强震区隧道洞口软硬岩交接段围岩注浆抗震措施效果分析

为提高强震区隧道洞口软硬围岩交接段的地震安全性,本文依托老鹰窝隧道工程洞口段,利用有限差分计算软件FLAC3D进行三维动力响应分析,对全环接触注浆、全环间隔注浆两种围岩注浆抗震措施作用效果进行了对比研究。研究表明:（1）两种注浆方式均能有效减小隧道二衬结构的动力响应内力,改善隧道结构的受力特性,从而提高隧道整体的抗震性能;（2）地震荷载作用下,软岩隧道动力响应强于硬岩,且离软硬围岩交界面越近,响应越大;（3）从减小衬砌结构响应内力的角度来说,全环间隔注浆抗震性能优于全环接触注浆。研究成果可为强震区隧道洞口段抗震设防设计提供参考。     

震区隧道洞口段注浆措施的减震效果数值模拟分析

为研究注浆措施在地震区隧道洞口段的减震效果,基于围岩-结构三维模型,改变注浆的范围及参数,采用有限差分法软件FLAC-3D,分析了某隧道洞口段的动力响应。采用人工拟合地震波、黏性边界条件,输入三个方向的地震波,模拟了原设计、全环间隔注浆措施、局部加强注浆措施三种工况。研究分析了各工况的内力、位移、周边围岩塑性区等,并与全环间隔注浆、局部加强注浆两种减震措施的效果作了对比,得出了地震区隧道洞口段的动力响应规律、减震措施的有效范围及全环间隔注浆措施能起到阻尼减震的效果、局部加强注浆措施能改善衬砌结构内力分布的作用等结论。对高烈度地震区隧道洞口段抗减震措施研究有一定的借鉴意义。     

强震区隧道软弱围岩洞口段桩-筏抗震措施的作用效果分析

为进一步提高地震时软弱围岩铁路隧道安全性及稳定性,以玉磨铁路新平隧道工程作为依托,利用FLAC3D数值模拟软件,对强震区隧道软弱围岩洞口段桩-筏抗震措施效果进行研究,对比分析了无加固措施、措施一（桩-拱结构）及措施二(桩-筏-拱结构)二衬的结构位移及内力,研究结果表明:措施一和措施二的竖向位移分别减小了1.35%、1.09%;措施一的边墙收敛几无变化（增大了0.44%）;由于桩-筏-拱结构的整体稳定性较好,措施二的边墙收敛减小了30.49%;距离洞口最近的两个危险截面1和2处,措施一的最小安全系数提高了1.43%、6.71%,措施二的最小安全系数提高了145.91%、143.72%;综合位移及内力分析,措施二的抗震效果优于措施一,建议新平隧道洞口段采用桩-筏-拱结构进行抗震加固。     

围岩弹性抗力对隧道结构受力的影响分析

运用荷载结构模型及有限元分析手段,以新建200km时速城际铁路隧道衬砌为研究对象,分析了围岩弹性抗力对二衬结构受力的影响。随着围岩弹性抗力的增大,拱顶弯矩及拱肩弯矩绝对值、拱顶竖向位移变小,而拱顶轴力及安全系数变大。说明,围岩越坚硬,衬砌结构受力越有利。随着二衬厚度的增大,拱顶弯矩及拱肩弯矩绝对值变大,而拱顶轴力、拱顶竖向位移及安全系数变小。随着混凝土强度等级的提高,拱顶弯矩、拱肩弯矩及安全系数变大,拱顶轴力和拱顶竖向位移变小,但这些量值的变化幅度较小,说明混凝土弹性模量对二衬受力影响很小。     

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。     

地震高烈度区隧道软硬围岩交接段减震层减震效果分析

为提高位于地震高烈度区隧道软硬围岩交接段的抗震性能,本文以某铁路隧道为研究背景,利用有限元差分软件FLAC~(3D)对隧道软硬围岩交接段不同位置施设减震层的减震效果进行了分析,结果表明:(1)减震层施设于围岩与初支之间的横竖向位移减震效果为25.16%和6.82%,最大、小主应力减震效果为60.46%、54.65%,最大剪应力减震效果为66.97%,最小安全系数减震效果为45.90%～58.71%;(2)减震层施设于初支和二衬之间横竖向位移减震效果为0.79%和0.62%,最大、小主应力减震效果为68.14%、12.71%,最大剪应力减震效果为35.84%,最小安全系数减震效果为29.51%～51.66%。研究成果可为类似工程抗震设防设计提供参考。     

泥石流堆积体隧道支护体系优化效果模拟分析

以国道318线林芝—拉萨段娘盖村隧道为工程背景,针对钢架锚喷网支护在泥石流堆积体隧道施工中存在的不足,提出了三条优化措施并建立完全对应的数值模型,对比分析各项优化措施的作用效果。结果表明:(1)三条优化措施对于控制拱顶沉降和周边收敛均是有效的,其作用效果由大到小依次为壁后注浆、锚杆优化和加密双层钢筋网;(2)壁后注浆容易导致仰拱部位隆起变形,应严格控制注浆量和注浆压力;(3)取消系统锚杆后锁脚锚杆轴力增大为原设计的110.3%,初期支护正、负弯矩分布更加均匀,结构受力更加有利;(4)采取双层加密钢筋网后支护弯矩增大为原设计的1.63倍;(5)壁后注浆使得洞室周边更大范围的围岩参与共同承载,支护弯矩和锚杆轴力减小为原设计的67.6%和79%。研究结果可为隧道穿越泥石流堆积区支护方法的选择提供借鉴。     

交错既有隧道次生力学效应三维模型试验

为分析交错新建隧道施工对既有隧道的影响,采用公路隧道结构与围岩综合试验系统对交错隧道进行三维物理模型试验。测试的内容包括新建隧道开挖引起既有隧道围岩内部压应力、围岩内部位移及支护结构内力的变化规律。试验结果表明,既有隧道拱顶径向压应力和拱腰切向压应力具有增加趋势,拱顶切向压应力和拱腰径向压应力具有减小趋势;拱顶围岩内部位移表现为压缩变形,拱腰围岩内部位移为拉伸变形;既有隧道支护结构的轴力和弯矩全为增加,右拱腰的弯矩受到的影响最大;新建隧道施工对既有隧道L8截面的影响较小,对L1和L4截面的影响非常明显,当间距小于L8截面情况时应采取加固措施。     

浅埋弃土段大断面隧道施工力学行为研究

以龙洞堡机场隧道为工程背景,对弃土段隧道大变形原因进行深入分析,提出相应的改进措施,使隧道顺利通过剩余弃土段。研究结果表明,隧道所处人工弃土段与经压密原生土体物理性质存在差异,小导管与袖阀管注浆无法在弃土层扩散,反而增加了覆土重度,增大了隧道上覆荷载;实践证明对剩余弃土段采取二重管双液注浆,其效果要明显优于上述两种注浆措施;掌子面预留核心土和掌子面锚杆有效控制了掌子面前方先行位移,剩余弃土段掌子面先行位移约占总位移的15%~18%,达到减少掌子面先行位移的目的;弃土段隧道开挖,上覆土体呈现出整体下沉趋势,通过拱脚注浆锁脚锚杆可以减少初期支护拱脚、边墙脚沉降和过大水平位移;通过数值计算分析表明弧形导坑法开挖时,安全系数最小值发生在隧道仰拱中部,其量值为3.36,初期支护安全系数均大于2.4,支护体系在施工阶段是安全的。     

正削式隧道门围岩和衬砌应力计算及设计方法研究

对无明显墙式结构的正削式隧道门,现行规范没有现成的设计方法及结构检算模式。采用三维有限元数值分析方法,针对两种在洞口段的不同施工方法（明挖工法和暗挖工法）,对隧道门洞口段的力学特性及设计方法进行了研究。研究结果表明：洞口段长度取42 m进行整体设计比较合理;在洞口28 m范围内的浅埋段,拱顶围岩压力随着埋深的增大而逐渐增加,且暗挖工法产生的围岩压力最大,铁路规范计算结果次之,明挖工法产生的压力最小;采用明挖工法施工时,在纵向上,洞口段42 m范围内衬砌拱顶表现出纵梁弯曲特征,部分仰拱处于弯拉状态,内力呈空间效应,均需要对横、纵向内力进行结构检算;采用暗挖工法施工时,只需进行横向内力检算即可。在成洞条件允许的情况下,建议使用暗挖工法进行隧道洞口段施工,可有效改善隧道洞口段结构受力。     

隧道开挖对下伏水平薄煤层采空区地层的扰动及衬砌受荷特征

为探明下伏薄煤层采空区地层中隧道施工对地层的扰动以及衬砌结构受荷特性,采用离散元颗粒流软件,从细观角度对隧道开挖引起的地层应力变化特性进行了模拟分析,同时在室内开展模型试验量测了下伏煤层采空区地层隧道衬砌背后土压力以及二次衬砌结构内力（轴力、弯矩）,分析了特定围压下间距对土压力和二次衬砌受力的影响。结果表明,下伏煤层采空区地层因隧道开挖引起的围岩松动区呈“O”形分布,隧道下伏围岩颗粒接触力反而小于隧道上覆围岩;洞周允许位移越大,颗粒接触力链间断区域越大;间距越小,颗粒接触力链间断区域越大,当间距大于2.0D（D为隧道跨度）时,下伏采空区对隧道围岩颗粒接触力影响逐渐消失,降低了地基反力,间距越小,降低程度越高;二次衬砌内力分布有一定的离散性,二次衬砌裂缝最先出现在拱底,是隧道主体结构的薄弱环节。     

The Hyperstatic Reaction Method for the Analysis of the Sprayed Concrete Linings Behavior in Tunneling

Hyperstatic Reaction Method considers the interaction between the shotcrete lining and the rock mass modelling half tunnel section by beam elements connected by nodes, which can develop bending moments, axial forces and shear forces. The interaction between ground and support is represented by Winkler type springs in the nodes of the numerical model, in the normal and tangential direction. 1944 analyses were developed considering three different tunnel radius values (2.0, 4.5 and 7.0 m), three different rock types (RMR = 40, RMR = 60 and RMR = 80), three different stress ratios acting on the linings (\(K = 1, \,K = 0.5\) and \(K = 0\)), three different lining thickness values (0.1, 0.2 and 0.3 m) and three values of the average elastic modulus of the shotcrete (6000, 9000 and 12,000 MPa). Besides, also two different stiffness values of the tangential springs at nodes were considered. Results show that the lining thickness and the elastic modulus of the shotcrete have a strong influence on the bending moment values which develop inside. The maximum axial force is not practically influenced by the lining elastic modulus and thickness. Both maximum bending moments and maximum axial forces increase in a linear way with the vertical load value; tunnel radius, \(K\) and RMR values of the rock mass have also a great influence on the maximum bending moment and axial force. Besides, it is possible to note how the absence of shear interaction between the lining and the rock mass causes bending moment values in the lining higher with respect to the case where the stiffness of the tangential springs at nodes equals to half the stiffness of the normal springs. For this reason, the neglectance of the shear interaction between the lining and the tunnel wall leads to an overdesign of the SC lining.     

不同仰坡度数的山岭隧道洞口段动力响应振动台试验研究

首先介绍试验装置、模型相似比、试验模型箱等,然后对围岩与隧道结构的加速度响应、衬砌的位移和应变响应以及仰坡坡面的破坏情况进行分析。分析表明,由于洞口临空面的存在,隧道洞口处会出现加速度和位移的放大效应,不同的仰坡角度下均符合该特性,但随着仰坡坡度的增加,放大效应会逐渐减弱。在振动过程中衬砌横断面承受循环的拉压荷载作用,两侧的拱肩和拱脚位置出现较大的地震附加弯矩,受力特性与仰坡坡度无关,但地震附加弯矩会随着覆土厚度和结构惯性力的增加而增大;随着仰坡坡度的增加,结构与围岩在洞口处的相互作用会逐渐减弱,仰坡坡面的破坏形式分别为坡面的局部崩塌、衬砌顶部的大面积滑塌和坡顶的高位滑塌,均为浅层破坏,但坡面坍塌围岩会不同程度的掩埋洞口,对隧道的正常使用造成严重的影响,故应对洞口仰坡进行重点设防。分析结果对于合理认识山岭隧道洞口段地震响应特征具有积极作用,可供隧道实际工程设计和施工的抗震设防参考。     

平行盾构隧道施工对既有隧道影响的数值分析

采用三维有限元方法对平行盾构隧道施工进行模拟,分析新隧道动态掘进时既有隧道位移、变形和内力的变化规律。模型中考虑了盾构机与管片衬砌相互作用,管片衬砌结构的横观各向同性性质。计算结果表明,既有隧道在盾构机附近主要产生纵向上的不均匀沉降和侧移,在盾构机后方主要产生横断面内的旋转。新隧道的修建还将使既有隧道受到“侧向加载“效应,使其横断面内的弯矩减小,轴力增大,且左、右侧受力不再对称。既有隧道纵向受力出现先受压、后受拉的特征,且在远离新隧道侧将出现最不利应力状态。分析表明盾构机顶进力、注浆压力和地层损失对既有隧道的影响较大,施工中应严格控制,而顶进反力的影响相对较小。该工作为类似工程的施工提供参考。     

Analytical model for the beam action of a tunnel lining during construction

Measurements on a 14.5‐m diameter bored tunnel have shown that the mechanised assembly of a segmented tunnel lining results in a permanent longitudinal bending moment in the tunnel lining. An analytical model for the beam action of the tunnel lining during the construction phase of bored tunnels is presented. The model incorporates many of the essentials in staged beam construction. It takes into account the influence of forces from the TBM, the loading of the tunnel lining by the grout in the liquid phase, and linear elastic properties of the tunnel lining and soil. Calculations are compared with measurements at the Groene Hart Tunnel (GHT), 20 km south of Amsterdam: the bending moment curve and vertical inclination of tunnel lining segments were compared. The measured bending moment curve is well reproduced. The measured vertical inclination of the lining segments is found to be governed by the beam action of the tunnel lining plus the influence of shear force in the lining. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑流变效应的高地应力软岩隧道断面形态优化研究

高地应力软岩隧道围岩流变效应明显,形变压力导致的仰拱和边墙连接处的应力集中是导致隧道底鼓破坏的重要原因,合理的隧道断面形态有利于减小应力集中,保证隧道长期安全运营。在考虑软岩流变效应的情况下,以有限元软件ABAQUS为平台,通过Python编程实现隧道断面参数化设计和有限元计算,基于结合罚函数的Nelder-Mead函数建立隧道断面优化算法,并以隧道开挖面积,隧道最大仰拱隆起,围岩蠕变损伤区面积,衬砌最大轴力和衬砌最大弯矩为优化目标,对宜-巴（宜昌至巴东）高速峡口隧道断面形态进行优化,为高地应力软岩隧道断面设计提供科学指导。     

复杂条件下隧道断面形状和支护参数优化

通过有限差分法（FLAC3D）数值计算和现场试验对马蹄形断面和大曲率边墙、似圆形断面形式下隧道的支护受力和围岩变形特征进行了对比分析,得出采用似圆形断面可以有效地控制围岩的变形量和变形速率,尤其是水平收敛变形;现场变形量测时的丢失位移所占总位移比例较大,其中下台阶丢失位移比例最大;通过现场试验,对不同支护刚度下围岩压力、锚杆受力、钢架、混凝土应力以及二次衬砌分担的围岩压力和模筑混凝土受力情况进行分析,结合洞室变形的现场量测,得出二次衬砌接触压力及分担围岩压力比呈现出随着初支刚度增大而增大的规律,并综合确定了板岩段合理的支护参数。该结论对在构造应力发育的软岩地区修筑隧道提供了有益的工程经验