罗贡水电站坑道围岩稳定性鉴定和隧洞衬砌计算

苏联国家建设委员会地基和地下建筑科学研究院详细地制定了鉴定坑道围岩应力状态、稳定性以及静荷载与地震作用下隧洞衬砌应力的计算方法。根据这些方法编制了电子计算机程序,可供设计单位从事实际计算时使用。本文列举了利用这些方法为罗贡水电站隧洞开挖和衬砌所作的一些计算成果。 (一)考虑岩体初应力主轴因岩层倾斜而呈倾斜状态时,坑道周围非弹性变形区假定边界的确定。     

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。     

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．     

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。     

输水隧洞复合式衬砌结构分析

针对传统结构力学方法在输水隧洞复合式衬砌设计分析中不能真实地考虑初期支护和二次衬砌的荷载承担比例问题,以城门洞型隧洞为例,采用有限单元法对围岩的稳定性、初期支护和二次衬砌的应力状态进行了计算分析;并获得了二次衬砌作为承载构件时的围岩压力分担比例.     

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。     

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:     

非满流园形隧洞衬砌体的应力状态

为确定非满流隧洞(隧洞内的水面线低于衬砌拱顶)衬砌体的应力状态,我们可以借助于在弹性介质中平衡园环的平面接触问题的弹性理论解而求得,该园环承受水压力部分的内中心角为 Q_1≤θ≤2π-θ_1,其正应力σ_p=-γ_水 r_1(CoSθ_1-CoSθ)。利用这个关系式,采用不同的θ_1值,可对隧洞内水位变动情况的衬砌体进行计算,亦就是说,在整个放空或储水过程中,均可对隧洞衬砌体作应力计算(图一)。     

有压隧洞仰拱与边墙连接弱化对衬砌支护特性的影响研究

仰拱与边墙连接处的施工质量对衬砌结构以及围岩的力学状态有重要影响.通过FLAC~(2D)有限差分软件,建立仰拱与边墙连接弱化的隧洞模型对隧洞支护结构力学行为进行分析,在0.5 MPa以下内水压工况的研究结果表明:(1)衬砌按照弹性结构单元计算时,仰拱与边墙连接弱化对衬砌受力影响有限,弱化程度加深后影响有所增大,但不显著;(2)衬砌按照弹塑性实体单元计算时,弱化区域附近围岩侧衬砌边缘随弱化程度加深出现压应力集中;(3)衬砌在围岩压力及内水压力复合作用下,衬砌内力随内水压力增大呈减小趋势.     

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．     

考虑隧洞充水过程的衬砌裂缝宽度计算

分析压力隧洞实际充水过程中的衬砌工作性态,给出稳定渗流状态下的裂缝宽度方程以及考虑充水过程的衬砌裂缝宽度计算方法,以此大体反映钢筋应力(sσ)和裂缝宽度(2a)的发展史,认为其最大值与充水过程有关,其长期稳定值与过程无关。实例计算表明:稳定渗流、衬砌、围岩分开工作状态下的最大钢筋应力σs′及2a值与不透水衬砌常用公式的计算值相比差别很大,而两者联合工作时差别不大。     

邱庄水库大岭隧洞衬砌内力分析

根据大岭隧洞沿线围岩类别、围岩厚度及隧洞衬砌断面尺寸,选取3个断面为衬砌内力计算代表断面。计算过程中,根据围岩情况及不同荷载组合,合理确定围岩压力、内(外)水压力及围岩弹性抗力,取得了较为可靠的内力计算成果,为隧洞结构安全评价提供了依据。     

水工压力隧洞粘着式锚喷衬砌和围岩应力的弹塑性解

本文根据岩体变形试验结果,采用塑性理论软化流动模形,建立了水工压力隧洞粘着式锚喷衬砌和围岩应力的弹塑性计算方法,给出了锚喷衬砌与围岩应力,位移计算式,所获结果可供软弱岩石锚喷衬砌设计参考。     

抽水蓄能电站钢筋混凝土管道衬砌配筋计算研究

结合某抽水蓄能电站的工程实例,根据传统解析法和弹性有限元方法计算引水隧洞衬砌配筋情况,并在此基础上考虑混凝土开裂特征,进行衬砌混凝土非线性有限元计算,并以最大裂缝宽度为控制标准优化了衬砌配筋率。计算结果表明:结合混凝土开裂特征的非线性有限元计算,可以充分考虑衬砌与围岩间的联合承载能力,能够较为真实地模拟混凝土开裂后传递径向压力的能力,计算结果更符合工程实际;引水隧洞结构安全的关键在围岩,提高围岩变形模量将有效降低衬砌钢筋应力与混凝土裂缝宽度,而提高衬砌结构配筋率的效果不明显。     

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。     

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。     

引汉济渭工程黄三段输水隧洞围岩变形与压力分析

以分析深埋长隧洞围岩应力和应变为目标,考虑隧洞施工方式,围岩支护形式等因素,通过数值计算,动态模拟隧洞施工过程,获取了黄三段输水隧洞初期支护后的围岩变形情况以及围岩与衬砌相互作用关系。计算结果显示:采用设计的初期支护形式,可有效控制不良洞段的围岩变形,Ⅳ、Ⅴ类围岩最大收敛变形满足规范设计要求。Ⅳ、Ⅴ类围岩与衬砌间的相互作用力随衬砌浇筑时距掌子面距离的增加而降低,但在距掌子面约4倍洞径后降幅微小。通过对比分析经验方法与数值方法所确定围岩压力成果,确定了衬砌结构设计所需的围岩压力指标,为黄三段输水隧洞设计提供了依据,分析方法可为相似工程提供参考。     

水工压力隧洞有限元模型简化算法

 水工压力隧洞结构复杂,进行有限元分析时其前后处理及计算的工作量巨大,因此寻求一种有效的简化算法尤为重要。水工压力隧洞在受内水压力作用时,衬砌将压力部分传递给围岩,同时受到围岩的被动抗力。在进行有限元分析时,主要关注的是压力隧洞衬砌及其外围一定范围内围岩的应力和变形情况。对于均质连续岩体,通过模拟围岩抗力,可以仅取衬砌及其附近围岩作为分析对象,将水工压力隧洞应力分析转化为受内、外压的厚壁圆筒。从而仅对厚壁圆筒划分有限元网格,大大减少了前后处理和计算的工作量。     

水工隧洞封堵期衬砌结构有限元计算

水工隧洞在封堵期外水水头较高,混凝土衬砌结构在高外水作用下将产生较大的变形和应力,外水水头是控制水工隧洞建设、运行及检修过程中结构安全稳定的重要因素。本文采用有限元计算软件,对两河口水电站导流洞封堵期D3型衬砌结构进行计算分析,分析封堵期高外水水头作用下衬砌变形、应力状态及周边锚杆轴力是否满足规范要求,以指导衬砌结构及围岩灌浆加固范围设计和施工。     

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。