高烈度地震区反压回填洞口抗震性能研究

以中国西南地区跑马山公路隧道为研究背景,采用有限元数值分析的方法,建立隧道-围岩相互作用体系三维有限元计算模型,对反压回填洞口衬砌结构各测点的抗震性能进行分析。研究结果表明,在地震作用下,隧道衬砌结构拱顶位移响应最为显著,左拱肩次之,仰拱的位移响应最小;仰拱处弯矩的幅值变化趋于平稳,仰拱、拱肩以及拱脚幅值波动较大;洞口衬砌结构设计主要受弯矩控制,控制设计点以隧道拱脚为主;反压墙的墙顶位移反应最大,墙脚的位移反应最小。研究结论为公路隧道抗震的设计以及施工提供有利的参考价值。     

岩溶隧道拱顶局部水压作用下衬砌受力特征研究

岩溶地区岩体裂隙发育、溶蚀管道众多。在暴雨条件下受地表水补给影响,在役隧道顶部溶洞内水位快速升高,导致衬砌结构发生失稳破坏,严重影响行车安全。针对依托工程的地质条件,采用理论分析方法建立了圆形衬砌断面的顶部局部高水压与围岩压力联合作用下的内力计算模型,基于Mathematica编程进行了不同水压力大小和不同水压力作用面积下隧道衬砌结构的受力计算分析。结果表明:随着拱顶水压力值或水压作用面积的增大,位移/弯矩零点角度的大小均呈非线性变化,位移零点变化比弯矩零点变化明显,位移零点均非线性增大,弯矩零点则减小;拱顶和边墙的位移值均呈线性增大,拱顶增幅大于边墙增幅;负弯矩出现在拱顶和仰拱处,正弯矩出现在边墙处,其中拱顶弯矩增幅最大,边墙和仰拱处弯矩增幅几乎一致。     

上覆水平煤层采空区衬砌受荷模型试验研究

隧道近接上覆水平采空区地层施工易扩大上覆围岩松动范围,增大松动荷载,为探明隧道衬砌结构受荷特性,采用室内相似模型试验量测了上覆水平煤层采空区地层隧道二次衬砌结构内力(轴力、弯矩),分析了不同边界压力作用下位移、轴力和弯矩的变化情况和特定压力下间距对二次衬砌受力的影响。结果表明:上覆采空区对洞周位移和二衬内力造成了一定影响,采空区底板与隧道间距越小,位移越大,当竖向压力为1000 k Pa时,与无采空区工况相比,0.5D工况最大位移增加93.73%,1.0D工况增加27.90%;弯矩和轴力的增加越明显,当竖向压力为500 k Pa时,与无采空区工况相比,间距0.5D工况最大弯矩增加139.68%,间距1.0D工况最大弯矩增加34.39%,采空区的存在导致轴力分布形态变化较大,间距0.5D工况平均轴力增加78.39%,间距1.0D工况平均轴力增加37.81%;最大偏心距出现在仰拱部位,承载能力相对较低,是隧道主体结构的薄弱环节;二次衬砌仰拱位置最先开裂,煤层采空区对裂缝展开顺序有一定影响。     

外水压下大断面公路隧道衬砌结构受力特性模型试验

矿山法修建的山岭隧道有的情况下对地下水采取排导式处理方案。当衬砌背后来水量超出排水系统能力时,将引起衬砌背后外水压增高,甚至导致隧道衬砌结构破坏。自行研制了隧道衬砌外水压力模拟加载试验装置,该装置通过形成负压环境,利用隧道结构模型内外气压差来实现外水压的模拟。基于隧道-地层复合模拟试验平台,开展了外水压下大断面公路隧道衬砌结构受力特性的室内加载模型试验。结果表明：衬砌结构在水土压力共同作用下,轴力呈锥形分布,拱脚轴力大于仰拱和拱部;弯矩呈蝴蝶型分布,拱脚处承受外弯矩,仰拱及拱顶承受内弯矩;轴力、弯矩随水压增加大致呈线性增大,偏心距逐渐减小,拱脚位置具有最大的偏心距,为外水压下隧道衬砌结构受力的最不利位置;依托隧道工程三车道及加宽带衬砌结构产生渗透性裂缝的外水压力分别为330kPa和420kPa,开裂裂缝主要出现在左右拱脚区域的外侧及仰拱内侧,为受拉开裂破坏,且随着外水压的增加,裂缝的渗透性急剧增大。此研究可为大断面公路隧道排水型衬砌在外水压力作用下结构安全评估提供参考。     

软岩隧道洞口段地震响应的埋深效应的数值分析

汶川地震中软岩隧道洞口段出现衬砌开裂、错台、仰拱隆起等震害。为了分析软岩隧道洞口段震害机理,地震响应与隧道埋深的关系,通过有限元软件分别建立隧道埋深15、20、25m的数值模型,与汶川地震中软岩隧道洞口段的震害进行对比。结果表明:在水平地震波作用下,隧道整体加速度差别不大,拱腰与拱脚加速度放大系数较大,而拱顶与拱肩的加速度放大系数较小;隧道整体水平位移较小,随着埋深增加,隧道的水平位移减小,但是隧道不会因为强制位移而发生破坏;隧道衬砌的最大轴力出现在左拱肩与右拱脚,最大弯矩产生在拱脚,隧道埋深增加,衬砌的最大轴力与最大弯矩均减小。     

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。     

管道型岩溶隧道衬砌结构受力特征试验研究

为了研究管道型岩溶对隧道衬砌结构的影响,以郑万线典型岩溶隧道为依托,开展管道型岩溶隧道衬砌结构受力特征试验研究,分析岩溶管道发育位置、管道尺寸及管道内水头高度对衬砌内力的影响。结果表明:当岩溶管道位于隧道拱顶或仰拱中心时,衬砌轴力及弯矩沿隧道轴线呈对称分布,当岩溶管道位于隧道边墙中部或边墙脚时,存在岩溶管道的一侧轴力显著大于另一侧区域;随着管道内水头高度及管道直径的增加,岩溶管道与衬砌相交处的轴力及弯矩均大幅增加;岩溶管道与隧道相交处的衬砌内侧承受较大的正弯矩,衬砌内侧被拉裂的风险较高。研究结果可为管道型岩溶隧道的结构设计及施工提供指导。     

基于荷载 - 结构法的黄土隧道结构静力计算分析

为了保障黄土隧道建设的安全性和牢固性,采用荷载-结构法对衬砌结构的安全系数进行验算,同时借助MIDAS/GTS岩土隧道结构专用有限元分析软件对隧道结构进行检算。结果表明,衬砌的最大水平变形发生在左右拱脚位置,最大竖向变形发生在拱顶处;拱顶、曲墙脚部和仰拱端部出现较大的拉应力,为受力的不利截面;常家湾隧道二衬厚度总体稳定性达到要求,安全系数符合规范。     

拱顶土压对深埋重载铁路隧道衬砌结构动力响应影响研究

拱顶土压对深埋重载铁路隧道衬砌结构受力有重要影响,由于目前对拱顶土压认识不足,隧道衬砌结构设计存在缺陷,导致隧道衬砌结构发生病害。结合山西中南部深埋重载铁路吾沿河隧道,采用数值模拟的方法分析拱顶土压对深埋重载铁路隧道衬砌结构动力响应的影响。研究结果表明:1隧道拱顶处土压的增加会导致二次衬砌拱顶位移、最大及最小主应力水平显著增加;2隧道拱顶土压一定的情况下,列车峰值荷载对二次衬砌最大主应力影响较大,最小主应力影响较小;3隧道拱顶土压的增加对填充层主应力大小影响较小,填充层主应力大小主要受列车动荷载作用控制,对地层荷载不起主要承载作用。     

不同抗滑桩间距的隧道-滑坡体系中桩体及隧道衬砌结构承载特征研究

根据实际工程建立了1∶100的缩尺模型,分别对采用3种不同桩间距抗滑桩治理的隧道-滑坡体系中的桩体及隧道衬砌结构受力特征展开试验研究,对比分析抗滑桩桩顶位移、隧道位移、隧道土压力在滑坡失稳时的分布情况及桩身、隧道弯矩在分级荷载之下所呈现出的规律性变化和不同间距抗滑桩对于滑坡-隧道体系的支护效果。试验表明:当桩间距由2.08倍桩径增大至4.16、6.24倍桩径时,同等荷载作用时桩顶水平位移、隧道水平位移、桩身土压力、隧道土压力、桩身弯矩、隧道弯矩逐渐增大。但桩间距由4.16倍桩径增大至6.24倍桩径时位移和弯矩的增大幅度远大于桩间距由2.08倍桩径增大至4.16倍桩径时的情况。因此,滑坡推力较小时,可适当增大桩间距;滑坡推力较大时,应减小桩间距,以利于滑坡作用下隧道衬砌结构的安全。但无论滑坡推力的大小,4.16倍桩径抗滑桩桩间距是隧道抗滑移性价比较高的选择。     

移动简谐荷载作用下饱和土体中圆形隧道和轨道结构的动力分析

采用解析法研究了移动简谐荷载作用下饱和土全空间中圆形衬砌隧道和轨道结构的动力响应,用无限长圆柱壳模拟衬砌,用Biot饱和多孔介质理论模拟土体,用Euler梁理论模拟钢轨、浮置板并组成周期性的两层叠合梁单元,结合轨道与衬砌仰拱处的力和位移连续条件,实现轨道结构与衬砌及周围饱和土体的耦合。通过算例分析了荷载移动速度、自振频率对轨道结构位移、饱和土体位移及孔压的影响,对比了连续浮置板轨道和离散浮置板轨道的动力特性。结果表明:离散浮置板轨道情形下,轨道结构和饱和土体响应频谱中存在由荷载周期通过不连续浮置板而引发的参数激励;荷载自振频率接近轨道结构固有频率时产生共振,对轨道结构和饱和土位移、孔压响应均有较大影响;离散浮置板轨道和连续浮置板轨道动力特性有显著差异,当荷载频率接近有限长浮置板形成驻波的频率时,二者对应的自由场响应区别明显;增大衬砌厚度可以显著减小饱和土位移响应。     

隧道底部结构受力与变形的现场测试与分析

采用现场测试方法,对隧道底部结构的变形、仰拱混凝土和钢筋中的应力进行了长期测试和分析。受围岩释放荷载、隧道二衬自重及上部围岩荷载以及道床设施和运营列车荷载的作用,隧道底部结构在整个施工过程中经历了隆起—下沉—隆起—下沉的反复变化过程,仰拱混凝土及钢筋同样经历了拉—压—拉—压的反复变化过程;围岩条件越好,隧道底部结构中的应力和变形最终值及其变化幅值越小;整个隧道施工过程中,隧道底部结构的最大下沉小于 5.0 mm ,混凝土中的最大拉压应力小于 2.0 MPa ,满足高速列车的安全运营要求;隧道二次衬砌施作之前仰拱处于最不利的受力状态,施工中应及时将隧道二衬闭合成环,以保证隧道仰拱结构处于较佳的受力状态;隧道开挖后的应力重分布持续时间一般在 2 a 以上。     

大厚度湿陷性黄土隧道现场浸水试验研究

对于穿越大厚度湿陷性黄土地层的隧道,其围岩湿陷变形会威胁隧道结构的稳定性。为了分析黄土围岩湿陷变形对隧道衬砌结构的影响机制,选取典型大厚度湿陷性黄土隧道场地,通过开展隧道场地地面浸水试坑试验及隧道仰拱浸水试验,测试了地面入渗和隧道基底入渗过程中不同埋深地层的湿陷沉降变形及地基的沉降变形、入渗过程中围岩的体积含水率变化分布、试坑周边地层的侧向位移、衬砌结构接触压力和轴力,研究了既有隧道黄土地层的湿陷变形特性及水分运移规律、隧道结构力学响应。结果表明,隧道开挖、衬砌作用扰动黄土结构,增大了围岩及深层黄土的渗透性;与天然黄土场地试坑浸水入渗比较,增大了竖向浸水范围,减小了水平向浸水范围。隧道围岩湿陷变形改变了围岩与衬砌结构的相互作用性状。围岩湿陷和地基软化作用增大了二次衬砌结构侧墙竖向荷载和侧墙围岩的挤压作用,引起拱脚地基承载力减小和沉降变形发展,拱顶、拱肩接触面呈受拉状态;仰拱中部地基土的抗力作用抑制其沉降变形,从而使得拱脚和仰拱中部出现显著的沉降差,导致仰拱混凝土开裂,形成纵向裂缝。此外,浸水范围内黄土的湿陷变形不仅引起竖向沉降变形,还会引起周围土体产生侧向水平位移;洞口边坡场地黄土的湿陷性和地层湿陷变形差异较大,反映了黄土山岭黄土场地地层条件复杂多变的特征。     

益田停车场出入线区间盾构隧道主体结构受力特征研究

针对益田停车场出入线盾构隧道主体结构穿越软硬不均匀地层的受力特点,基于荷载—结构计算模型,采用修正惯用法对隧道基本荷载组合(施工)、准永久荷载组合(运营)两个阶段管片衬砌受力情况进行了有限元数值仿真计算,揭示了不同工况条件下的应力、内力及变形的分布特点。研究结论如下:基础荷载和准永久荷载作用下,最大轴力、剪力、弯矩出现位置均未发生明显变化;最大轴力位于隧道两侧,最大剪力大约在偏离纵向轴线45°处,最大弯矩靠近最大剪力位置,盾构区间设计时建议考虑弯剪效应带来的影响。管片最大沉降变形位于拱顶处,且由上到下逐渐减小。从基础荷载组合到准永久荷载组合,最大轴力、剪力、弯矩量值逐渐减小,下降比分别为31. 55%,29. 10%,28. 71%,说明准永久荷载组合下,隧道更加安全。     

不同排水孔失效长度下岩溶隧道衬砌结构受力分析

在西南地区城市交通工程建设过程中,轨道交通隧道经常需穿越高水压富水地层。由于不同的隧道防排水设计理念对富水岩溶隧道衬砌外水压力及对隧址区生态环境和工程造成的影响差别较大,甚至可能导致衬砌结构破坏等问题。在"主动堵水,限量排放"隧道防排水设计理念下,以重庆市某轨道交通线中梁山隧道富水岩溶段为工程背景,采用FLAC3D有限差分软件分析了衬砌背后排水系统畅通性对隧道衬砌塑性区分布的影响,研究结果表明:随着排水孔失效长度的增加,二次衬砌背后的最大孔隙水压力增大,衬砌结构安全系数减小;塑性破坏区主要发生在仰拱区域,且在开挖后短时间内形成超静水孔隙水压力,引起该区段仰拱底部压力增大,可能导致隧道发生底鼓。     

新型铁路隧道门洞口段结构受力特征现场试验研究

现有的铁路隧道洞门的设计只是经验性地照搬标准图的模式,而对新型隧道门的研究是必要的。一种新型隧道门在满足它的美学效果、环境保护等功能外,更重要的是应保证隧道洞口结构受力后的安全性。对采用新型隧道门的洞口段围岩压力和衬砌内力进行现场测试,并将单线斜切式隧道门洞口段的现场试验结果与模型试验和有限元数值计算结果进行比较,探讨了洞口段围岩压力分布和衬砌结构受力特征。研究结果表明:斜切式隧道门洞口段围岩压力和衬砌内力从洞口向洞内逐渐增大,其大小随覆盖层厚度增大而增大,围岩压力在仰拱处最大;衬砌结构处于复杂的三维受力状态,既有横向轴力、弯矩,又有纵向轴力、弯矩,其受力特征类似于壳体结构,因此,按壳体结构设计比较合理。     

纤维混凝土隧道衬砌地震动力响应特性的振动台试验研究

 为研究纤维混凝土隧道衬砌在地震动力作用下的动响应特性,对普通混凝土隧道衬砌与纤维混凝土隧道衬砌开展大型振动台模型试验,分析隧道衬砌的震害特征、地震动应变、结构内力和应变基线响应规律。试验结果表明：水平地震荷载及地层压力共同作用下,2种隧道衬砌均为仰拱最先开裂,其次为拱腰开裂,衬砌结构破坏模式主要为开裂、掉块和裂缝两侧挤压破坏;素混凝土隧道衬砌出现开裂破坏早,裂缝易贯通,裂缝两侧混凝土基体在振动过程中相对位移大;纤维混凝土隧道衬砌出现开裂破坏晚,裂缝两侧混凝土基体在振动过程中相对位移小,裂缝呈挤压破坏状;纤维延缓衬砌结构裂缝的产生和阻碍裂缝的扩展;地震波加速度峰值从0.1 g增大到1.0 g时,素混凝土隧道衬砌动应变极值和裂缝宽度显著增大,而纤维混凝土隧道衬砌动应变极值和裂缝宽度先在一定范围内缓慢增长然后迅速增大,但最终2种衬砌动应变极值和裂缝宽度大致相等,说明纤维混凝土隧道衬砌在一定地震荷载范围内可以有效避免开裂和减小裂缝宽度;纤维混凝土隧道衬砌压缩变形率较小,当输入地震波加速度峰值为0.1 g和0.4 g时,纤维混凝土隧道衬砌结构动弯矩极值较低,受力更均衡,能有效地抵御地震荷载。     

深埋隧道仰拱边墙连接方式力学效应分析

在隧道结构中,仰拱是衬砌结构的重要组成部分,影响仰拱力学效应的因素较多。仰拱与边墙的连接是衬砌施作的关键环节,对衬砌结构以及围岩的力学状态有着至关重要的影响。以乌鞘岭铁路隧道斜井为例,通过数值模拟分析了仰拱与边墙的不同连接方式对深埋隧道围岩、支护结构的力学行为影响,结果认为铰接情况可以有效地减小弯矩,改善衬砌结构的受力状态,但对控制衬砌底部变形不利。所得结论以期能为将来的隧道支护结构设计及施工提供帮助。     

富水地层公路隧道衬砌背后空洞对结构受力的影响

 富水地层公路隧道衬砌背后空洞的存在恶化了其结构的受力状态,使衬砌易于开裂进而影响隧道的营运安全。研制外水压加载装置,该装置在二衬模型内部创造一个封闭的负压环境,通过控制模型内外气压差来实现外水压的等效加载,同时结合隧道–地层复合模拟试验系统开展几何相似比为1∶30的室内模型加载试验,全面研究不同位置空洞与不同外水压荷载共同作用下二次衬砌的受力分布规律及开裂特征。结果表明,衬砌背后存在空洞时的二衬的轴力与弯矩总体不再呈对称分布,不同位置空洞对衬砌结构的受力影响不同,空洞附近区域的衬砌内力变化最为显著;无论空洞位于何位置,随着外水压力的增大,二衬轴力及弯矩均大致呈线性增大趋势,空洞附近区域的轴力及弯矩增大速度明显大于二衬其他部位;偏心距则随外水压的增大而减小,水压超过150 kPa后基本不发生变化;相同外水压下,加宽带二衬轴力与弯矩明显大于三车道,分布及变化规律则大致相同;应力场为竖直主应力场时,外水压下左边墙空洞对于衬砌结构的承载力影响最大,拱顶空洞次之,仰拱空洞最小;背后存在空洞的衬砌部位的裂缝数量及开裂程度明显大于其他部位。     

箱涵施工对下方已运营地铁盾构隧道的影响分析

本文结合广州市某道路快速化工程中箱涵所在场地的勘察资料及下方地铁区间隧道结构设计情况,采用MIDAS—GTS数值分析软件．建立了该箱涵施工及使用对下方地铁区间隧道结构影响的三维数值分析模型,以及考虑实际荷载情况的隧道平面结构荷载法分析模型,分析评估了本箱涵开挖卸荷对下方既有地铁隧道变形和受力情况的影响。研究表明,该箱涵开挖施工及修筑回填期间,下方地铁区间隧道的最大水平及竖向位移均位于箱涵正下方的管片顶部,总体位移的最大值为4．74mm,小于地铁保护要求的总位移控制值。同时,下方盾构隧道结构的最大正弯矩值为11．8kN·m,最大负弯矩为-12．3kN·m,管片及接头的弯矩均远小于相应的弯矩控制值。由此可见,该箱涵施工及使用不会危及到下方地铁区间隧道的结构安全．不影响地铁的正常运营。