Seismic response of underground utility tunnels: shaking table testing and FEM analysis

Underground utility tunnels are widely used in urban areas throughout the world for lifeline networks due to their easy maintenance and environmental protection capabilities. However, knowledge about their seismic performance is still quite limited and seismic design procedures are not included in current design codes. This paper describes a series of shaking table tests the authors performed on a scaled utility tunnel model to explore its performance under earthquake excitation. Details of the experimental setup are first presented focusing on aspects such as the design of the soil container, scaled structural model, sensor array arrangement and test procedure. The main observations from the test program, including structural response, soil response, soil-structure interaction and earth pressure, are summarized and discussed. Further, a finite element model (FEM) of the test utility tunnel is established where the nonlinear soil properties are modeled by the Drucker-Prager constitutive model; the master-slave surface mechanism is employed to simulate the soil-structure dynamic interaction; and the confining effect of the laminar shear box to soil is considered by proper boundary modeling. The results from the numerical model are compared with experiment measurements in terms of displacement, acceleration and amplification factor of the structural model and the soil. The comparison shows that the numerical results match the experimental measurements quite well. The validated numerical model can be adopted for further analysis.     

岩溶隧道涌水量综合预测——以朱家岩岩溶隧道为例

长期以来岩溶隧道涌水问题是国内外隧道施工中的重大难题,往往对工程造成极大危害。基于岩溶水文地质学的最新理论和国内外工程实践,结合多年的经验,提出"岩溶隧道涌水量综合预测四步建模法"。运用地球系统科学的理论与方法,辅之系统论原理和类比方法,从多种地质调查与监测手段入手,在分析确定岩溶地下水系统结构特征(特别是地下岩溶含水介质类型)与其内水流运动关系的基础上,采用流量衰减分析法、物理模拟和BP神经网络模型三者相结合的方法,对岩溶隧道涌水量进行综合预测研究。     

越江隧道施工过程的渗流-应力耦合分析

隧道开挖和由开挖引起的地下水渗流引起围岩应力重新分布,对隧道围岩的稳定性有重要的影响。本文把隧道开挖过程与渗流场边界的变化紧密联系起来,根据渗流场边界建立了合理的三维有限元分析模型,对规划完成的某越江隧道开挖过程的水-力耦合效应进行了研究,建立了稳定流条件下渗流-应力耦合的基本方程,分析了孔隙水压力随隧道开挖过程的变化规律和水力耦合对围岩位移、应力及支护结构应力的影响程度。数值计算结果表明,渗透系数大的岩层渗流速度和位移受渗流的影响较大,渗流使隧道围岩的位移和应力及支护结构的应力都有较大的增加,水下隧道的设计和施工应该考虑渗流效应。     

动力扰动下深部开挖洞室围岩分层断裂破坏机制模型试验研究

为研究动、静组合加载下深部巷道围岩分区破裂化的机制,在Instron电液伺服材料试验机上对用石膏制作的深部洞室模型进行了动、静组合加载试验。为进一步分析动、静组合加载下深部巷道围岩分层断裂化的力学本质,将动、静组合加载下深部巷道围岩近似视为若干个二维动、静组合加载试样的组合体,并用红砂岩试样进行了二维动、静组合加载试验。试验结果表明,巷道轴向应力为最大主应力且大于一定值时,围岩会发生分层断裂现象;巷道轴向应力为最大主应力且与外部扰动应力叠加达到一定值时,围岩也会发生分层断裂现象;巷道直径越大,在相同的动、静组合加载条件下,更易发生分层断裂现象;相同直径的巷道,在不同的动、静组合加载作用下,巷道围岩分层断裂化程度不同,动、静组合应力叠加值越大,分层断裂化程度越严重;应力状态对试样裂纹扩展及分布方向起着主导作用,试样破裂面一般垂直于最小主应力方向（在最小主应力面内）,与最大主应力方向一致;深部巷道围岩存在形成破裂圈的应力状态,这样的应力状态可诱发巷道围岩分区破裂现象的发生。     

管幕预筑隧道地表沉降分析

沈阳地铁2号线某暗挖车站是国内首个采用管幕预筑法施工的地下工程,对该工法施工引起的地面沉降进行了监测,并建立了修正的Peck模型对沉降进行预测,结果表明：(1)管幕预筑隧道施工引起的地表沉降预测值与实测值基本吻合;(2)管幕预筑浅埋大断面隧道施工地表沉降表现为整体下沉特点,沉降值与地下结构基础的沉降值基本相等,控制管幕预筑隧道结构的墙脚下沉可以有效控制地表的沉降;(3)管幕预筑法隧道施工预先施作的地下永久结构对隧道围岩的约束作用明显,砂土地层中地层损失率为0.000 5%～0.002 0%,沉降槽宽度系数为0.5;(4)管幕预筑法建造地下空间,引起的地表沉降较常规施工方法小得多,环境效益和社会效益明显,该施工方法适用于修筑中心城区软土地层中地下交通枢纽工程及下穿交通干线的隧道工程,值得进一步研究和推广     

海底透水通道发育带隧道施工注浆技术研究

通过对海底透水通道的特征分析,采用裂隙超前预注浆和裂隙补充注浆方法成功地解决了裂隙注浆堵水难题,为海底隧道安全施工提供了保障。提出了适于海水条件下的裂隙注浆原则、参数、设备、方法、工艺、材料及注浆效果检查方法,并成功地应用于胶州湾海底隧道穿越断裂破碎带时裂隙岩体注浆实践,其研究结果可为类似工程提供参考     

温庄尾矿库堆坝模型试验及坝体稳定性分析

以温庄尾矿库为工程背景,通过室内堆坝模型试验,获得到了在坝体堆积过程中尾矿颗粒在库内沉积分布特征、浸润线的变化规律等基础资料。在此基础上,以多孔介质有效应力理论为依据,建立了多孔介质流-固耦合数学模型,利用有限元软件ABAQUS对该库尾矿坝的应力场与渗流场进行了分析,获得了坝体内的应力场及孔隙压力的分布规律,研究成果可为尾矿库的设计、施工和安全生产提供技术支撑。     

强风化花岗岩弹塑性本构模型研究(Ⅱ):工程应用

根据文献[1]优化反演得到隧址处强风化围岩应变硬化弹塑性本构模型的计算参数,通过数值仿真研究CRD法、双侧壁法和台阶法3种工法时围岩与支护结构的受力变形情况,结果表明,CRD法为最优工法。在此基础上,根据翔安隧道左线ZK8+257～ZK8+307段的现场实际施工情况,建立三维模型动态模拟隧道CRD法开挖支护全过程,并将计算的变形位移与现场实测数据进行对比分析。研究表明：提出的弹塑性硬化本构模型及其数值仿真技术可较好地反映强风化花岗岩隧道开挖过程中的变形和破坏规律。其研究成果可为衬砌结构设计以及国内同类型隧道的施工和衬砌支护技术设计提供可靠指导。     

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     

近距离交叉隧洞爆破对既有隧道的振动影响

结合南山下隧洞下穿温福客运专线钱仓山隧道工程,实时监测近距离交叉隧洞爆破施工对既有隧道的振动影响。实测结果表明,（1）迎爆面位置影响既有隧道断面的爆破振动速度分布;震源距离测点大于30 m时,距离是爆破振动的主要影响因素;震源距离测点小于30 m时,主要影响因素则为装药量与距离。（2）岩体越坚硬完整,爆破振动波传播衰减越慢。采用导洞先行预留光面爆破、导洞爆破掏槽眼和周边眼及底板眼分开起爆、控制最大段装药量等措施,可有效地降低爆破振动影响,控制其对钱仓山隧道的影响,对类似工程有借鉴作用。