考虑接头力学特性的盾构隧道衬砌结构计算方法研究

基于盾构隧道衬砌结构接头的构造特征,建立了接头的力学模型,将接头位置管片间的相互作用离散为一系列由剪切弹簧和法向弹簧组成的组合弹簧,根据得到的节点弹簧应力或法向位移在计算过程中动态调整弹簧刚度参数,将接头模型应用到衬砌结构计算中。该方法可以综合考虑衬砌结构的横向和纵向结构性能,计算管片和接头的内力与变形以及接缝的张开量。采用上海长江隧道衬砌结构整环试验结果对计算模型进行了验证,结果表明该模型能比较合理地模拟衬砌结构的变形特性。     

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。     

盾构隧道纵向等效弯曲刚度的简化计算模型及影响因素分析

盾构法隧道在国内的应用越来越广泛,早期建造的盾构隧道在工后沉降较大时出现较大的纵向变形问题,考虑隧道结构特征的设计模型及其刚度计算逐渐得到重视。在考虑管片螺栓等结构特征基础上,建立可考虑环缝张开的三维纵向结构计算模型。研究结果表明,与管片环接缝相关的影响因素,如螺栓的数量、螺栓的预紧力以及管片环宽度对纵向弯曲刚度有效率影响较大,随着纵向螺栓数量和管片环宽度的增加而线性增加,随着螺栓预紧力的增加而非线性快速增加,而管片环的横向弯曲刚度有效率影响较小。研究成果为盾构隧道纵向设计提供了关键参数。     

隧道衬砌病害地质雷达探测正演模拟与应用

国内大多数隧道都存在着不同程度的病害,其中诸如衬砌开裂、不密实、含有空洞和渗漏水等衬砌病害是隧道最常见的病害类型,严重影响行车安全。地质雷达（GPR）可以用来对隧道衬砌病害进行快速无损探测,但对于衬砌病害的解译十分依赖于探测人员的经验,很容易造成误判和漏判。因此,对隧道衬砌病害进行分类,并针对典型衬砌病害类型进行建模,利用时域有限差分（FDTD）法对衬砌病害模型进行地质雷达探测正演模拟,针对衬砌渗漏水和存在钢筋干扰等特殊情况,通过频谱分析对病害进行了定量识别,总结出典型衬砌病害的地质雷达探测解释准则,最后结合工程实例对衬砌病害进行了推断和解译。结果验证了衬砌病害地质雷达探测正演模拟和解释准则的可靠性。     

管道衬砌内水外渗对边坡稳定影响的数值模拟

根据钢筋混凝土受拉开裂特性，通过混凝土开裂后钢筋和混凝土联合承载原理，提出了在内水压作用下混凝土衬砌开裂的裂缝宽度估算公式。根据开裂衬砌内水外渗的规律，提出了高压管道内水外渗与混凝土衬砌裂缝宽度相互影响的有限元迭代计算分析方法。该方法将内水压荷载分解为起裂荷载和破坏荷载，对混凝土衬砌起裂荷载采用一次加载，对破坏荷载采用分级加载迭代，由此较好地反映衬砌开裂和渗流耦合作用效应。根据渗流荷载对边坡的破坏作用，提出了对边坡稳定判断的思路。通过对实际工程的分析计算，论证了高压管道内水外渗对边坡的稳定影响, 为内水外渗与应力场耦合分析提供了一种有效的计算方法。     

正断层黏滑错动对地铁隧道结构影响的模型试验研究

以乌鲁木齐市轨道交通1号线地铁区间隧道穿越九家湾断层为工程依托,开展地铁隧道分段式衬砌结构穿越倾角60°正断层的大型剪切错动模型试验,对断层错动模拟过程中的隧道结构变形、应变分布特征、围岩压力、开裂形态等关键力学特征进行监测分析,获得了正断层黏滑错动下的隧道结构响应规律。研究结果表明:(1)正断层黏滑错动影响下,断层面处的隧道拱脚处于压剪状态,断层面附近的上盘仰拱及下盘拱顶处于纵断面内的受拉状态,断层面两侧较大范围内的隧道仰拱内侧及墙脚外侧处于横断面内的大偏心受力状态;(2)断层错动后,隧道开裂破坏形态主要包括斜裂缝、纵向裂缝及环向裂缝;(3)正断层黏滑错动达到7.0cm(相当于实际错动量1.75m)后,上盘隧道结构的破坏范围为4.2D(D为隧道跨度),下盘破坏范围为2.4D,上盘破坏范围明显大于下盘。     

地裂缝错动对地铁区间隧道影响的三维离散元分析

拟建西安地铁2号线穿越10条地裂缝,地裂缝活动将影响地铁2号线的安全运营。应用三维离散元程序3DEC建立三维计算模型,分析了裂缝带错动对地铁区间隧道盾构管线的影响,得出了不同错距工况下隧道衬砌的变形和应力。通过计算得知,当土体上下盘底部竖向错距由10cm增大到93cm时,引起的衬砌竖向变形量由0. 712cm增大到13. 99cm,且最大变形均发生在沿纵向约35～36m处,距裂缝带距离约为9. 5～8. 5m;引起的管道纵向最大拉应力则由0. 65MPa增大到18. 43MPa,最大压应力由0. 611MPa增大到16. 9MPa,且最大应力区与最大变形区一致。这一结论的获得可为地铁设计、施工及其安全运营提供科学的理论指导及设计依据。     

隧道衬砌厚度不足的健康判据试验研究

针对目前隧道健康诊断指标判据不统一的现状,采用室内相似模型试验,结合实际工程实例,研究了隧道支护结构衬砌减薄状态下围岩与支护结构破坏规律与极限承载能力,得出了隧道支护结构在相应的受力状态下健康状态判据。结果表明：隧道衬砌支护结构的位移特征以拱肩的压入和拱顶的挤出为主,随着拱顶衬砌支护结构减薄量的增加,支护结构衬砌与围岩之间的接触应力逐渐减小,结构的承载能力逐渐下降,隧道拱顶部位的位移增加,其柔性逐渐增大,隧道拱顶内侧被压溃,外侧受到拉力作用而开裂,随后隧道拱腰和边墙出现裂纹,最后逐渐扩展贯通;隧道承载力曲线呈现明显的“S”型,据此可以划分为承载力缓慢退化阶段、快速退化阶段和退化完成阶段,相对应的阶段可以划分为隧道结构的健康等级与级别,为工程应用提供了参考依据     

正削式隧道洞门结构简化计算方法的研究

切削式隧道洞门结构处于复杂的三维受力状态,需要采用三维数值计算才能得到相对正确的结果,为对计算模式进行简化,对Ⅴ级围岩条件下,1: 1.5坡度的正削式隧道洞门结构进行了尝试。首先对明挖法施工的洞门模型试验和三维数值计算所得到的拱顶围岩压力进行了验证,接着从研究围岩压力分布和结构受力特性着手,得到了结构横、纵向内力的控制截面,拱顶荷载q与 的关系,绘制了横向的压力分布图式,并给出了纵向荷载的计算方法,从而将三维地层结构数值计算模式简化成横向封闭环和纵向弹性地基的平面荷载-结构计算模式,分别计算横、纵向内力。     

某黄土隧道病害原因分析及处治措施

某黄土公路隧道在通车运营几年后出现了衬砌开裂及隧道沉降病害。通过对该黄土公路隧道病害的监测及其发展过程的分析,得出黄土工程特性、地表水及黄土隧道埋深是造成隧道病害的主要影响因素。针对上述隧道病害,本文提出用有限元计算分析方法对4种不同工况下的加固方案进行分析,结果表明对结构的局部补强和对地表水的处理,结构与土体之间应力的传递和消散作用使得应力逐步得到调整与改善,最后对拱脚的加固使得隧道结构的整体性进一步加强,应力分布更加合理,承受荷载的能力进一步提高。故而本文提出,该隧道衬砌裂缝应进行修补加固,同时对拱脚地基采用树根桩和夯扩桩加固的方法可以提高隧道安全通行能力。     

高压引水隧洞衬砌的透水设计研究

国内大都采用荷载结构法及限裂设计的方法对水工高压隧洞的衬砌进行不透水设计。而实践证明,不透水设计并不适合于高压引水隧洞,它将导致过高的配筋量。目前,国内水工高压隧洞结构透水设计尚无适用的规范可循,因此,有必要寻求一种合理、安全的透水设计方法。针对水工高压隧洞,基于体力理论,提出一种对衬砌结构进行透水设计的有限元计算方法,并将其应用于某水电站工程。该方法可模拟隧洞的施工过程和运营检修工况,考虑渗流场和应力场的直接耦合作用,根据内力值计算衬砌裂缝的开展宽度以及相应的配筋量等。通过对比分析,说明在衬砌透水设计中隧洞满水状态为对其进行配筋的控制工况,且结果更符合工程实际,并能大大节省配筋量。     

坑道口部管棚加固抗爆性能模型试验研究

正确评估管棚加固围岩的抗爆性能,对坑道口部防护设计十分重要。基于相似模拟理论,用不同配比的水泥土替代自然岩体和注浆岩体,用塑料管替代钢管,模拟管棚超前支护坑道口部在爆炸荷载作用下的抗爆性能。制作了口部相似模型3件,模型长×宽×高为2 m×2.2 m×2 m,在顶部直接爆炸,分别模拟无管棚、1层管棚和3层管棚下,坑道口部动力响应和破坏特征。试验表明：管棚超前支护能有效加固坑道围岩,整体性增强,受力分布合理;随着管棚层数增加,口部破坏明显减弱,拱顶破坏范围从1.55 m减小到0.45 m、主裂缝最大宽度由25 mm减小到3 mm、网状裂缝最大宽度由24 mm减小到0.3 mm、裂缝条数由14条减少到3条、模型顶部爆坑体积由0.12 m3减小到0.05 m3。管棚超前支护能有效地将爆炸荷载的破坏作用控制在管棚加固层之外,抗打击能力明显增强。     

Effect of the Blocking Water and Limiting Discharge and Surrounding Rock Permeability on the Stability of Subsea Tunnel

The influence of the sealing degree of the lining structure and the permeability of surrounding rock on the stability of the tunnel has always been the main topic concerned by the relevant engineering researchers. Based on the research background of the tunnel project of Qingdao metro line 1 and the in-depth analysis of the existing research results, this paper makes a systematic analysis and research on the influence mechanism of the sealing degree of the lining structure and the permeability of surrounding rock on the stability of the tunnel by the numerical simulation. The results show that the safety coefficient of each part of lining structure decreases with the increasing degree of tunnel sealing, which is manifested by the increase of the settlement of the vault and the convergence of the arch foot. In addition, the stability of surrounding rock becomes worse with the increase of permeability coefficient of surrounding rock, which means the higher pore pressure and larger displacement of rock around the chamber. At the same time, the influence of the sealing degree of the lining structure on the stability of the tunnel will increase with the permeability of the surrounding rock. The works in this paper have guiding significance for the construction of submarine tunnel under different characteristics of surrounding rock and the selection of sealing degree of lining structure.

     

三管并行盾构隧道近接施工纵向效应离心模型试验研究

结合上海轨道交通9号线R413标段三管并行盾构隧道下穿沪杭铁路段工程,通过模拟盾构隧道的地层损失的方法,进行了离心模型试验,研究了设置地层加固和不设置地层加固情况下三管并行盾构隧道近接施工时的衬砌内力纵向效应规律。试验结果表明,中间隧道施工时,受其影响左右隧道拱腰位置弯矩和轴力均出现较大变化,设置地层加固可以有效减小纵向效应的影响,但仍需注意在施工中加强盾构壁后注浆,设置纵向钢架以减小近接施工纵向效应对管片尤其是接头处的影响。     

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。     

昆明白泥井3号隧道围岩稳定性FLAC3D模拟

应用FLAC^3D数值模拟软件对昆明白泥井3号隧道围岩稳定性进行了分析和评价。结果表明隧道支护后围岩的最大变形出现在隧道右侧拱顶，为1．00cm；隧道支护后左侧拱和右侧拱脚处剪应变明显增大，为应力集中区；围岩可以通过自身应力、应变和能量的调整，使整个隧道围岩处于稳定状态；同时也表明FLAC^3D用于隧道围岩变形分析是可行的。     

水质分析在重庆笔架山隧道防腐设计中的应用

我国是拥有隧道数量最多及总长度最长的国家。同时也是隧道病害最严重的国家之一。由于隧道的主体是处于天然介质环境中的人工地下结构，在运营中会出现衬砌腐蚀等多种病害和危害。进行合理的防腐设计对隧道的安全、舒适、正常运营具重大意义。在南方富含腐蚀性介质地区，地下水容易沿衬砌的各种孔洞渗流到衬砌内侧，成为隧道渗漏水，对衬砌混凝土等产生侵蚀作用，造成衬砌腐蚀。故地下水对混凝土的侵蚀性是隧道防腐设计的重要组成部分。作者在掌握笔架山隧道工程地质、水文地质资料及查明环境水含腐蚀性介质的来源、成分基础上，利用隧道水简(化学)分析、地质调查、裂隙水统计等手段定性及定量评价环境地下水对衬砌混凝土腐蚀程度。认为基岩地下水不会对衬砌产生化学腐蚀。从而科学地修正了隧道的防腐设计。此结论及时反馈于施工，在后来的施工中取消了耐腐蚀混凝土及其它混凝土外加剂，节省了投资，加快了施工进度。