回填土工程问题越来越多。基于此,针对重庆轨道交通某线路所涉及的回填土地层,对回填土的力学特性进行了试验研究,并对穿越回填土区隧道的开挖方案进行了对比分析。研究结果表明:隧道衬砌内力最大值并不一定发生在最终开挖完成后;同核心土法相比,台阶法开挖时隧道围岩变形较大,水平变形提高达74.80%,竖向变形19.39%,纵向变形42.39%,核心土法能有效控制围岩变形。不同开挖方法下隧道围岩应力差异较大,但最终围岩应力值差异性小,表明围岩应力与最终开挖状态密切有关;衬砌内力变化较大,预留核心法下轴力减小20%,弯矩减小217%,这表明预留核心土法能有效降低衬砌内力,从而提高衬砌承载力。     

海底隧道二次衬砌承载力试验及安全性评价

海底隧道长达100年的使用寿命中,由于种种原因,可能使二次衬砌承担荷载逐渐增大,最终导致其破坏。为模拟二次衬砌这一受力过程,进行了海底隧道7种二次衬砌类型的承载力模型试验。通过试验分析,在荷载增大过程中,二次衬砌裂缝发生、发展规律和位移、内力变化规律,得到二次衬砌裂缝承载力和极限承载力。将试验数据与二次衬砌内力和承担荷载的长期监测数据比较,评价二次衬砌的安全性。研究表明:二次衬砌产生裂缝的顺序依次是仰拱、墙角、边墙、拱部;7种二次衬砌类型具有较高承载力,尤其是S5d型;二次衬砌内力及承受荷载监测数据远小于试验数据,二次衬砌具有较高安全储备。     

高水压地区地铁衬砌受力特性对比研究

高水压环境中,衬砌的受力状态关系到地铁施工和运营阶段的安全性。为检验衬砌结构设计的安全性,有必要对抗水压衬砌结构进行内力计算。针对穿越岩溶高水压地区隧道衬砌结构的受力特征,分析四级围岩中不同水压、衬砌厚度、衬砌形状下衬砌的内力,并通过计算控制截面配筋验证是否满足使用要求。有限元分析结果表明,圆形衬砌抵抗水压能力最好,属于理想型抗水压衬砌;水压增大时,可增加圆形衬砌厚度以满足管片受力要求。