富水区隧道合理防排水型式及注浆加固参数研究

以在建的某近接水库公路隧道为工程依托,建立其渗流场和应力场的双场流固耦合计算模型;选取3种不同的防排水型式为研究对象,对注浆圈厚度、注浆圈渗透系数、控制排水量等因素对隧道内排水量和衬砌外水压力的影响规律进行探究,提出了合理的注浆圈加固参数、控制性排水量以及最优的防排水方式等。研究结果表明:增大注浆圈厚度或降低注浆圈渗透系数均能实现减小衬砌外水压力的目的,但并不意味着注浆圈厚度越厚、渗透系数越低,对隧道涌水量的控制效果就越好,而是存在一个相对经济合理的注浆圈加固参数值;隧道控制排水量以及排水型式对于控制衬砌结构外水压力的大小起到决定性的作用;采用环向排水管及盲管+墙脚设泄水孔的排水型式,这对衬砌结构受力最为有利。     

高速公路连拱隧道开挖三维稳定性分析

通过对金丽温高速公路湾连拱隧道工程区的地质特征的详细分析和现场调查,系统研究了湾隧道开挖及加固全过程的围岩应力场、变形场的状况及变化特征。结果表明,湾连拱隧道围岩应变率较高,围岩衬砌后的位移值比未衬砌时减小了50%,采用目前的衬砌类型后,衬砌变形将较大幅度地变小,衬砌应变值基本满足要求;虽然围岩拉应力值随着隧道的开挖逐渐变大,除局部位置外,衬砌整体基本满足抗拉的要求。     

火灾高温下隧道衬砌结构的变形性能研究

为考察隧道衬砌在火灾高温下的变形性能,利用ABAQUS有限元软件建立了HC基准升温曲线下衬砌环的三维分析模型。分析了隧道衬砌结构在火灾高温下的温度场分布规律,以及钢筋混凝土衬砌结构变形情况。研究了地面超载、土体侧压力系数、火灾持续时间、峰值温度及升温速率对变形的影响。结果表明:地面超载较小时,衬砌拱顶随温度升高而接近围岩,反之则远离围岩;拱腰位移随地面超载的增大而不断增大;土体侧压力系数越大,拱顶越向外移动,而拱腰则越向内移动;火灾持续时间越长、峰值温度越高,拱顶越远离围岩,拱腰越靠近围岩;升温速率对衬砌升温初期的变形影响较大,后期影响不显著。     

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。     

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。     

盾构隧道壁后注浆机理及其对周边环境的影响

城市盾构隧道多建在建筑物高度集中地区,盾构法隧道施工壁后注浆引起的土体变形不容忽视。对盾构壁后同步注浆的几个主要影响因素(注浆压力、注浆量和注浆材料)的研究现状分别展开说明,包括注浆压力分布,对地层的劈裂,与前方泥水压力、上覆土和衬砌的关系,注浆量与注浆填充率的计算、注浆速度等。研究了盾构法隧道壁后注浆对周边的影响(如壁后注浆引起地层位移以及隧道上浮等)。最后对目前的研究进展及优缺点进行了论述,提出了进一步的研究趋向及思路。     

不同场地条件下水下隧道周围土体位移变化的数值分析

以拟建的哈尔滨松花江隧道为背景,考虑土体—衬砌的材料非线性特性和相互作用,按平面应变假定,建立在不同场地条件下的若干接近实际的有限元计算模型,应用有限元计算软件ANSYS进行数值分析,得出不同场地条件下隧道周围土体位移的分布规律,遴选出了影响水下隧道周围土体变形的部分关键因素,为合理确定隧道覆土层安全厚度提供了一定的理论依据。     

上覆富水砂层地铁隧道掌子面变形特征数值试验研究∗

为研究地铁隧道在上覆富水砂层下的变形特征，以典型上覆富水砂层隧道—青岛地铁 2 号线啤—苗区间为工程研究背景，采用 FLAC 3D 数值模拟软件对不同富水砂层厚度与隔水层厚度工况下隧道掌子面位移、塑性区变化特征进行了研究分析。研究结果表明：隔水层厚度是影响掌子面是否发生涌水涌砂的主控因素，在开挖过程中应时刻注意富水砂层距离隧道顶板的安全距离，临界隔水层的厚度为 3 m。同时，当隔水层厚度越大、富水砂层厚度越小时，掌子面变形就会越小。以临界工况为研究对象，通过分析开挖过程中隧道拱顶—拱腰—掌子面应力和位移变形规律，引入了位移释放系数和应力释放率两参数来揭示围岩与掌子面在隧道开挖过程中的影响关系。通过进一步拟合掌子面失稳破坏预测方程，得到了掌子面变形释放率拐点先于同一断面围岩径向变形且发生在开挖到目标断面之前的重要结论，因此在实际隧道开挖过程中应将掌子面的变形作为首选敏感监测指标。研究结果可为该不良地质条件下隧道掌子面稳定性和预加固时机选择提供一定的理论指导。     

浅埋软岩隧道结构简化模型及分析方法∗

现有钻孔隧道力学分析模型主要集中在中、深度隧道(覆盖层直径比 C/D ≥ 2),但这类隧道模型因忽略了浮力且没有考虑到隧道衬砌的实际荷载,并不适用于浅埋钻孔隧道的力学分析。此文结合浅埋隧道的有限元分析,提出了一种浅层隧道计算模型,并研究了隧道截面最优厚度直径比 d/D 与覆盖层直径比 C/D 之间的关系。 该模型中的隧道衬砌荷载包括浅层隧道顶部和底部的荷载差,利用提出的浅层隧道模型计算隧道截面上特定点处的土压力,以及结合有限元法进行结构分析得出一系列关键结论。结果表明,在有浮力的浅埋隧道分析中,隧道衬砌归一化内力和变形较无浮力的浅埋隧道显著大,当改变隧道覆盖深度时,隧道衬砌的最大变形值达到最小。结合结构分析和隆起分析的结果给出了掘进过程中隧道某断面 C/D 值的最优断面直径比值和最优覆盖层直径 C/D 比值。     

基于地层⁃注浆体⁃管片协同作用的海底盾构隧道受力研究∗

为研究海底盾构隧道中浆液与围岩及管片的相互作用特性,以厦门地铁2号线海底盾构段为工程背景,采用数值模拟方法和现场实测方法,分析注浆的浆液凝固过程,重点研究浆液的抗压强度、刚度、收缩、蠕变等特性对隧道力学和变形的影响特征,以及不同地层分布、不同隧道埋深下的管片受力特征,并采用流固耦合研究海水位变化对管片受力的影响。计算研究表明:注浆材料的刚度比E1/E28对管片最终轴力和围岩压力影响小,变化幅度不超过0.885%,对地层变形影响相对较大,可通过添加剂调节凝结时间,尽量让浆液早一些凝固硬化;最终收缩应变增大,隧道内力和外侧压力降低,地层沉降增大,建议采用泌水率低的浆液,且其收缩值需控制在较小的范围内;蠕变参数取值对管片轴力影响较小,变化幅度最大不超过1.35%;收缩参数主要考虑注浆材料后期的凝固收缩,蠕变则主要考虑注浆材料前期的蠕变收缩;地层变化及隧道埋深变化对隧道管片受力影响显著,隧道拱顶若软土较厚,则不易形成有效压力拱,导致围岩压力荷载较大;半日潮对地层变形、管片受力的影响不大,总体发展趋势与静水位条件下相似。最后,监测结果表明,数值模拟与实测的管片水土压力时程变化规律基本一致。     

输水隧道的减震措施研究

隔震技术是近几十年发展起来的新技术,对地面结构减震效果显著。本文运用Newmark隐式时间积分有限元法并采用粘-弹性人工边界,分析了在输水隧道施工中设置减震层和注浆加固一定范围内围岩这2种方法的减震效果、适用条件及其减震机理。计算结果表明:减震层或加固层的设置均使隧道衬砌应力减小,起到保护隧道衬砌的作用;在较大的范围内注浆加固围岩的办法,对软土中的输水隧道的减震更加有效,它能充分发挥围岩的承载能力;而在围岩与衬砌间设置减震层的办法,对稳定性极好的坚硬围岩中的输水隧道的减震效果更加有效。计算结果可为地震区的输水隧道抗震设计提供依据。     

浅埋偏压条件下特大断面隧道地震动态响应的试验研究

以福州市二环路金鸡山隧道为工程原型,设计制作了浅埋偏压条件下特大断面隧道的1/30缩尺模型,完成了20种工况下的模拟地震动试验,重点关注隧道模型加速度、衬砌接触压力、衬砌表面应力的地震动态响应。隧道中轴面各测点PHA放大系数随高程呈近似对数型增大,改变了原场地高程效应的表现形式;隧道模型的第一卓越频率与EL波的卓越频率较为接近,其共振效应使得EL波激励引起的高程效应明显大于其他地震波。靠山侧衬砌结构所承担的地震动附加压力显著大于临空侧,且在大振幅激励下,其拱腰所承担的地震动附加压力反而大于拱脚。隧道衬砌结构的扁平率和几何曲率,对其动应力峰值的分布均有显著影响,尤其是在大振幅激励下,靠山侧拱脚处的动应力峰值显著大于其他部位。衬砌结构的裂缝发展形态特征,与接触压力峰值及动应力峰值沿衬砌环向分布的规律是相一致的。上述成果为浅埋偏压条件下特大断面隧道抗震设防提供了参考。     

火灾作用下隧道结构力学响应及稳定性分析∗

隧道火灾会引起衬砌结构发生高温损伤,威胁隧道运营安全。从材料微观物理化学变化出发,研究了混凝土中水化物的热分解和骨料力学性能的高温劣化过程,揭示了其在火灾等高温作用下宏观力学性能的劣化机理,建立了相应的高温损伤分析模型,在传统模型仅能考虑温度大小影响的基础上进一步考虑了温度持续时间对材料力学性能劣化的影响。以上海某软土地区盾构隧道为算例,分析了不同火灾持续时间作用下衬砌结构的高温损伤过程,得到了衬砌结构在温度和力学荷载共同作用下的应力状态、围岩变形及隧道稳定性的变化规律,为隧道衬砌结构的防火设计及灾后评估与修复提供参考。     

基于流固耦合的坡度对TBM斜井围岩的影响研究

以内蒙古新街台格庙矿区的TBM斜井工程为背景,运用FLAC3D软件建立TBM斜井施工的三维模型,基于流固耦合理论,从孔隙水压力、应力及变形3个方面对TBM隧道和TBM斜井进行对比分析,并研究了坡度对TBM斜井围岩力学特性的影响。研究结果表明:流固耦合条件下,随着施工进度的发展,TBM斜井在拱腰和拱底处的应力和变形值要大于TBM隧道的值。坡度对富水条件下的TBM隧道围岩变形和应力的影响较明显,坡度越大,围岩越易失稳,拱腰处的应力、变形及孔隙水压力变化较大,大坡度TBM斜井施工应重点注意拱腰部位的支护及防排水。研究结果可为富水大坡度的TBM斜井工程设计施工提供理论参考。     

渗流场对地铁隧道沉降与受力影响的流固耦合分析

地下水问题是富水地层地下结构设计与施工中普遍存在的问题。为探讨地下水流动对软岩地铁隧道的稳定性及衬砌支护受力的影响,根据流固耦合理论,采用三维快速拉格朗日有限差分方法,在不同地下水位及排水边界条件下,对开挖后洞室周边场地位移、应力场、孔隙水压力的分布情况进行了综合分析。结果显示,由渗流引起的渗透力一定程度上会增加隧道周边场地变形及衬砌应力。从围岩-支护结构共同作用的原理出发,验证了隧道开挖与支护结构设计时需要考虑渗流效应,反映了地下水确实对隧道稳定性有着重要影响。     

地铁列车运行诱发低频振动控制数值研究∗

地铁列车运行诱发的低频振动问题受到人们的广泛关注,对于低频振动的控制研究具有重要意义。采用移动激振力函数来模拟轮轨之间相互作用力,建立轨道‐隧道‐地层三维动力有限元模型。核心思想是通过降低地层中能量传递密度的方式来减小低频振动,首先分析地铁列车运行诱发的地层和地表动力响应规律,揭示低频振动的传播衰减机理。之后通过普通整体道床轨道和钢弹簧浮置板轨道两个不同的轨道型式,系统地分析普通整体道床轨道中隧道衬砌参数和道床参数对地表低频振动的影响规律,对钢弹簧浮置板轨道进行优化,增大底板的刚度和厚度,研究优化后底板参数和隔振器排列方式对地表低频振动的控制效果。计算结果表明：低频部分随着与隧道纵向轴线距离的增加,在地层和地表均衰减较慢;普通整体道床轨道中道床刚度和高度、隧道衬砌刚度均对低频振动的影响较大,而隧道衬砌厚度对低频振动的影响较小;钢弹簧浮置板轨道中随着底板刚度和长度的增加,低频振动的控制效果越好,隔振器数量越少,越有利于低频振动的控制。     

桩基础荷载对近接隧道影响的数值分析

为研究某拟建桥梁的桩基对近接沪昆高铁山岚桥隧道可能产生的影响,利用MIDAS/GTS有限元软件建立三维实体模型,分别以桩隧水平净距,桩长和桩基布置位置为基本变化参数进行模拟分析,结果表明:隧道拱腰两侧布置桩基时,隧道中段拱顶竖向位移、拱腰水平位移与桩长及桩隧间距成反比;桩基平面处隧道拱底、拱腰竖向位移随桩长的增大而先增大后减小,在桩长与拱腰深度相等时,拱腰竖向位移达到最大,在桩长与拱底深度相等时,拱底竖向位移达到最大;在隧道横截面的单侧布桩时会出现与双侧布桩时不同的非协调变形,近桩侧隧道的竖向位移要明显大于远桩侧的;以桩隧净距(S)为一倍桩径(1d)为基准,桩基荷载对隧道的影响分区可划分为S4d的强影响区,4dS12d的一般影响区和S12d的弱影响区。研究结果对于相似工况隧道工程的安全稳定有借鉴意义。     

场地动力特性对衬砌隧道地震反应的影响

采用间接边界元法(IBEM),研究了平面SV波入射下场地动力特性对衬砌隧道地震反应的影响问题。充分利用半空间格林函数和全空间格林函数在分别构造含孔半无限空间域和闭合域内散射波场方面的优势,将含有衬砌隧道的层状半空间分解为含孔层状半无限空间域和一个环形衬砌闭合域。在半无限空间域孔洞边界和闭合域边界各单元上分别施加虚拟均布荷载,进而求得半空间和全空间域内的位移、应力格林函数,然后根据边界条件确定虚拟均布荷载密度,最后求得衬砌内表面动应力集中系数。验证了方法的正确性,并以基岩上单一土层和基岩上三层土为例,计算分析了层状弹性半空间中隧道衬砌内表面动应力集中系数。结果表明,随着基岩土层刚度比的增大,动应力集中系数峰值减小;随着土层厚度增大,动应力集中系数峰值总体上呈减小趋势;对于不同土层层序,动应力集中系数峰值明显不同。     

上软下硬地层双线地铁隧道下穿既有城市道路地层变形规律研究

上软下硬地层地区进行隧道开挖时,常引起较大的地表沉降,危及地表构筑物。依托深圳地铁7号线安托山停车场出入线下穿深圳北环大道工程,采用现场监测研究方法,对该类地层双线隧道下穿既有道路引起的围岩及地层位移进行研究。研究结果表明:道路荷载对隧道围岩沉降有较大影响,当双线隧道间距较小时,全断面注浆对注浆段上方较浅地层位移影响较明显,对临近隧道较深处影响较明显,全断面注浆对地面沉降有较好的控制作用,但要注意控制隆起,该工程中全断面注浆对注浆加固圈以外8 m内影响较大,8~13 m范围影响较小。通过多种监测手段相结合,可以更好的保障施工安全。     

走滑断层作用下跨断层隧洞错断模型试验研究∗

隧洞抗错断研究中,正、逆断层研究较多,走滑断层研究较少。针对走滑断层引起的隧洞变形破坏、应变分布规律以及上覆围岩的破裂形态等关键问题,以滇中引水输水隧洞为依托工程,制作了隧洞模型开展走滑断层作用下断层隧洞的抗错断模型试验研究,得到隧洞在走滑断层断层错动作用下的结构响应规律。结果表明：①隧道衬砌结构在走滑断层作用下的破坏形式是弯曲张拉破坏以及直接剪切组合破坏,其中剪切破坏是主要破坏形式;② 隧道衬砌结构沿纵向以受拉为主,主要集中在活动盘距离错断面?0.5D~2.0D(D 为隧洞直径)范围内的隧洞衬砌顶部以及两侧拱腰沿纵向位置处,而受压区主要在活动盘距离错动面?0.5D~0.5D 内与活动盘移动方向一致的一侧拱腰;环向应变的影响主要集中在断层错动面附近;③活动盘受断层错动影响范围和剧烈程度均小于固定盘,故断层错动作用下的固定盘是隧洞抗错断控制重点。