隧道结构系统可靠度研究

在结构系统可靠度研究的基础上,根据隧道结构的特点,应用概率理论及工程结构系统可靠度分析方法,对整个隧道结构系统可靠度进行了探讨。隧道结构系统可靠度研究包括衬砌断面可靠度、在各种不同围岩压力作用下衬砌断面可靠度、同种围岩地段衬砌可靠度以及整座隧道可靠度的研究。整座隧道可看作由两端洞门和洞内不同围岩地段隧道衬砌所组成的串联系统,任一围岩地段衬砌和任一洞门结构的破损,都认为该隧道破损,则运用“概率网络估算技术”（又称PNET法）可求得整座隧道系统的失效概率与可靠指标。通过实例计算得到,整座隧道系统的总体可靠指标比所有单段结构的可靠指标都要低。     

富水管道型岩溶隧道衬砌结构力学响应特征研究

对于围岩中存在管道型溶腔的岩溶隧道而言,受地表强降雨及地下水的影响,管道型溶腔内极易积聚高水压力,进而引发衬砌开裂、渗漏水及涌水病害。为了探明管道型溶腔中高水压力对衬砌结构的影响,开展了富水管道型岩溶隧道衬砌结构力学响应模型试验,对不同溶腔位置及不同水头高度影响下的衬砌结构内力特征进行了研究。基于此,建立扩展工况的数值计算模型,进一步探究了不同溶腔直径、溶腔位置及溶腔水头高度对衬砌结构内力的影响。结果表明：当隧道周围存在管道型溶腔时,与溶腔接触位置的衬砌内侧承受较大的正弯矩,为衬砌结构的最不利受力位置;随着溶腔直径和溶腔内水头高度的增加,衬砌内力显著增大;溶腔所在位置影响着衬砌内力的分布,当溶腔位于隧道拱顶时,衬砌结构的抗水压能力最小。研究结果可为管道型岩溶隧道的结构设计及安全施工提供借鉴。     

超大跨车站隧道三维数值模拟分析

乌蒙山2号隧道是改建铁路贵昆线六盘水至沾益段增建2线工程,出口段扒挪块车站伸入隧道内547 m,为4线大跨车站隧道,开挖轮廓最大跨度为24.13 m,为目前亚洲铁路隧道开挖最大跨。为研究此车站隧道设计与施工方案的合理性,采用FLAC3D 三维快速拉格朗日差分方法分析软件对此超大跨车站隧道施工开挖过程进行三维数值模拟计算。通过分析车站隧道开挖过程中围岩和支护结构的2次应力场、变形场和塑性破坏区的变化特征,总结了车站隧道围岩和支护的应力、变形和破坏区的分布特征和变化规律,为推荐施工方法的安全性及临时支护的拆除方案提供理论依据。     

地铁隧道复合式结构可靠度简化分析方法研究

应用荷载-结构模型,建立了地铁矿山法区间隧道二次衬砌结构截面可靠度功能函数,根据北京地铁4,5和10号线勘探地质地层物理力学性质统计特征,利用蒙特卡罗方法进行区间隧道结构可靠度分析。探讨了在长期自然环境下复合式衬砌的初期支护与二次衬砌各自的作用,认为二次衬砌承受运营阶段的全部荷载,初期支护的作用仅仅是改善了二次衬砌的工作环境,改善后二次衬砌周围的弹性抗力系数应适当提高,这样处理不仅可简化计算工作,也符合衬砌结构的实际工作情况。     

地铁车站对临近场地地震反应谱影响分析

考虑土—结构相互作用影响,分析在不同的地震波作用下不同结构形式地铁车站对临近场地地震动响应的影响规律。经过两次反演得到地铁车站所在深度的EL-Centro波,将此波形与生成的人工波分别作用于自由场地与包含地铁车站的两种地层结构,将得到的场地反应谱特性与自由场地表反应谱进行对比。由对比结果可知:在短周期部分地铁车站的存在使得地表加速度反应谱谱值变大,而在长周期部分,地表加速度反应谱谱值变化相对而言较小,即地铁车站的存在对地表加速度反应谱的长周期部分基本不影响;在不同地震波作用下,不同地铁车站结构对临近场地土反应谱的变化影响度因子曲线均呈倒"S"型,有唯一拐点;地铁车站结构的跨度与高度越大,其对周围场地土反应谱带来的影响越大。     

隧道围岩特性曲线数值模拟与分析

由于围岩特性曲线中只有圆形坑道才有解析解,对马蹄形坑道只能近似地将其转换成圆形[1],加上其它因素,如围岩原始数据、原始应力场、初始位移等的确定问题,使得特征曲线法在一般衬砌设计,特别是衬砌标准图设计中难以应用。笔者采用弹塑性有限元方法绘制了不同埋深、各种围岩级别下的铁路标准设计单、双线毛洞的围岩特征曲线,得出不同围岩级别、不同埋深、不同洞形和尺寸下围岩特性曲线的变化规律。对特性曲线法在隧道衬砌设计中的应用有实际意义。     

地铁隧道竖向土压力荷载的计算研究

在地下结构按荷载结构模型计算分析时,如何确定作用在地下结构上的上覆土荷载的大小及分布是合理设计的关键。对于松软地层浅埋隧道,竖向土压力经常取全部土层厚度重量;而覆土厚度较大时采用坍落拱统计公式以及泰沙基理论或普氏压力拱理论等,这些理论公式在选用时还存在一些问题,值得进一步研究改进。根据北京地铁所处地层、隧道尺寸及埋深情况,采用常用覆土压力理论对北京地铁四、五、十号线标准断面安全度进行试算分析,提出了北京地铁隧道竖向土压力荷载计算方法,对地铁隧道及城市地下工程均具有借鉴参考价值。     

基于压力拱理论的围岩压力计算研究

按照弹塑性理论,应用数值模拟的方法,通过对比隧道开挖前、后围岩的主应力矢量图,得到隧道开挖后,其周边围岩的主应力矢量方向发生了偏转,形成了压力拱;通过分析拱顶上方的应力状态,提出了压力拱成拱临界埋深和压力拱计算边界的概念;以铁路隧道参考图为准,分析了隧道埋深、跨度及围岩性质等因素对成拱临界埋深和计算边界的影响。经过分析,压力拱临界埋深与计算边界均随着跨度与围岩级别的增大而增大,且呈现一定的规律。通过多元非线性回归分析,得到了临界埋深和计算边界的计算公式,以此得出围岩压力的计算公式,并与《铁路隧道设计规范》所推荐的公式计算得到的围岩压力进行对比,结果表明,通过压力拱理论计算得到的围岩压力较规范要大,且随着围岩级别的增大,两者差值逐渐减小,其中Ⅴ级围岩最为接近。     

基于压力拱理论的围岩压力计算研究

按照弹塑性理论,应用数值模拟的方法,通过对比隧道开挖前、后围岩的主应力矢量图,得到隧道开挖后,其周边围岩的主应力矢量方向发生了偏转,形成了压力拱;通过分析拱顶上方的应力状态,提出了压力拱成拱临界埋深和压力拱计算边界的概念;以铁路隧道参考图为准,分析了隧道埋深、跨度及围岩性质等因素对成拱临界埋深和计算边界的影响。经过分析,压力拱临界埋深与计算边界均随着跨度与围岩级别的增大而增大,且呈现一定的规律。通过多元非线性回归分析,得到了临界埋深和计算边界的计算公式,以此得出围岩压力的计算公式,并与《铁路隧道设计规范》所推荐的公式计算得到的围岩压力进行对比,结果表明,通过压力拱理论计算得到的围岩压力较规范要大,且随着围岩级别的增大,两者差值逐渐减小,其中Ⅴ级围岩最为接近。