盾构隧道的开挖模拟及地震反应数值分析

由于盾构隧道掘进的特殊施工工艺,使开挖模拟的数值计算存在着诸多难以量化的因素。采用应力释放法模拟盾构隧道的开挖,在衬砌和土体之间设置等代层单元模拟盾构施工的影响,求得竣工期的应力场和位移场。在静力计算基础上运用动力有限元时程分析法,采用粘性人工边界条件,分析了隧道衬砌在地震过程中的最大响应。其结果和规律可为一般的盾构隧道地震反应分析提供借鉴。     

三维盾构隧道开挖面极限支护压力的上限解

为了研究掘进过程中盾构隧道开挖面附近土体的稳定性,假设土体为纯粘性土,且为理想弹塑性材料,服从摩尔-库仑屈服准则,参照矩形基础承载力问题的三维Hill机构,建立了盾构隧道开挖面土体处于主动、被动极限平衡状态下的破坏模式。从塑性极限分析上限法的基本原理出发,推导出三维盾构隧道开挖面极限支护压力上限解的计算公式。结合某算例,讨论了三维盾构隧道开挖面主动、被动极限支护压力上限解与平面应变上限解的关系,以及开挖面极限支护力与土体粘聚力、h/D的相互关系。研究结果表明:三维盾构隧道开挖面主动极限支护力要比平面应变上限解小,而被动极限支护力要比平面应变上限解大;随着粘聚力的增加,三维盾构隧道主动、被动极限支护力与平面应变上限解的差别也逐渐增大;盾构隧道开挖面主动、被动极限支护力的上限解均随h/D的增大而增大,且h/D越大,盾构隧道开挖面主动、被动极限支护力随土体粘聚力的变化速率也越快。     

考虑燃烧作用的隧道火灾三维数学模型

采用预设概率密度函数模型考虑燃烧的过程,构建了一种描述隧道火灾过程中燃油燃烧、烟气流动和传热的三维数学模型。应用该模型模拟了台缙高速公路苍岭特长隧道在释热率为50MW、风速分别为0～2m／s条件下的火灾过程,并通过室内模型燃烧试验验证了其有效性。与相同条件下热源模型计算结果的比较表明：无论通风条件如何,燃烧释放的大量烟气均会在火源上方形成一高速烟流区,而热源模型由于忽略了燃烧过程,在风速≥1m／s的条件下将无法刻画出该区域。高速烟流区抑制了纵向风流与高温烟流的混合,控制着火源近区的流场结构,是造成烟气回流和分层运动现象的主要因素之一。     

九华山隧道开挖爆破对古城墙影响的计算分析

计算分析了南京九华山隧道工程开挖爆破对明古城墙的影响。在对国内外流行的安全标准进行比较的基础上,指出了采用频率与震速结合的爆破震动安全标准的必要性,且采用德国爆破震动安全标准作为计算九华山隧道开挖爆破对古城墙的影响的判据;分别利用目前流行的震动速度和震动频率公式进行计算,判断开挖爆破对古城墙的影响程度及影响范围。结果表明,爆破震动对古城墙安全构成威胁,并计算得出开挖爆破最小安全距离。     

紧邻隧道条件下基坑开挖变形破坏模式分析

目前基坑开挖对邻近既有隧道的影响主要集中于隧道变形及应力的变化,对于紧邻隧道条件下基坑开挖的破坏模式以及机理仍缺乏较深入的理解。研究了不同隧道埋深、不同隧道与地连墙水平间距和不同地连墙埋置深度下,在紧邻隧道情况下基坑不同计算步的破坏模式,分析了变形破坏机理及易发生破坏的开挖步。研究结果表明,潜在破坏面可分为3种形式：直线形破坏面、圆弧形破坏面、U形破坏面;随着基坑的开挖以及内支撑的建设,剪切带逐渐变为绕地连墙墙趾的深层剪切带,与隧道的交叉部分从右侧肩部逐渐向下转移到右侧腰部或右下侧近腰部;基坑破坏易发生在开挖后未设置内支撑及开挖至坑底后设置内支撑的情况下。     

非饱和土边坡三维稳定性分析方法及考例

为了同时考虑边坡的饱和状态和三维尺度,根据非饱和土Barcelona模型进行了三维有限元数值模拟,确定了非饱和土边坡的应力位移分布。结合稳定性分析理论,将吸力对强度的贡献嵌入安全系数公式中,研究了非饱和土边坡的三维稳定性分析方法,并通过标准算例边坡的稳定性分析,确定了吸力对安全系数的贡献,并证明了该方法能够很好地退化到常规稳定性分析。     

某地下洞室开挖围岩稳定性数值模拟分析

结合某电站的工程建设实际，在场区地勘资料分析的基础上，深入分析了工程区的地质力学环境条件，建立了能够反映工程区地貌、岩体结构和地应力环境条件的力学模型。以地应力实测结果为参照依据，采用线性有限元法反演分析了初始地应力场，采用非线性有限元方法模拟了地下厂房等主要洞室开挖施工与支护过程中的围岩应力和稳定性状况，论证了地下洞室开挖方案的可行性，揭示了大型地下洞室不同开挖阶段应力的集中部位和围岩的潜在破坏部位。     

不同变形失稳模式下隧道围岩稳定性判据研究的进展

计算机模拟隧道围岩失稳研究的困难在于失稳模型不清楚、失稳判据不明确。本文综合分析了目前国内外应用的隧道稳定性判别方法,总结了不同变形失稳机制下的计算模型及其量化的破坏判据,分析了各种方法的研究进展和存在局限,为围岩稳定性数值模拟提供快速、合理、可操作的判据。     

盾构隧道开挖对邻近桩基三维影响试验研究∗

参考清华园隧道盾构段全线近距离侧穿北京地铁 13 号线桩基的工程背景建立试验模型,开展卵石地层中盾构施工对邻近桩基三维扰动特征研究。试验模型中共布置 5 根模型桩(1#~5#桩)。以 1#桩为例分析了盾构掘进过程对桩基的三维影响特征,发现附加弯矩主要产生在刀盘距桩基-0.5D 至 0D 阶段,横向弯矩最大值是纵向弯矩最大值的 2 倍;附加轴力主要产生在-0.5D 至 1.5D 阶段,桩顶附加沉降主要产生在-1D 至 1D 阶段,桩端附加承载力在-0.5D 至 2D 阶段持续增长。对比 1#、2#和 3#桩研究了桩-隧不同水平间距对桩基扰动规律的影响,发现桩基的附加沉降、附加弯矩和附加轴力均随与隧道水平距离的增大而减小,弯矩最大值的位置随着距离的增大而逐渐上移。对比 1#、4#和 5#桩分析了桩端相对竖向位置对桩基扰动规律的影响,得出桩端位于隧道拱顶的桩基的附加弯矩明显小于桩端位于中心线及拱底处桩基的附加弯矩。     

深基坑支护开挖对临近地铁隧道结构的影响分析研究

通过数值计算,采用考虑基坑开挖过程中土体剪切模量随应变增大而衰减特性的HSS模型,研究了基坑开挖卸荷作用下,邻近地铁隧道的埋深、隧道和基坑地连墙距离及刚度比等关键因素对地铁结构附加弯矩和附加位移的影响。结果表明:对于坑底隧道,在地下墙埋置深度范围内,与地连墙水平距离越大,隧道的侧移越小,在地下墙埋深以下,隧道侧移随与地连墙水平距离的增大而增大;通过比较坑侧与坑底隧道的附加弯矩与位移,得出地连墙底附近区域因基坑开挖卸荷引起的隧道附加弯矩较大,出现应力集中和明显的隧道-土-挡墙相互作用效应,坑侧隧道水平附加位移普遍大于竖向附加位移;此外,隧道与地连墙刚度比增大,对挡墙侧移和隧道附加位移都有明显的抑制作用。该研究揭示了基坑开挖作用下隧道-土-挡墙之间的相互作用规律,对深基坑开挖优化设计以及临近地铁结构的保护和安全运行具有一定的指导意义。     

路堑节理边坡开挖稳定性及影响因素分析

以某公路节理岩质边坡为工程背景,首先利用FLAC3D建立该边坡的数值分析模型,计算得到5台阶开挖的安全系数分别为2.62、2.39、1.61、1.06、0.67,并确定其破坏模式为双滑块平面剪切破坏;然后针对边坡的破坏模式建立理论计算模型,分别改变节理的倾角和力学参数(c,),分析它们对稳定性的影响。结果表明:变化下滑块节理面的倾角时,安全系数先变小,而后逐渐增大;变化上滑块节理面的倾角时,安全系数逐渐增大;当c1、c2取值较小时,两者的变化对于安全系数的影响基本相同,但随着取值的增大,c2的影响效果逐渐大于c1。     

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。     

软土地区风井风口施工对下部既有越江隧道影响的数值分析

上海在区间隧道上方建造风井在国内尚属首例。随着人们绿色环保意识的增强,隧道通风井将会越来越多地修建在远离都市核心区的区间隧道的上方,因而研究风口基坑施工引起区间隧道位移的变化将会是岩土工程领域的又一崭新问题。本文结合上海人民路隧道风井风口基坑工程,针对是否降低承压水水位2种工况,采用M IDA S-GTS软件,对既有盾构隧道隆起进行数值模拟,从理论上量化在这2种工况下隧道的变形程度,探讨该方法的可行性,为最终选择何种工况施工提供了理论指导。实际的监测数据验证了本文方法的可行性,为今后的相关工程建设提供了一个成功范例。     

隧道纵向通风对火灾规模和火灾蔓延的影响

隧道纵向通风一方面会给火源提供大量氧气,扩大火灾规模,增加火灾蔓延的可能性;另一方面又可以带走大量热量,减小火灾蔓延的可能性。目前,这两方面影响的相对重要性还没有被很好地研究。本文对纵向通风对隧道火灾蔓延的影响进行了研究,首先分析了纵向通风对隧道火灾规模的影响,然后利用火灾动力学模拟程序FDS,对不同通风速率及相应火灾规模条件下隧道内车辆间的火灾蔓延进行了数值模拟,得出了不同通风速率条件下火灾蔓延的规律,并提出了控制隧道火灾蔓延的措施。结果表明,增加通风速率能较大地增加货车火灾的热释放速率,当通风速率小于2 m/s时,火灾蔓延的距离随通风速率的增加而增大,当通风速率大于2 m/s时,火灾蔓延的距离受通风速率的影响很小;对于客车火灾,通风对火灾的热释放速率影响较小,并且火灾蔓延的距离随通风速率的增大而减小。     

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。     

原有路基稳定性对高速公路加宽工程的影响分析

通过数值模拟,结合高速公路加宽工程实例,分析了在原有路基未固结稳定情况下新老路基的固结沉降变形特性,并对可能的处理方法进行了分析探讨。结果表明,新老路基的沉降随着老路固结度的减小而逐渐增大,但差异沉降却逐渐减小;当老路固结度较小时,在固结后期差异沉降可能逐渐减小;轻质路堤法和复合地基法分别处理新路地基时,各有优缺点,轻质路堤法对老路附加沉降影响较大,但能较好地控制不均匀沉降,复合地基法对老路附加沉降影响很小,但在老路固结度较低时,差异沉降较大。     

生态土壤稳定剂对土质边坡稳定性影响的数值分析

生态护坡技术是一种日益被重视的护坡方法。生态土壤稳定剂是一种既能稳定土壤,又能促进植物生长的新型土壤改性材料。以宁淮高速公路某段路堑边坡作为试验段,应用自主研发的一种新型生态土壤稳定剂对试验段进行护坡绿化,采用FLAC-3D模拟计算软件分析了膨胀土路堑边坡表层改性土的强度及厚度变化对边坡整体稳定性的影响。研究表明,生态土壤稳定剂除了能防治坡面因冲刷而造成的水土流失、有利于植物生长外,还能提高边坡的整体稳定性。