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。     

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。     

多年冻土隧道围岩冻融圈回冻和融沉演化规律研究

以共和至玉树公路的姜路岭公路隧道为依托,开展隧道不同冻土段围岩冻融圈的演化规律及各因素对隧道不同冻土段围岩冻融圈的影响规律研究。结果表明:工况不变,随时间持续,冻融圈深度随之增大;围岩开挖后喷射混凝土支护,延迟1 d施作,则冻融圈深度增大约10 cm。喷射混凝土施作越迟,围岩的的冻融圈深度越大。在隧道运营期间,隧道非冻土段的围岩在外界气温荷载作用下将冻结,且冻结深度随着年份增加而增大,100年后可达26 m。     

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。     

特大断面板岩隧道施工期围岩变形时空效应分析

目前,关于特大断面板岩隧道施工期围岩时空变形规律缺乏系统性的总结。以沪昆客运专线长昆湖南段姚家隧道为例,结合变形监测资料,分析在不同开挖方法下特大断面板岩隧道施工期围岩时空变形规律,划分围岩变形-时间特征曲线及围岩变形-距掌子面距离关系曲线的类型;分析围岩位移释放率与时间和距掌子面距离的关系,研究围岩级别和空间位置对特大断面板岩隧道施工期围岩变形时空效应的影响规律。结果表明:围岩变形-时间特征曲线的类型可分为"弯弓"型和"台阶"型。"弯弓"型划分三个变形阶段,适用于Ⅲ、Ⅳ级围岩;"台阶"型划分四个变形阶段,适用于Ⅴ级围岩。围岩变形与距掌子面距离的关系曲线的类型可分为"单厂"型和"双厂"型。"单厂"型曲线出现在Ⅲ、Ⅳ级围岩地段,当监测断面距掌子面超过5倍洞径时,围岩变形趋于稳定,空间效应趋于消失;"双厂"型曲线出现在Ⅴ级围岩地段,当监测断面距掌子面超过3倍洞径时,围岩变形基本趋于稳定。最后,提出了不同围岩级别下隧道围岩径向位移释放率随时间和距掌子面距离的变化规律,研究结论对于特大断面板岩隧道围岩长期稳定性的研究具有借鉴价值。     

季节冻土区吉图珲高铁东兴膨胀岩隧道保温防冻方法及分析

隧道冻害与围岩中温度分布密切相关,因此掌握隧道围岩温度分布规律是防止隧道冻害的关键。以我国季节冻土区隧道建设发展为应用背景,依托于正在建设中的吉图珲高铁东兴膨胀岩隧道,结合东兴隧道特殊的工程地质与水文地质条件,在传统防冻方法基础上提出了一种改良的保温防冻新方法。通过监测施工期整个冻融循环过程中衬砌—围岩温度场,对比分析了传统防冻方法与改良防冻方法作用下围岩温度场的分布和变化规律。应用数值模拟方法,建立了东兴隧道衬砌—围岩温度场有限元模型,通过现场监测结果验证模型的有效性。进一步结合延吉地区东兴隧道当地气温预测运营期膨胀岩隧道围岩温度场分布,研究表明:运营期改良防冻方法比传统防冻方法具有更好的保温防寒作用。该研究可以作为季冻区隧道冻害防治措施的重要参考依据。     

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。     

结构面分布特征对隧道围岩变形影响的数值模拟分析

结构面对隧道围岩变形及稳定性起着决定性作用。运用三维离散元方法(3DEC)研究结构面分布特征,重点是结构面线密度1/λ、强度和倾角对隧道围岩变形的影响,总结了结构面分布与围岩变形特征的关系。结果表明,在结构面强度较低的情况下,结构面线密度对隧道变形的影响较大,其影响可分为两种情况:①λ≤0.2时,围岩的弯曲变形大于沿结构面的剪切变形,属于应力型大变形;②0.2<λ≤0.4时,沿结构面的剪切变形大于围岩的弯曲变形,属于结构型大变形。结构面倾角主要影响围岩大变形发生的位置。将数值模拟结果与国内工程实例实测变形资料相对比,发现一致性较好。本研究结果对隧道支护结构的设计以及施工设计具有借鉴意义与指导作用。     

岩溶隧道衬砌结构变形特征研究

以渝东南岩溶区马鞍山隧道为依托工程,运用有限元软件MADIS-GTS建立渗流-应力耦合模型进行数值模拟分析,通过监测隧道衬砌结构的拱顶、拱腰、拱脚和拱底四个部位的变形情况,控制单一变量,分析不同水头高度、不同注浆圈厚度、不同注浆圈渗透系数和不同衬砌厚度四种条件下的隧道衬砌变形特征,并对隧道设计参数进行优化。     

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。     

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。     

逆断层作用下复合衬砌输水隧洞损伤演化分析∗

复合衬砌是一种新型可承受高内压的输水隧洞衬砌结构,在穿越断层带时会由于断层错动作用发生破坏。 因此,对复合衬砌输水隧洞穿越逆断层的损伤演化分析具有现实意义。通过考虑多重荷载和不同结构层间的分离模式,建立复合衬砌输水隧洞?断层三维有限元模型,研究逆断层不同错动位移下复合衬砌结构损伤演化的过程,并对损伤状态进行量化评估。结果表明：逆断层作用下复合衬砌结构的损伤分为剪切损伤、拉伸损伤和失效破坏三个阶段。滑动面拱腰边墙处钢管受弯曲变形和局部屈曲耦合作用发生破坏是复合衬砌结构的最终破坏形式,破坏范围与滑动面呈“X”型分布向两盘延伸。由于不同材质性能和黏结特性的差异,断层作用导致不同结构层间发生脱离现象,脱离距离与错动位移呈正相关性。混凝土-钢管间脱离不同于混凝土-围岩间呈连续性分布,主要集中在钢管加劲肋附近。钢管内衬降低了混凝土开裂造成的内水外渗风险,增强了复合衬砌结构抵抗断层错动作用,提高了输水隧洞结构的安全裕度。     

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。     

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。     

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。     

松散地层隧道防坍塌控制技术研究

松散砂卵石地层围岩自稳时间极短,开挖后若不支护会立即坍塌,危及施工安全。根据地层特征曲线支护阻力与围岩位移的关系,若围岩自稳时间比支护施工时间短,支护结构要承受较大松散围岩压力,在这种地层中适时的支护时间已没有意义,必须采用合理的隧道防坍塌控制。施工中须根据砂卵石地层工程地质特征、隧道施工方案特点和周围环境的限制要求,合理选择支护措施,有效加固砂体,抑制围岩变形,以解决砂卵石隧道超前支护措施的选取、初期支护参数的优化、变形速率比值判别标准、衬砌结构施工力学行为、砂卵石地层围岩压力分布特征及洞室收敛变形的控制技术难题。研究成果可更好地保障砂卵石地层公路隧道的施工安全。     

软岩隧道围岩变形季节性特征与防控措施研究∗

以香丽高速洼里别隧道为依托,通过隧道围岩变形监测结果,分析了炭质板岩隧道围岩变形与季节性降雨之间的关系,研究了围岩旱季和雨季隧道施工围岩变形差异的原因,提出隧道围岩大变形防控措施.结果 表明,受季节性降雨的影响,洼里别隧道围岩变形呈现出一定的季节性特征,较于旱季时期,雨季施工时围岩变形呈现出变形量大且变形速率快的特点;围岩大变形因围岩条件、地下水及施工原因共同影响产生,而炭质板岩的软化性、崩解性及其岩层倾角是引发围岩大变形的内因,地下水则是造成围岩变形呈现出季节性特征的主要原因.最后,基于三个主要影响因素,提出适用于洼里别隧道的围岩变形防控措施,采用控制措施后,现场施工效果良好.     

浅埋衬砌隧道-邻近建筑地震动力相互作用IBEM模拟

采用高精度间接边界元方法(IBEM)考察地震波入射下隧道-邻近建筑物二维地震动力相互作用的规律。结果表明:建筑物与邻近隧道存在着明显的相互作用,整体动力反应规律取决于隧道,建筑物之间的空间位置关系、隧道埋深、入射波的频率和角度等因素。隧道位于建筑物正下方时,刚性衬砌隧道(相对围岩)对上部结构主要表现为隔震效应;隧道位于建筑物两侧时,隧道对建筑顶部位移有明显放大效应,最大可放大约40%。同时隧道应力也明显增大,最大可放大约43%。因此实际中需根据隧道-建筑物的空间位置关系,适当调整衬砌隧道与沿线建筑物的抗震设防水平。     

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。     

冻土隧道动态信息反馈施工控制技术

为形成多年冻土区隧道动态信息反馈施工控制技术,主要研究了隧道施工冻融圈响应规律与控制要点。结果表明:喷射混凝土前,由洞内至围岩围岩内部,其温度逐渐下降。同一深度处围岩温度又会随时间缓慢增长;喷射混凝土后,尽管围岩越深部其温度逐渐降低,但浇筑混凝土产生的水化热对整个围岩温度场影响显著,总体来看,距离洞壁深度与水化热效果影响成反比,当深度超过2m,围岩受水化热作用轻微。喷射混凝土越晚,同一深度处围岩温度越高,冻融圈深度越大。