波浪作用下含气海床内盾构隧道水力及位移响应分析EI北大核心

海底沉积物中气体通常以不连续的气相存在于海床土体中,既有理论研究较少考虑含气海床环境,波浪动压力引起的渗透力导致隧道衬砌附加变形也较少见之于文献。首先,通过Biot固结方程获得了气-水混合流控制方程,结合适用于浅水区的Stokes二阶非线性波浪理论获得了隧道衬砌周围的孔隙水压响应;其次,采用叠加法分别考虑了由波浪引起的海床土体内振荡孔压和累积孔压,并以衬砌周围可能出现的最大孔隙水压及渗透力作为最不利荷载工况,结合指数衰减模型描述衬砌劣化效应,获得了考虑波浪渗透力作用下隧道衬砌服役期间位移变化规律;最后,通过试验监测数据及数值模拟验证了本研究理论解析的准确性,通过对波浪周期、水深,海床剪切模量、海床含气量,隧道半径、埋深、衬砌劣化系数进行分析。结果表明:海床含气量增大能降低波浪压力向海床内部传播,并减弱超静孔压的累积效应;随着海床含气量逐渐增大,隧道衬砌周围孔压极值不断减小且出现相位滞后,隧道外渗透力、衬砌径向位移均随着海床含气量增加而明显降低;波浪周期增大、海水深度降低均能明显使海床表面的波浪压力增大,诱发隧道衬砌周围产生较大的渗透力,从而发生较大径向位移,小半径、浅埋深能够有效降低累积孔压造成的渗透力影响;当衬砌劣化系数相同时,含气量越低的海床内波浪引起的超静孔隙水压影响越显著,衬砌产生较大径向位移,不利于隧道的正常服役。     

输水隧道地震响应的多物质ALE数值分析

为研究浅埋输水隧道内部流体对隧道地震响应的影响,考虑黏弹性人工边界、土壤的非线性、隧道结构刚度有效率及流-固耦合作用,建立了双线隧道-土体-流体相互耦合作用的力学模型。通过刚度折减试验得到衬砌环环向、径向、轴向刚度,进而引入正交各向异性连续材料作为衬砌材料模型。采用基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）描述法的流-固耦合方法,对上海某大直径双线输水隧道在流体作用下的地震响应进行了分析。通过与等效密度法对比,验证耦合模型对于处理输水隧道多物质非线性耦合抗震问题的可行性。计算结果表明,在水平方向地震激励下,无论一致激励或是非一致激励流体对隧道地震变形和内力都有较大影响,但对位移影响较小;对于不同隧道内水量,隧道弯矩均集中于衬砌隧道45°交叉斜线位置;相比于一致激励,非一致激励增强隧道地震位移和变形响应是明显的。     

爆炸地震波作用下盾构隧道动力响应分析

盾构隧道衬砌由于各种类型接头的存在而与整体式衬砌的力学特性存在较大差异。将盾构隧道衬砌结构看作由弹塑性铰链连接的刚性管片组成,考虑围岩介质的黏弹性,提出了爆炸地震波作用下盾构隧道动力分析的简化计算方法。采用该方法对南京地铁盾构段典型横断面进行了动力分析,研究了爆炸地震波入射角度、围岩介质特性及管片厚度对结构受力与变形的影响规律。分析结果表明:波入射角度对盾构隧道有很大影响,斜入射时结构的动力响应要大于垂直入射时结构的动力响应;围岩介质等级越高,围岩对隧道结构的约束越强,隧道的抗爆性能越好;管片厚度的增大会增大结构的内力,合理设置管片厚度有利于提高盾构隧道抗爆性能。     

滑坡治理工程的下托式抗滑桩-隧道组合体系

滑坡段隧道加固技术主要包括滑坡治理和隧道衬砌结构加固,且滑坡治理措施中以抗滑桩应用最为广泛。本文以襄渝线某隧道工程为依托,一方面利用FLAC3D计算分析下托式抗滑桩支档结构的加固效果;另一方面通过有无支挡结构隧道开挖工况监测数据分析。结果表明:（1）下托式抗滑桩支挡结构加固作用下,隧道开挖后衬砌变形明显减小,且改善了隧道衬砌的受力状态,尤其对衬砌仰拱处的受力模式改变显著,减小仰拱的变形破坏。（2）下托式抗滑桩支挡结构对隧道以下滑体的滑移和沉降有一定的限制作用,并对隧道与滑面相交处的土体受力状态有一定的改善。（3）下托式抗滑桩加固作用下,隧道衬砌的受力状态有一定改善,尤其对隧道与滑面处变形控制有较好的效果,在一定程度上可避免隧道发生剪切变形破坏。（4）桩-隧间距对隧道衬砌、滑体地表沉降以及滑带的变形都有着不同程度的影响,但与其位置有很大关系。     

盾构法隧道衬砌施工阶段受力特性的三维有限元模拟

拼装衬砌是盾构隧道主要承重结构,其受力性能的好坏直接影响到隧道安全,因此,正确分析拼装衬砌的受力特征,对于衬砌的合理设计非常重要。而且,施工阶段作用在盾构衬砌的荷载与使用阶段相比存在很大差异。通过运用可以考虑接触问题的三维有限元对连续模型及通、错缝拼装的隧道衬砌在施工阶段的受力性能进行了分析,得出衬砌的应力变形规律,为盾构隧道衬砌的设计提供有益的参考。     

蠕滑错断-强震时序作用下跨活断裂隧道变形破坏机制初步研究

在以往对跨活断裂隧道变形破坏机制研究中,往往分别单独研究蠕滑错断与强震两种效应,忽略了在强震区两种效应往往同时对隧道具有威胁的可能性。基于此,讨论了蠕滑错断-强震时序作用对强震区隧道的影响。在室内试验数据的基础上,考虑相对错动条件下岩石-衬砌接触面、隧道混凝土衬砌材料的非线性弱化特征,研究隧道在先后发生活断裂错断与强震作用下的变形响应与破坏特征。引入了“柔性铰接”设计概念作为隧道的针对性工程措施,并验证了铰接设计的效果。开展了详细的参数研究,讨论了铰接设计中一些重要设计参数的影响。研究结果表明：（1）仅受到断层作用时,隧道的影响与破坏仅限于断层带部分,而隧道的其他部分基本保持相对完好;（2）隧道衬砌在蠕滑错断-强震时序作用下,隧道衬砌出现了明显的椭圆形变形和顶板沉降,导致隧道衬砌沿起拱线也出现明显的破坏现象。具有初始错断损伤的隧道在地震作用下会遭受更严重的破坏,破坏程度随初始错断距离的增加而增加;（3）铰接设计可以在时序组合作用下减少相对变形并提高隧道的安全程度,但铰接设计带来的安全程度的提高仅限于设防范围内;（4）建议设防长度的最佳范围为略大于断层宽度即可,节段长度越小,对改善隧道安...     

隧道仰坡地震动力响应特性振动台模型试验研究

为研究地震作用下山岭隧道仰坡的动力响应特性及仰坡坡体和衬砌结构的相互作用,设计并完成了隧道洞口段大型振动台模型试验。试验结果表明,地震作用下仰坡的加速度反应存在显著的非线性放大效应和趋表效应;当输入地震波幅值超过0.6g时,土体的非线性反应明显增强,加速度放大系数显著降低,表现出放大效应饱和的特性,且沿坡体竖直向上,加速度分布逐渐表现出平均化的趋势;隧道洞口段仰坡水平向动力反应受隧道结构存在的影响较小,可简化为自然边坡进行分析;仰坡的动力失稳是影响衬砌结构安全性的重要因素,当输入地震波幅值较小时,竖直向地震作用下衬砌主要受力部位受力要大于水平向地震作用,当幅值较大时,水平向地震动对衬砌结构的影响则明显大于竖向地震动;均质仰坡的破坏部位主要位于仰坡坡肩至坡面上部,破坏过程表现为地震力诱发-坡肩土体拉裂张开-坡肩土体倾倒崩塌-崩塌的土体沿坡面滑落碰撞-形成碎屑流堆积于坡脚。模型试验的结果能为山岭隧道洞口段的理论分析、计算和设计提供指导和依据。     

非饱和土中圆柱形衬砌隧道的瞬态动力响应

在以往关于圆柱形衬砌隧道的瞬态动力响应中,衬砌周围土体大多假定为弹性介质或饱和介质。然而,自然界中的土体大多为非饱和介质。考虑土体与衬砌结构的动力相互作用及动荷载引起的附加质量密度的影响,研究了瞬态荷载作用下非饱和土中无限长深埋圆柱形衬砌隧道的动力响应。基于多孔介质混合物理论和连续介质力学理论,建立了非饱和土中圆柱形衬砌隧道受到瞬态荷载作用时衬砌及周围土体的控制方程,利用Durbin数值反演法得到了衬砌及土体在时间域的动力响应。数值分析了饱和度对瞬态荷载下径向位移、径向应力、环向应力和孔隙水压力的影响。结果表明：饱和度对衬砌及周围土体的瞬态响应影响显著;饱和度对径向位移沿径向的衰减影响较小,对环向应力和孔隙压力沿径向的衰减影响较大。     

盾构隧道管片衬砌的平板壳-弹性铰-地基系统模型

从Reissner-Mindlin板单元入手,研究了盾构隧道管片衬砌结构之间的连接特征及土层与管片衬砌结构的共同作用,提出了盾构隧道管片衬砌结构的平板壳-弹性铰-地基系统模型,在此基础上研制了相应的有限元计算程序。该模型考虑了管片衬砌本身的弯曲、剪切和薄膜作用,考虑了纵向接缝在正负弯矩作用下的转动刚度差异和环向结缝对结构刚度的削弱作用,以及土层与衬砌结构的共同作用。能解决盾构隧道管片衬砌结构的三维受力分析,并能计算出结构的内力和变形,弥补了二维计算模型的某些不足。验证了程序的可靠性,最后给出了工程算例的三维计算分析结果。     

考虑横向性能的盾构隧道纵向非线性等效抗弯刚度计算模型

纵向等效抗弯刚度是采用等效连续化模型进行盾构隧道纵向结构分析的关键参数,其在纵向轴力和弯矩耦合作用下具有明显的非线性特征。在既有盾构隧道非线性抗弯刚度理论的基础上,考虑盾构隧道的横向变形特征,建立考虑盾构隧道横向性能的纵向非线性等效抗弯刚度计算模型,基于椭圆积分严格推导纵向轴力和弯矩耦合作用下盾构隧道在环缝完全闭合、半张开和完全张开3种变形模式下的纵向等效抗弯刚度,并根据中性轴位置方程得到各弯曲模式的临界轴力和弯矩判据,通过与既有解析模型计算结果、模型试验数据和数值计算结果的对比验证了所提出的模型的可靠性。采用该模型开展了纵向轴力和弯矩耦合作用下盾构隧道横向性能对其纵向刚度的影响分析,讨论了理论模型构建时非严格椭圆积分推导的计算误差,并基于该模型提出了附加荷载作用下盾构隧道横纵向变形的耦合分析方法。研究结果表明：该模型的解析推导是准确可靠的;盾构隧道的纵向等效抗弯刚度与其横向刚度密切相关,且为正相关;在压弯状态下盾构隧道纵向等效抗弯刚度随横向刚度的增大而得到明显提升。提出的模型构建了轴力和弯矩耦合作用下盾构隧道横、纵向刚度的匹配性,为盾构隧道横、纵向结构耦合分析搭建了桥梁。     

穿越黏滑断层分段接头隧道模型试验研究

数次大地震震害调查表明,隧道穿越断层处是受地震破坏较为严重的区域。为此,基于地震动能量的传播与释放特征,建立了一种穿越断层隧道结构抗减震的设计理念,并提出了一种穿越断层隧道节段接头形式。以跨断层龙溪隧道为依托,采用振动台模型试验研究了单一错动方式与断层错动-震动综合加载方式下带有接头的衬砌结构响应。研究结果证明：强震作用下,地震波对穿越断层隧道的影响是不可忽略的,断层错动-震动综合加载方式是合理的;新型接头能够自身适应性变形协调减轻隧道结构震害,节段间接头的设置改变了隧道的变形形态,提高隧道整体抗震能力;同时减小了衬砌的环向破坏,消弱了节段间地震力的传递,实现了衬砌震害的局部化。由于接头的设置,上盘隧道结构震害集中在距断层1.8倍洞径的范围内,下盘处隧道衬砌震害集中在距断层1.2倍洞径范围内;上盘的衬砌震害主要是由错动-震动联合作用造成的,而下盘衬砌震害主要受地震动的影响。     

Loads on Sprayed Waterproof Tunnel Linings in Jointed Hard Rock: A Study Based on Norwegian Cases

A composite tunnel lining system based on a sprayed waterproofing membrane combined with sprayed concrete is currently being considered for future Norwegian rail and road tunnels. Possible loading of the tunnel linings caused by water pressure is being investigated. This tunnel lining system consists of a waterproof membrane which, during application on the sprayed concrete lining, bonds mechanically to the sprayed concrete on either side. Hence, a continuous, sealing, and non-draining structure from the rock mass to the interior tunnel surface is formed in the walls and crown. Experiences from some successful recent projects with this lining system in Europe are reviewed. However, these experiences are not directly comparable to the Scandinavian hard rock tunnel lining approach, which utilizes a relatively thin sprayed and irregular concrete layer for permanent lining. When considering the sprayed membrane and sprayed concrete composite lining concept, introducing a partially sealing and undrained element in the lining, the experiences with the traditionally used lining systems in Norway need to be reconsidered and fully understood. A review of several hard rock tunnels with adverse conditions, in which the tunnel lining has been subject to load monitoring, shows that only very small loads in the tunnel linings occur. Recent investigations with in situ water pressure testing, including two sites with the composite sprayed membrane in a partially drained waterproof tunnel lining, are discussed. In a case with a cavern located in a hydraulically saturated rock mass subjected to approximately 8 bar hydrostatic pressure, a negative pressure gradient towards the tunnel lining has been measured. The investigation results from the Norwegian test sites indicate that no significant loading of the tunnel lining takes place in a hydraulically saturated rock when applying this composite waterproof tunnel lining in parts of the tunnel perimeter.     

小净距公路隧道支护时机对围岩稳定性影响研究

随着西部高速公路的大规模建设,受地形和施工场地的限制,小净距隧道已越来越多地在工程实际中使用。由于小净距隧道施工工艺复杂,围岩变形和破坏机理也较为复杂,隧道的施工和支护时机对围岩和支护结构的稳定性影响很大。结合正在施工的沪－蓉－西高速公路漆树槽分岔隧道小净距段的施工特点,开展隧道在不同荷载释放比例下不同支护时机对围岩稳定性影响的研究。研究结果表明：支护越早,衬砌和锚杆承担的荷载越大,围岩的塑性变形和塑性区范围越小。及时施作二次衬砌,可以显著控制岩柱部位的变形,改善围岩的应力状态。研究成果将对同类条件下小净距隧道的施工和设计具有指导意义。     

隧道支护结构荷载作用的随机反演

提出荷载－结构模式进行随机反分析方法，从隧道支护结构变形反算对应的荷载作用，可反推围岩抗力系数和覆土荷载的分布情况，以及作用于支护结构上各部位的外荷载。提出了以实测位移为基础的样条函数插值．以插值位移补充大量的实测值，满足了反分析所需众多的已知位移数。通过一施工实例对该方法的可行性进行了检验。     

Stability analysis of a fire-loaded shallow tunnel by means of a thermo-hydro-chemo-mechanical model and discontinuity layout optimization

When subjected to fire loading, shallow tunnels may experience loss of stability. This may result in large deformations and ultimately in local collapse of such structures. High temperature has a great negative influence on tunnels, not only because of thermal-induced mechanical degradation of the heated lining but also because of thermal spalling in consequence of the build-up of pore pressure. Thermal spalling causes quick loss of lining sections. Mechanical degradation sole can be simulated by thermo-mechanical models, while consideration of mechanical degradation and spalling requires thermo-hydro-chemo-mechanical (THCM) models and a spalling criterion. After simulation of both processes, the stability of a tunnel structure can be assessed by means of limit analysis. In this work, at first, a fully coupled THCM model is developed. Then, by using a “stress vs strength” criterion and a boundary shifting strategy, the coupled mechanical degradation and thermal spalling processes are captured, providing time-dependent and space-dependent information of the heated lining. Finally, a novel numerical approach, termed discontinuity layout optimization (DLO), is applied to quantify the stability of the tunnel structure with the help of a factor of safety. The proposed numerical procedure is used to conduct numerical studies with, as well as without, consideration of spalling. The results show that spalling has a great impact on the stability of the tunnel. It reduces the thickness of the lining section and accelerates the heating process of the inner concrete.     

复合式中墙连拱隧道衬砌结构计算方法探讨

由于连拱隧道荷载计算理论不成熟,现有结构计算模型很难准确模拟复合式中墙连拱隧道的受力机理,所以目前没有针对复合式中墙连拱隧道统一的结构计算方法。基于双塌落拱的假定确定连拱隧道荷载计算方法,使用有限元计算软件,用仅受压弹簧模拟中墙和二次衬砌之间的作用,基于荷载结构法合理建立复合式中墙连拱隧道衬砌结构计算模型。结合苏州凤凰山连拱隧道的设计,使用该模型计算隧道衬砌的受力,并进行配筋和强度安全系数计算,为复合式中墙连拱隧道设计计算提供有益的探讨。     

不等跨连拱隧道施工全过程的有限元模拟

用同济曙光岩土及地下工程设计与施工分析软件(GeoFBA2D),对某高速公路不等跨连拱隧道的施工全过程进行有限元模拟。得出隧道围岩应力、围岩位移、初衬与二衬的接触压力、中墙内力随施工过程的变化规律。研究表明,大洞的拱顶最大拉应力是小洞的4倍,不等跨效应十分明显;小洞拱顶沉降明显分为三个阶段;小洞的初衬与二衬的接触压力要比大洞大;中墙内力随施工过程变化显著,但最终值很小。结论对隧道设计和施工具有科学指导意义。