地震动作用下隧道洞口段破坏特征试验研究∗

为研究山岭隧道洞口段在地震动力作用下对边坡变形特征及其二者之间的相互影响,以宝兰客专某黄土隧道为工程背景,开展了大比例尺的黄土隧道洞口段大型振动台模型试验,输入不同类型的地震动参数,分析在地震动力作用下黄土隧道洞口段的动力响应及变形破坏特征。结果表明：(1)随着地震动强度的增大,模型表观和内部经历了弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段;(2)阿里亚斯强度(Arias Intensity)的水平与垂直分量的放大系数云图呈现颜色区域互补状态,能量衰减区集中在洞口拱顶附近的围岩,仰拱底部 1~4.50 倍洞径和拱顶 2.50~4 倍洞径围岩范围则为能量加强区;(3)不同地震波形、相同加载方向,加速度水平、垂直分量的峰值连线线形相似,个别测点的加速度峰值突出到线形之外,峰值出现时刻明显提前或滞后,说明围岩发生较大的塑性变形或破坏;(4)单向加载时,拱顶、仰拱底部围岩沿隧道进深方向的加速度放大效应基本一样,沿垂直方向的放大系数连线的台阶式变化更为明显。双向耦合加载时,拱顶、仰拱底部围岩的放大系数连线的台阶式变化都较为明显。     

浅埋富水软岩隧道大变形机理与控制研究∗

针对洞口段富水浅埋软弱围岩隧道易发生挤压性大变形的特点,依托某隧道,通过监控量测、室内试验、数值模拟等手段分析隧道的变形特征、影响因素及其致灾机制与力学破坏模式。结果表明,隧洞开挖后变形具有流变特性,且持续时间长、变形量大;此外,上、中台阶开挖造成的拱顶沉降、围岩收敛分别占总变形的 61.16%、63.34%, 是大变形产生的主要阶段;洞内大变形是在多种影响因素的耦合作用下产生的,地下水是造成该软岩隧道大变形的主要控制因素,地下水的软化、渗流是大变形的主要变形机理,破坏力学模式主要有软岩塑流和累进性松脱扩展两种,软岩塑流造成侧墙鼓出、顶压以及钢拱架扭曲等现象,累进性松脱扩展造成垮塌、地表裂缝等现象。数值模拟验证了大变形力学机理的正确性并反演了大变形发展趋势。最终针对该隧道大变形产生的主要原因,提出并实践形成了“内外结合”的主动控制技术：洞外掌子面动态跟进超前降水,洞内“中管棚+小导管”超前支护、上台阶 “核心土+扩大拱脚”、中台阶“临时仰拱+大锁脚”、下台阶“短进短衬,快速支护”,成功穿越 300 m 浅埋富水极软岩段,研究成果可为类似工程提供借鉴。     

水平分层土质条件下浅埋隧道掌子面支护稳定性研究

浅埋隧道由于具有埋深浅、开挖面大的特点,在开挖过程中遇到的土质分层情况往往比较复杂。隧道掌子面的稳定性会对隧道施工的安全产生重要影响。保证掌子面稳定性的关键在于如何确定合适的极限支护压力。因此对水平分层土质条件下掌子面的极限支护压力进行研究。首先,根据村山公式的对数螺旋线假设,建立了具有共同旋转中心的分层超前核心土旋转破坏模式。其次,依据覆盖层楔形破坏模式和前人模型试验结果,简化隧道覆盖层土体对掌子面的影响模型;同时,根据极限分析理论计算了土体的外部荷载功率和内能耗散功率。然后,建立引入支护压力的极限方程,推导出了保证浅埋隧道掌子面稳定的极限支护压力的计算公式。最后,为验证理论计算的准确性,将理论分析结果和Flac3D数值模拟结果进行了对比分析。以上理论为研究水平分层土质条件下浅埋隧道掌子面的支护稳定性提供了一定的理论指导。     

城市浅埋暗挖隧道施工诱发地面塌陷的预测模型

以城市浅埋暗挖隧道上覆地层为状态量,隧道埋深、开挖直径、地下水位、上覆地层厚度等为控制量,基于突变理论建立城市浅埋暗挖隧道塌方的突变模型,揭示浅埋暗挖隧道地面塌方与各个影响因素之间的关系(比如随着地下水位的升高,浅埋隧道发生塌方的几率会大大增加)。利用该模型可得到城市浅埋暗挖隧道发生坍塌时,上覆地层地面沉降的临界值。以此上覆地层地面沉降临界值为隧道是否发生塌方的判定依据,结合广东莞惠城际铁路城市浅埋暗挖隧道工程的现场情况以及FLAC3D数值模拟,得出该模型预测沉降临界值与现场实测数据以及数值模拟结果相吻合,验证了该模型的准确性和合理性。     

浅埋偏压连拱隧道地震响应规律研究

基于相似理论,设计并制作了几何相似比为1:20的浅埋偏压连拱隧道物理模型,完成了振动台试验并测得衬砌的应变响应与加速度响应。在试验基础上,通过MIDAS GTS NX有限元软件建立数值模型,验证了数值模型的合理性与可靠性,研究了浅埋偏压连拱隧道的地震响应规律。结果表明:(1)上覆土层厚度、偏压、衬砌与临空面的距离对浅埋偏压连拱隧道加速度响应的影响较大。(2)浅埋偏压连拱隧道中墙上的应变由于截面几何形式突变与集中力的原因,相对其余测点较大。(3)大小主应变与加速度放大系数趋势线的整体形状不随激振强度的增加而改变。(4)偏压与覆土厚度对连拱隧道位移的影响较小。(5)浅埋偏压连拱隧道中隔墙的应变、轴力、剪力和弯矩相对其他部位均较大,在进行浅埋偏压连拱隧道的抗震设计时,应给与重视。     

洞口对装配式轻钢框架-内保温复合墙抗震性能的影响

本文提出了一种装配式轻钢框架-内保温复合墙结构,为研究不同洞口类型对结构抗震性能的影响,分别设计了带门洞,带窗洞及不带洞口的3个足尺装配式轻钢框架-内保温复合墙试件。通过拟静力试验,观测了装配式轻钢框架-内保温复合墙结构在低周反复荷载作用下的裂缝开展情况和损伤演化过程,分析了结构的滞回特性、骨架曲线、承载力、延性、强度及刚度退化、耗能和应变。结果表明:开洞类型显著影响了装配式轻钢框架-内保温复合墙结构的承载能力及变形能力,洞口的设置降低了试件的峰值荷载及位移,门洞的设置对试件峰值荷载及位移的影响更为显著;将1%位移角作为工程抗震设计的弹塑性位移角对装配式轻钢框架-内保温复合墙结构来说同样适用。     

越江公路盾构隧道浅埋段地温场演化趋势模拟分析

越江公路盾构隧道浅埋段地温场演化将影响隧道穿越的江滩区域的工程地质条件。基于有限差分法建立了南京长江隧道的数值模型,分别将实测地表温度和管片内侧温度作为地层外部交变热源与内部交变热源,对隧道浅埋段典型断面地温场的演化过程进行了模拟分析。结果表明:隧道与土体间的热交换作用使隧道周围的初始恒温地层转变为年变温地层。在高温期,隧道向周围土体传热;在低温期传热方向相反。隧道周围及两孔间存在显著变温区,其最大温升值达7.14℃,年波动最大峰谷值接近10℃。该显著变温区位于距隧道外壁5m以及两孔之间的区域。其地温场在隧道运营20a后可达到初步稳定。建立了该显著变温区内地温场的年际波动模型,据此可估算出隧道周围土体不同距离处的年际温度值,该模型可为火灾等极端传热条件下估算隧道浅埋段地温场提供初始值。     

隧道纵向抗震分析的反应加速度方法∗

为研究隧道纵向地震响应,首先将隧道结构的动力问题简化为地震变形场作用下的土?隧道拟静力相互作用问题,推导了土?隧道拟静力相互作用模型的反应加速度方法。针对规范提供的纵向位移模式,给出相应反应加速度方法的等效惯性力公式及模型边界条件,最终建立基于规范位移模式的隧道纵向反应加速度方法。在与整体式反应位移方法对比验证的基础上,开展不同场地条件及不同隧道埋深下的隧道纵向响应规律研究。数值模拟结果表明：(1)当场地条件和埋深相同时,隧道弯矩随场地水平位移的增加而增加,而剪力、扭矩具有相反的变化规律; (2)场地条件对隧道纵向响应的影响较大,场地越软,隧道剪力越小,而弯矩和扭矩越大;(3)在 50 m 覆盖土层厚度内,随隧道埋深的增加,隧道剪力、弯矩逐渐减小,而扭矩基本保持不变。     

季冻区山岭公路隧道冻胀力学特征数值模拟研究

季冻区的极端低温气候严重威胁着隧道的运营安全,围岩的冻胀作用是隧道冻害发生的外力根源。以吉林省某高速公路隧道为例,基于伴有相变的瞬态传热理论和abaqus有限元模型模拟了围岩冻结温度场动态分布规律以及围岩冻胀后的衬砌内力及变形特征。计算结果表明围岩冻结从拱部开始发生,发展至边墙,最后延伸至仰拱底部形成冻结圈;冻结深度的分布规律为拱部边墙仰拱;冻结发展速度与气温变化相关,但表现出一定的滞后性。围岩冻胀后,衬砌整体呈现"横鸭蛋"的收缩变形趋势,边墙水平收敛和仰拱不均匀隆起影响最大,边墙与仰拱连接处出现的应力集中也可能会影响结构整体的稳定性。此外,冻胀引起的衬砌转角变形在距离拱顶48°和96°处达到正负峰值,可视为冻胀敏感点作为转角监测的最优布设点。     

圆形和直墙拱形地下隧道地震反应数值模拟对比分析

考虑土与结构动力相互作用的影响,将地基土—地铁区间隧道结构体系视为平面应变问题,建立了土—地铁区间隧道非线性动力相互作用的有限元分析模型,对圆形和直墙拱形隧道的地震反应进行了数值模拟;分析了在相同的埋深和场地条件的情况下不同隧道结构形式在不同地震动作用下的应力、加速度和相对水平位移反应特性。结果表明:圆形隧道结构的应力和相对水平位移反应明显小于直墙拱形隧道。从抗震设计角度考虑,选择隧道形状时应优先采用圆形隧道。     

能源隧道热响应试验数值分析与适用性评价

以能源桩和能源隧道为代表的能源地下结构是一类节能环保的地下结构形式,能源隧道的理论研究与实际应用还处于起步阶段,相关测试与设计方法还不够成熟。以新八达岭长城站能源隧道试验段为研究背景,利用COMSOL软件对能源隧道热响应试验进行了数值分析与适用性评价,对TPT测试工况进行了数值模拟,经验证与现场实测结果吻合较好;对线热源传热模型用于能源隧道TRT试验的适用条件与方法做了初步探索,利用相对热效率的概念对模拟结果进行了分析。结果表明,线热源传热模型不能直接用于分析能源隧道TRT试验结果,但是T_fln(t)曲线的斜率与模型输入的围岩导热系数线性相关,可定义相对热效率来反映围岩导热系数对隧道埋管换热器换热能力的影响。     

外置双U型静钻根植工法能源桩换热性能研究∗

为探究外置双U型静钻根植工法能源桩换热性能,通过现场热响应试验,利用热源理论初步分析其岩土综合导热系数,建立三维传热数值模型并进行验证。利用三维传热数值模型分析换热管间距及其导热系数、换热液流速和桩周水泥土导热系数等因素对该新型桩换热性能的影响。分析结果表明,试桩区域岩土综合导热系数为1.64W(m·K)-1。提高换热管间距、换热管导热系数、换热液流速和桩周水泥土导热系数均能提高能源桩的换热性能,但当换热管间距大于0.25 m,换热液流速达到紊流态,换热管和桩周水泥土导热系数高于岩土综合导热系数后,提高上述参数对能源桩换热性能的提高贡献不大。     

拱形双排隔离桩对既有隧道的保护效果研究

采用隔离桩来保护邻近基坑的既有隧道是工程中常用方法,目前隔离桩平面排列形式多采用传统的矩形行列式。以杭州市某房建地下室基坑工程为例,提出由直线形排桩和弧形排桩组成的拱形双排隔离桩及相应的优化方案,采用ABAQUS有限元软件建立三维模型,研究了隔离桩中心距、桩半径、平面位置以及弧形排桩曲率半径等因素对隔离效果的影响,并与实测结果进行对比。结果表明:隧道衬砌总位移存在最大值和最小值,隧道衬砌总位移最大值点位于拱底,最小值点位于拱顶,隧道衬砌整体呈现出沉降的趋势。减小隔离桩中心距或增大隔离桩半径均可减小隧道衬砌的位移,拱形双排隔离桩的保护效果优于传统形式;将拱形双排隔离桩设在距基坑10 m处,并将弧形排桩设在隧道一侧更合理;弧形排桩曲率半径对隧道保护效果存在合理值;采用优化方案时隧道位移比原方案减小45.7%,隧道更趋于安全。     

破碎带对地下坑道动力响应影响的数值分析

为了研究破碎带的耗能作用及其对坑道结构动力响应的影响,根据某工程实例,建立了地冲击波作用下类岩体中坑道结构响应的计算模型,利用LS-DYNA3D有限元软件,分别计算了无破碎带和存在破碎带情况下坑道结构的动力响应。计算结果的对比分析表明,顶部破碎带使结构的加速度和位移等运动参数有不同程度的降低,但对结构所受到的应力影响不大;与之相反,侧部破碎带的存在使结构的加速度和位移等运动参数明显地增大。与顶部存在破碎带情况相比,侧部存在破碎带情况下坑道结构运动参数的峰值更大,对坑道结构安全更为不利。     

特长公路隧道内的横通道间距和车行间距研究

隧道火灾,尤其是长大公路、铁路隧道火灾,往往是灾难性的。因此,基于性能化防火设计原理,对雪峰山特长公路隧道的横通道间距和车行间距进行了研究。对中等规模20 MW的火灾,按照规范建议的3 m/s的风速进行通风的情况下,先用CFD软件模拟计算火灾危险时间Tfire,然后由疏散模型中的经验公式计算人员疏散时间Tevac,比较分析不同横通道间距下人员疏散的安全性;同时为了避免隧道内车辆间的引燃,利用辐射换热原理,对车辆间的火灾蔓延性进行了分析。模拟结果为:最佳横通道间距约为290 m,最小引燃间距为6 m。考虑到建设成本的问题,建议雪峰山隧道的横通道间距改为300 m;同时,考虑到后继车辆的刹车及不同的行车速度等因素,建议特长隧道内车距最好要大于110 m;     

深埋岩溶隧道掌子面突水灾害可靠性上限分析∗

旨在研究高地应力、高压富水条件下深埋岩溶隧道掌子面突水灾害的可靠性问题。基于已有研究成果,考虑高地应力以及高压富水地质条件,采用极限分析上限法构建了以剪切破坏为主的深埋岩溶隧道掌子面三维防突机制。根据虚功率原理建立突水破坏过程中的能量方程,利用Hoek-Brown 强度准则求解了高地应力以及高压富水条件下防止掌子面突水所需要的支护力上限解。在极限破坏状态下,根据掌子面上施加的支护力与突水破坏时的围岩压力构建极限状态方程,建立了深埋岩溶隧道掌子面防突可靠度模型,并采用响应面法计算了掌子面发生突水灾害的失效概率。分析了水平地应力、溶腔水压力、岩体强度参数以及隧道洞径对支护力、潜在破坏长度的影响规律,给出了满足不同容许失效概率下深埋岩溶隧道预防突水灾害所需要的最小支护力以及在有限支护效应下能抵抗的最大破坏长度。将研究成果应用于实际工程案例中,与已有研究、现场结果相比较,验证了本文计算结果的有效性,可为今后类似深埋岩溶隧道的防突问题提供理论指导和参考。     

岩溶地区双连拱隧道超前地质预报及施工技术研究

岩溶地区修建双连拱隧道难度较大,岩溶探测、支护方式选择等成为施工的关键问题。依托广西宜河高速公路某连拱隧道,根据围岩等级分别制定Ⅲ级、Ⅴ级围岩施工和支护方案,施工期间采用超前地质雷达探测隧道掌子面前方未开挖岩体,通过分析雷达反射波波形图,预测隧道中导洞存在4处溶洞,隧道开挖过程中揭露了3处溶洞,与地质雷达探测结果基本一致,证明了超前地质雷达的可靠性和重要性。针对溶洞地段采用Ⅴ级岩体支护方案,即采用套拱进行溶腔的加固处理,监测数据显示其变形基本值为0,表明该加固处理方法的可靠性。     

山岭隧道衬砌‑减震层体系动力响应研究∗

为了探寻隧道设置减震层时影响减震层减震性能的关键因素,建立了设置减震层的隧道有限元数值模型,将数值模型与振动台试验进行对比,验证了数值模型的可靠性。改变减震层设计参数和围岩条件,通过对隧道结构的主应变、相对变形率以及围岩的塑性区进行分析,研究不同参数条件下减震层的减震效果。结果表明：设置减震层后隧道加速度响应的传递函数在15~30 Hz 频段范围内减小,说明减震层通过吸收地震波中的高频成分,减小地震波能量向隧道的传递,进而减小隧道的地震响应。参数分析结果表明：减震层弹性模量越小厚度越大,减震层的减震效果越加明显,但隧道结构的相对变形率也随之上升。相比于增加减震层厚度,降低减震层弹性模量对减震效果的提升更为显著。在坚硬围岩中的设置减震层相比于软弱围岩减震效果更显著。     

进尺对浅埋隧道掌子面稳定性及变形受力影响

基于强度折减有限元法分析不同进尺对隧道掌子面稳定性和破坏形态的影响,研究不同进尺下掌子面变形形态、拱顶沉降特性、地表沉降槽形状,并揭示不同进尺下掌子面前方、进尺开挖段、支护段的应力传递路径、拱效应特征及应力演化过程。结果表明:进尺对稳定性的影响呈现非线性特征,整体上随着进尺的增大,稳定安全系数降低,塑性分布范围增大,位移影响范围增大,且从掌子面附近逐渐扩展到开挖段,位移矢量角呈现非线性增大,即竖向位移所占比重增加。掌子面前方及进尺开挖段均存在拱效应,竖向拱效应大于横向拱效应,水平拱效应最弱,应加强掌子面底部围岩的稳定和已支护段的强度;根据竖向应力距掌子面距离的不同,可以将其分为三个区段:掌子面附近为应力降低区,即卸荷区;掌子面前方一段距离为应力升高区,即应力承载区;掌子面较远处,为原岩应力区。     

隧道火灾调研及其对雪峰山隧道防灾设计的启示

随着长大隧道的不断涌现，交通量的日益增加，隧道内发生火灾风险的概率也随之上升。而隧道内一旦发生火灾，其破坏是相当严重的。隧道火灾的危害引起了各国对隧道消防安全问题的高度重视。通过对国、内外发生的一些隧道火灾案例的词研，分析了隧道发生火灾的特点、原因，并对雪峰山隧道火灾发生频率做了探讨，最后对雪峰山隧道的消防救援措施提了一些建议。