基于隧道断面相对变形率判定围岩稳定性的研究

目前常用的判定围岩稳定性手段主要是监测隧道特征点或测线位移,但这种监测方法评价围岩稳定性存在诸多弊端。为此,本文从应变能角度对隧道围岩系统势函数进行理论分析。首先推导了围岩4个分区的应力、应变及位移表达式,进而分析各个分区的应变能,据此建立了隧道围岩系统势函数,并根据软岩破坏时的全应力应变曲线特征,确立隧道围岩系统势函数尖点突变模型,提出了定量评价围岩稳定性的理论依据。利用数值模拟手段,分析了不同荷载释放系数下隧道围岩特征点或测线位移、隧道围岩系统势能、隧道断面相对变形率3类指标变化规律。根据尖点突变模型,利用3类指标对围岩稳定性做出定量评价,并对3类指标下围岩破坏时的荷载释放系数进行对比分析,探讨了利用断面面积相对变形率指标判定围岩稳定性的可靠性。     

小曲线半径盾构隧道上穿既有隧道影响分析

为研究新建盾构隧道上穿既有隧道时对下部隧道影响,以南昌某地铁出入线上穿既有盾构隧道工程为依托,结合小曲线半径隧道、盾构机超载等特殊工况,采用有限元进行模拟分析。研究结果表明:盾构机超载将导致既有隧道纵向呈凹槽型沉降变形,最大值约-9.7 mm,管片弯矩值较未开挖时增长34.3%;上部开挖卸载将导致既有隧道纵向呈隆起变形,最大值约8.7 mm,管片弯矩值较未开挖时略有减小;既有隧道在盾构机超载及开挖卸载两者耦合作用下,纵向变形呈“S”型曲线,最大隆起值与最大沉降值差值高达13.8 mm。针对上述分析,提出对既有隧道施加钢支撑环+拱顶注浆的加固措施,隧道最大变形值较未加固时减小44.8%,验证了该加固措施的有效性,对小曲线半径段施工控制重难点进行分析,并提出相应建议,以期为相关工程提供参考依据。     

管棚注浆支护隧道开挖引起地表变形特征分析

隧道开挖引起的地表变形是工程安全的重要指标,基于管棚注浆隧道开挖引起的地层受力分析,将地表变形影响因素分为注浆压力、附加荷载和地层损失,并引入Mindlin解和Peck公式,获得了隧道引起的地表变形计算公式。通过对地表变形特征进行分析,结果表明:岩土力学参数对地表变形最大值有显著影响,但对沉降影响宽度影响甚微;沉降槽宽度、地层损失率和沉降宽度与沉降槽宽度比值(I/i)均随内摩擦角和黏聚力增大而减小,弹性模量对沉降槽宽度几乎没有影响,随弹性模量增大,沉降槽宽度稳定在7.6~7.9,地层损失率迅速减小并在1.2‰左右趋于稳定,I/i则迅速增大并稳定在3.0左右。隧道参数对沉降最大值和沉降影响宽度均有显著影响,且影响幅度没有减缓的趋势;在单一地层中,随着埋深增加,沉降槽宽度、地层损失率均呈直线增大,I/i值先增大后减小;随洞径增大,沉降槽宽度呈线性增大,地层损失率呈线性减小,I/i值先增大后减小,最大值为3.1左右。     

侧向荷载作用下公路隧道衬砌损伤演化分析

为了研究侧向荷载作用下隧道衬砌的损伤演化机制,采用1∶10相似模型试验分析了隧道结构在侧向荷载下的受力变形特征、破坏形式和损伤过程,基于试验结果利用数值计算反演分析了衬砌结构刚度衰减规律。研究表明:侧向荷载下隧道受力变形过程分为4个阶段:弹性受力阶段、拱腰开裂阶段、保护层局部破碎剥离阶段、结构软化破坏阶段;结构破坏模式表现为拱肩位置的斜剪破坏,关键部位破坏顺序为“拱腰开裂—拱肩脆性剪坏—拱腰延性破坏”,破坏时形成三铰拱可变体系。衬砌结构刚度在拱腰开裂后快速衰减,结构丧失承载力时刚度衰减幅度为84%;考虑隧道安全性评价,以结构技术状况评定值为界,结构在无破损、轻微破损、中等破损、严重破损、危险状态下的刚度折减系数分别为0.95、0.57、0.33、0.21、0.16。     

考虑土体刚度衰减的地面堆载对既有隧道影响

地面临时堆载可能会使周围土体产生明显的沉降变形,进而对城市地下空间中的邻近既有隧道产生不利影响。理论解析法是评估地表超载对既有隧道影响的有效方法。目前的理论解析分析方法一般假定土体刚度沿既有隧道轴线方向为一定值,忽略了地面堆载引发的土体刚度衰减的影响。基于两阶段分析法提出了考虑纵向土体刚度衰减的地面堆载引发既有隧道变形计算模型。既有隧道被假定为搁置在Winkler地基上的Euler-Bernoulli梁。利用邓肯-张模型对地表堆载引发的土体非线性响应进行评估,并结合现场实测数据对模型的适用性进行验证。研究成果可为合理评估地表堆载对既有隧道的影响提供依据。     

公路隧道钢管混凝土拱架偏压长柱承载机理研究

通过对不同尺寸的钢管混凝土长柱进行偏压试验,对比分析了试验结果与数值模拟结果,主要研究了核心混凝土以及钢管的力学性能和破坏特征,研究结果表明:(1)钢管是影响钢管混凝土压弯承载力的主要因素,钢管的直径、壁厚与钢管混凝土长柱在偏压荷载作用下的承载能力有较大关联;(2)偏心距的增大会减小钢管混凝土长柱的承载力,但影响程度与钢管尺寸有关,钢管截面尺寸越小,偏心距对其承载力的影响越小;(3)钢管在承载时表现出明显的弹塑性特性,在达到极限承载力时,钢管弯曲部位由于受压屈服导致破坏;(4)核心混凝土在承载过程中主要承受压力。由于钢管对核心混凝土的约束效应,虽然核心混凝土已经进入塑性阶段,但在钢管的约束下仍有一定的承载能力;(5)在轴向压力作用下,钢管混凝土的破坏过程是整体达到屈服极限,但由于整体变形的差异导致弯曲破坏。     

平导压入通风对寒区隧道风温场的影响性研究

为探明平导压入通风方式对高海拔寒区特长公路隧道风向、风速、风压和洞内温度场的影响性,以川藏公路雀儿山隧道为工程依托,通过数值仿真和现场测试,分析了不同通风方式下隧道洞内风场和温度场的分布及变化规律。研究结果表明: 气热耦合三维数值计算显示风在横通道与主洞和横通道毗邻区域形成了明显的涡流区,平导洞内风压、风速明显高于主洞;平导压入通风使平导和主洞最低风速分别增加了90%、104.5%;平导压入通风对洞内最高风温影响较小,均在7.8 ℃~8.2 ℃左右;考虑通风方式、自然风方向和因山体富热产生的隧道内外温差引起的热压差影响,对高海拔寒区特长公路隧道出入口段的防冻长度等应差别化设计,特别要加强主风向隧道一端主洞、平导和横通道的防冻措施。     

下穿隧道对邻近桩基承载力与沉降的影响

总结了下穿隧道开挖对邻近桩基产生的影响和小孔扩张-收缩理论的相关研究,分析了两阶段分析法、整体分析法和室内模型试验3种常见研究隧道-桩基相互作用方法的优缺点,同时在总结岩土介质小孔扩张-收缩理论研究及其在桩基工程和隧道工程中应用的基础上,指出了现有小孔扩张-收缩理论在研究浅埋隧道开挖中的不足。提出一种关于浅埋隧道-桩基相互作用的求解思路,即考虑地表效应的影响,采用有限介质小孔扩张-收缩理论进行求解。给出了该方法的初始计算模型和计算流程图,并将理论计算所得各阶段土体的位移场与离心模型试验结果进行对比,验证了方法的可行性,最后基于此计算模型给出了各阶段土体的应力场及变化量。结果表明:小孔扩张-收缩理论可以考虑三维隧道开挖对邻近桩基的影响,为解决隧道-桩基相互作用提供了新的解决思路。     

软土地层并行曲线隧道施工顺序对既有隧道的影响

为了研究并行曲线隧道施工顺序对既有隧道的影响,以横琴杧洲隧道工程为依托,建立了并行曲线隧道三维有限元数值模型。在此基础上,研究了不同施工顺序和曲率半径r(r=500,800 m)下新建曲线盾构隧道开挖对既有隧道变形的影响。结果表明:施工顺序对既有隧道位移影响较小,曲率半径对既有隧道位移影响相对较大; 随着曲率半径(r=500～800 m)的增加,既有隧道位移增加约15%; 既有隧道的位移主要在盾构开挖面前方2D(D为隧道外径)、后方1D范围内产生; 施工顺序对既有隧道内力的影响与曲率半径有关; 隧道曲率半径为500 m时,施工顺序对既有隧道内力变化影响规律相似,即离盾构开挖面最近的既有隧道剖面产生的弯矩最大,且最大弯矩和最小弯矩均出现在靠近新隧道一侧; 内侧隧道先开挖时,既有隧道的弯矩(绝对值)更小,此时对于并行曲线隧道施工,内侧隧道先开挖更安全; 在盾构开挖面前方一定距离内既有隧道产生的轴力最大; 隧道曲率半径为800 m时,双线隧道近似于平行隧道,施工顺序对既有隧道内力变化和大小影响较小。     

软土地区紧邻地铁隧道深基坑支护设计与实践

以上海竹园2-16-1地块项目深基坑工程为背景,介绍了邻近地铁的软土深基坑变形控制方法及其效果。根据基坑工程的特点,设计时采取了多种地铁保护专项技术措施,包括基坑分区实施方案、支护体系、钢支撑轴力补偿系统、坑内被动区加固、承压水控制措施等。结果表明:基坑各分区地下连续墙最大侧向位移小于上海软土地区基坑地下连续墙最大侧移的统计平均值0.42%H(H为基坑最大开挖深度),特别是靠近地铁侧的地下连续墙最大侧向位移接近上海软土地区基坑地下墙最大侧移的统计下限值0.1%H; 地铁侧坑外承压水位总体保持在比较平稳的水平,最大水位变化仅为0.72 m; 邻近的地铁隧道上行线和下行线的累计最大沉降量分别为8.2 mm和5.1 mm,均小于地铁下沉量允许值(20 mm),且隧道曲率半径满足控制值要求; 本基坑采用的系统变形控制措施有效地保障了邻近地铁的安全,其设计和施工方法可以为软土地区同类基坑工程设计提供参考。