隧道衬砌随机分析的区间有限元法

隧道衬砌结构内力计算中,围岩的力学参数和结构的参数具有不确定性,同时,其不确定性是有界的。对于这些参数的不确定性,在工程上可以用一个合理的区间数值来估计。对于单个随机变量,可以采用有限元方程来求解结构内力;而对于多个随机变量的情况,考虑到计算模型的不确定性和数学求解的复杂性,利用有限元程序来导出各变量对结构内力的作用效应,进而得到不同参数组合的区间值,最终确定隧道衬砌的结构内力区间值,为隧道衬砌结构内力的计算和工程应用提供一种新方法。     

基于接触应力反分析的隧道初期支护结构内力研究

利用现场监控量测的数据及时分析和评价支护结构的内力是隧道动态设计和施工的关键问题,对保证隧道施工的安全具有重要意义。根据初期支护中喷射混凝土自身特点,将喷层结构视为弹性地基曲梁,并运用弹性地基曲梁理论,通过喷射混凝土与围岩接触应力推求喷层结构内力的解析解,从而得到喷层结构的应力集中部位,方便后续制定施工安全措施。经台阶法开挖的隧道工程实例分析表明,从喷层与围岩接触应力出发来求解喷层结构内力解析式是隧道内力分析一种新的有效方法,为隧道结构的安全评估提供比较可靠的依据     

双孔盾构隧道近接施工离心模型试验研究

通过室内离心模型试验模拟双孔盾构隧道近接施工,研究了衬砌结构横向内力的量值、分布规律以及随盾构推进距离和两隧道相对位置的变化规律。结果表明,衬砌结构拱顶和拱底内侧受拉,左右拱腰外侧受拉,拱底出现最大弯矩;整个结构均受压,拱顶和拱底处轴力较小,左右拱腰轴力较大;既有隧道施工完成后,结构内力基本呈对称分布,且随着新建隧道的施工,两隧道结构内力将随其相对位置的变化而变化;新建隧道施工对既有隧道结构内力影响明显,设计施工时应采取相应的加强措施。     

隧道施工由CRD改为CD工法衬砌结构内力及变位分析

在隧道施工中地质较差地段施工工法一般都会采用CRD工法,采用CRD工法进行施工虽然能比较安全的掘进,但其各部施工相互干扰很大,在工期要求很紧的情况下,CRD工法很难取得满意的进尺.在对前面围岩有了进一步的认识后,改变工法,对于施工进度要求是非常有利的,本文以一特定隧道的围岩参数及衬砌参数对CRD工法下和CD工法下的衬砌结构内力及变位进行了模拟分析,分析结果认为:在此特定隧道围岩条件下,将CRD工法改为CD工法,其结构内力和变形在结构的承载能力之内,以期能为施工提供参考.     

高水压下衬砌背后空洞对结构受力的影响

岩溶区隧道衬砌背后空洞与高透水压力的共同作用,改变了衬砌的受力状态,导致结构原本良好的受力状况恶化,进而可能造成衬砌的开裂破损。采用FLAC3D软件研究不同空洞位置对应力场分布、渗流场分布、二次衬砌内力的影响以及在高透水压力下拱顶空洞大小对二衬内力的影响规律。结果表明:竖直应力场为主应力场时空洞周边会出现应力增大区和应力减小区;空洞会使3倍空洞直径范围内外水压力明显折减;无外水压力时空洞对二次衬砌弯矩的影响远大于轴力;无论空洞存在与否,存在何位置,各测点内力均随水头高度的升高呈现线性变化,拱底与拱脚内力大小及变化速率都远大于其他测点,且空洞不同位置下内力随水压的变化速率有很大区别;边墙空洞使衬砌结构处于偏压状态,且随水头高度的升高偏压效应更加明显;拱部弯矩随拱顶空洞大小线性特征明显。     

基于现场测试的大跨扁平连拱隧道最佳支护时机研究

大跨扁平连拱隧道由于其开挖跨度大和断面扁平等特点,施工过程中围岩与结构的受力、变形同四车道连拱隧道或分离式隧道存在较大的差异,相应地影响到二次衬砌的最佳支护时机。以某六车道连拱隧道为依托工程,探讨了以隧道位移释放比为基本指标的支护时机确定方法,并通过对围岩位移与不同支护时机条件下二次衬砌内力的现场测试与综合分析,依据“支护抗力最小”的原则,提出了大跨扁平连拱隧道二次衬砌最佳施作时机。     

寒区有隔热层的圆形隧道温度场解析解

在多年冻土地区修建隧道,会影响到多年冻土的热稳定性,目前一般采用在隧道衬砌中设置隔热层的方法来防止冻土嗣岩融化.根据隧道现场实测的气温资料,考虑正弦曲线规律变化的对流换热边界条件,建立了一次衬砌、隔热层、二次衬砌及围岩4层结构的圆形隧道热传导方程.运用微分方程求解方法和贝塞尔特征函数的正交和展开定理,对4个热传导方程进行了求解,得到隧道一次衬砌、隔热层、二次衬砌及同岩4层结构温度场的解析解,将计算结果与现场实测结果进行比较,吻合良好.计算结果还表明,在衬砌中铺设厚5 cm、导热系数为0.03 W·m-1·℃-1的隔热层可以保证风火山隧道围岩不发生季节性融化.该解析解可用于验证其它数值方法的计算结果,也便于工程设计人员和施工人员对同类寒区隧道进行温度场的计算,因而具有一定的工程应用价值.     

半空间饱和土中圆形衬砌对弹性压缩波的散射

借助于Biot 波动理论和弹性波的传播理论,采用复变函数和多级坐标法,对半空间饱和土中圆形衬砌结构对弹性稳态压缩波的散射问题进行求解和分析。利用一个半径很大的圆弧来逼近半空间直边界,将待解问题转化为稳态弹性压缩波在一个大圆孔和一个弹性衬砌结构的散射问题。通过引入势函数,将饱和土的Biot波动方程和衬砌的弹性波动方程解耦成Helmholtz 方程,借助复变函数级数展开便可以预先写出该组Helmholtz方程的通解。然后,通过引用复变量,把饱和土和衬砌结构中的应力、位移及孔压用设定的势函数表示出来,再利用半空间饱和土和衬砌结构的连续性条件和近似直边界的圆弧边界和衬砌内边界的边界条件求解出该组势函数的特解。最后,利用势函数的特解,得到饱和土中的位移,应力和孔压及衬砌结构的位移和应力;变换不同的参数求解衬砌结构内外边界的动应力和孔压的集中系数,通过对算例结果的分析得出一系列有益的结论。     

高地震区公路隧道地震动力响应分析

基于土一结构相互作用理论,对高地震区一实际重大工程的公路隧道洞口段结构进行了抗震计算,得到了衬砌结构各控制点的位移、加速度及内力响应规律。结果表明：在人工合成地震波条件下,衬砌墙脚、拱腰为抗震薄弱位置;结构的加速度波形与输入波形相似;这些结果为抗震设计提供了一些依据。     

考虑拱效应深基坑支护结构土压力分析

针对基坑支护结构土压力的研究以数值模拟为主,而解析理论应用需要完善研究现状,提出一种用于计算基坑支护结构土压力的解析方法。根据填土中土拱效应的作用以及土拱成形的基本理论,结合极限平衡分析方法,应用摩尔圆理论确定了基坑端壁间稳定土拱的轨迹方程,并且得到基于土拱形状所围滑裂土体的体积,确定出基坑支护结构土压力的解析表达式,最后进行了算例分析,研究结果表明土体的物理属性决定了有效滑裂土体的边界。提出的解析方法是深基坑计算土压力的一种新的解析方法。     

Generalized Hoek-Brown solution of circular tunnel considering effects of axial stress and seepage forceEI北大核心CSCD

This paper studies the joint effect of seepage force and axial stress on the stress and displacement of circular tunnel. The circular tunnel is simplified as an axisymmetric model and the seepage field is simplified as volumetric force in the stress field. The excavation cross-section of surrounding rock is assumed as a plane as well, and an axial stress perpendicular to the plane is further introduced. Nonlinear solutions for the stress and displacement of circular tunnel are deduced considering the joint effect of axial stress and seepage force, based on the generalized Hoek-Brown failure criterion and the non-associated flow rule in elastic-brittle-plastic rock mass. Numerical simulations are also employed to analyze the distribution of stress field and displacement field in plastic zone of a circular tunnel under the joint effect of axial stress and seepage force. The calculated results show that the displacement in plastic zone increases significantly with the gradient increment of the seepage pressure, compared with the situation without seepage force. The radius and stress of surrounding rock in plastic zone increase when axial stress is the intermediate principal stress, while the radius and stress have less change when axial stress is the major or minor principal stress. It can be concluded that the seepage force has negative effects on the stability of circular tunnel, and the axial stress significantly influences the stress and displacement of the circular tunnel, especially in water-rich areas. Therefore, it is necessary to consider the joint effects of axial stress and seepage force to ensure the stability of circular tunnel in water-rich area.     

考虑轴向力和渗透力时圆形隧道广义Hoek-Brown解

为了研究渗透水压力和轴向应力共同作用时隧道围岩的应力和位移变化趋势,将圆形隧道简化为轴对称模型,假定渗透场以渗透体积力作用在原应力场,以围岩开挖断面为假定平面,引入垂直于该平面的轴向应力。基于广义Hoek-Brown强度准则和非关联流动法则,推导出考虑轴向应力和渗透场共同作用时弹-脆-塑性围岩的应力和位移非线性解,采用数值算例分析了轴向应力和渗透力共同作用时隧道围岩塑性区应力场和位移场的分布规律。计算结果表明：与无渗透水压力作用下的模型相比,渗透力作用使得围岩塑性区各点位移增大,并且内外水头差越大,位移增大越明显。当轴向应力为中主应力时,围岩塑性区半径和塑性区各点应力增大,轴向应力为大主应力和小主应力时,围岩塑性区半径和塑性区应力变化较小。因此,渗透力的存在不利于隧道围岩的稳定性,并且轴向应力的大小对于富水地区隧道围岩的应力和位移分布具有较大影响。在施工设计时考虑渗透力以及轴向应力的共同影响对于保证隧道围岩稳定性具有重要意义。     

锚杆支护圆形隧洞的等效强度参数及可靠性分析

通过采用均匀化方法,研究了圆形隧洞的锚杆支护特性,将高密度支护模式下的岩石和锚杆复合体考虑成均匀、连续、强度参数增强的等效材料,简化了岩石和锚杆间复杂的力学耦合问题。通过定义锚杆密度参数来反映不同支护模式的特性,建立锚杆密度参数与Mohr-Coulomb屈服准则中主要参数之间的关系,推导出等效弹性模量、等效黏聚力和等效内摩擦角的表达式,并分析比较了隧洞在支护前后的位移情况。结合可靠性理论,采用容许极限位移量作为失稳判据,分析了隧洞在支护前后的可靠性指标与破坏概率,结果表明,文中提出的方法简单可靠,锚杆支护对隧洞的位移限制效果明显,可显著提高隧洞的可靠性。     

隧道纵向整体抗震分析的近似方法

根据隧道工程的特点,考虑隧道与围岩的相互作用,依据抗震动力学理论、结构-围岩相互作用理论及当量半径的思想,建立隧道结构动力平衡方程,该方程从理论上考虑了隧道的自重惯性力。从方程可以看出,经典反应变位法是该方法的特例。通过算例分析了隧道埋深、地层剪切波速、基岩剪切波输入方向、上覆地层的特征周期、弹性地基系数及围岩弹性模量对衬砌纵向应力的影响。通过算例分析可知,（1）围岩-结构相互作用对隧道抗震分析具有较大的影响,不考虑相互作用得到的结果是相对保守的;（2）隧道的自重惯性力只有在超浅埋结构中有一定的影响,随着隧道埋深的增加,自重惯性力的影响完全可以不计;（3）本方法实际上是隧道纵向抗震分析的一种工程算法,所得的结论对于深埋隧道结构的整体抗震概念分析提供了一定的理论参考。     

考虑渗流场作用下的隧道开挖分析

由于隧道的开挖,破坏了初始地应力场与渗流场。以圆形隧道为例,采用有限差分程序计算考虑渗流场作用时,隧道开挖后洞室周围应力场、孔隙水压力、位移场的分布情况,并对比计算了是否考虑渗流效应时位移场的差异,以及不同水位导致的位移场的不同分布状态。提出了相应的隧道防排水、设计与施工相关建议。     

顶管工程工作井位移与土抗力分析

为保证顶管工程的施工安全和经济设计,必须深入分析顶力作用下工作井及周围土体的应力、位移特性。以两个实际顶管工程为工程背景,针对工作井的浅埋、深埋圆形沉井,采用三维有限元分析,给出了浅埋沉井土抗力沿圆周分布的拟合方程。分别采用《规程》[1]和《手册》[2]推荐的计算方法和三维有限元分析,对顶力作用下深埋、浅埋工作井的位移和新增土抗力进行对比分析,结果表明：①由于只考虑了顶力后背一侧半圆范围内土体抗力的作用,规范法和手册法将导致土抗力计算结果偏大;②顶力作用位置对深埋沉井的井壁变位、土抗力大小和分布情况影响显著;③规范法和手册法仅适用于顶力作用于沉井底部的浅埋沉井。     

不同埋置深度的山岭隧道地震响应分析

根据大量震害资料的调查分析发现,地下结构埋置深度对其地震破坏程度影响很大。通过有限元方法计算8种不同埋置深度条件下的山岭隧道地震响应,并对计算模型的地震输入方法进行了验证,证明地震波输入处理方式的合理性。讨论埋深对结构动力响应的影响,提取衬砌关键节点的竖直向和水平向加速度、位移峰值,分析随着埋深的增大,加速度和位移峰值的变化情况,并以拱顶为例,计算每个埋深变化段的加速度和位移峰值变化率,得到了一定的规律性,如埋置深度从5 m增大到50 m,衬砌结构动力响应峰值大小下降较快。此外,还分析了埋深增大对衬砌结构内力峰值的影响。最后,提出在高烈度地震区修建隧道时其埋置深度尽可能不小于50 m,这为相关工程的修建提供了参考依据。     

列车激震荷载下地铁双圆隧道的动力响应研究

以上海地铁杨浦线(M8)黄兴绿地站到翔殷路站区间隧道双圆盾构工程为背景,研究了列车激震荷载作用下软土地铁双圆隧道的动力响应规律。通过对地铁盾构隧道-地层体系进行模态分析,得到地铁双圆隧道-围岩体系的振型和频率,以确定合理的阻尼系数和时间积分步长。采用车辆-轮轨模型,计算列车振动荷载,然后确定软土双圆隧道初始地应力,最后运用时程分析方法分别研究在单、双列列车动载两种情况下,软土地铁双圆隧道的随机动力响应及其薄弱部位和相应的位移场和应力场,从而为软土地铁双圆隧道的抗震设计提供借鉴。     

An improved numerical approach in surrounding rock incorporating rockbolt effectiveness and seepage force

The solutions of stress and displacement of a circular opening excavated in brittle and strain-softening rock mass incorporating rockbolts effectiveness and seepage force are presented in this study. The evolution equation is reconstructed for the strength parameters that incorporate these factors. Based on the evolution equation, an improved numerical method and stepwise procedure are presented which are compatible with the Mohr–Coulomb (M–C) and the generalized Hoek–Brown (H–B) failure criteria, respectively. Then given three interaction mechanisms between rockbolts and surrounding rock, solutions for stress and displacement are proposed in line with the improved numerical method and numerical stepwise procedure. The proposed approach can be reduced to Fahimifar and Soroush’s (Tunn Undergr Space Technol 20:333–343, 2005) solutions for special cases. The proposed method was validated by field monitoring data and FLAC results of Yanzidong tunnel. Examples under the M–C and generalized H–B failure criteria for rock mass are generated through MATLAB programming. Moreover, parametric studies are conducted to highlight the influence of rockbolts effectiveness in combination with seepage force on the stress and displacement of very good, average, and very poor surrounding rock. Results show that in this case, stress confinement is higher and tunnel convergences are lower than the corresponding stresses and displacements obtained in non-reinforced tunnels. Displacement and plastic radius are also higher than those without considering seepage force.