复合交通荷载下叠合式公轨合建隧道动力响应

叠合式公轨合建隧道不同于其他公轨合建隧道,汽车-列车荷载作用下其动力响应也有所不同。为研究复合交通荷载下叠合式公轨合建隧道动力响应,用激振力法、元胞自动机、汽车动力模型模拟列车荷载、车流和汽车荷载,用有限元软件Plaxis3D分析了不同荷载及有无垫层工况下隧道的动力响应。结果表明：公路隧道、铁路隧道分别主要对汽车荷载、列车荷载产生加速度响应,铁路隧道的加速度响应要明显大于公路隧道,约为后者的20倍;隧道不同位置处,对两种交通荷载的应力响应情况不同,铁路隧道应力响应主要受列车荷载控制,但当公路隧道中有大型车辆通过时,会对铁路隧道应力响应产生较大影响,甚至起到主导作用;公路、铁路隧道之间设置垫层会增大公路隧道的动力响应,但同时会减小公路隧道下方土层的刚度差异进而减小其应力值,综合作用下,设置垫层后公路隧道的应力状态会有所改善。     

膨胀岩隧道二次衬砌结构受力特性及工程对策分析

膨胀岩对水敏感性强,遇水发生膨胀变形,并产生膨胀压力。为探究膨胀岩隧道在膨胀压力作用下的结构受力特性,以实际隧道项目为工程背景,基于荷载结构法理论,对膨胀岩浅埋隧道在不同的膨胀位置、不同仰拱矢跨比和不同仰拱厚度时的二次衬砌结构的受力特性及变形规律进行了分析和研究,研究结果表明：隧道常规设计断面下,当围岩发生膨胀时,结构承载力不足;当围岩在隧道仰拱和边墙处发生局部膨胀,此工况下的仰拱及拱脚位置处的内力最大,仰拱隆起变形最大,对结构的危害最大;提高仰拱矢跨比和加大仰拱厚度可降低结构内力和抑制仰拱隆起变形,发挥重要作用,但二者提高到一定范围后作用减弱,工程中应视实际情况选择最优仰拱矢跨比和厚度;当围岩在隧道全环发生膨胀时,可通过提高结构混凝土强度等级和配筋率增大结构承载能力。     

等效荷载法在超大断面公路隧道爆破数值计算中的适用性

为了探究选取最优的计算方法研究超大断面公路隧道爆破施工对先后行隧道的影响，分别采用流固耦合法、初始体积分数法和等效荷载法建立单孔爆破有限元模型模拟单孔耦合装药情况下的爆破过程，从岩体破碎效果、计算效率等方面对比选定等效荷载法为最优的计算方法，并建立隧道数值模型应用等效荷载法计算研究后行隧道爆破对先后行隧道结构的影响，结果表明：（1）后行隧道爆破施工时先行隧道综合振速显著区域出现在隧道掘进方向上，逆隧道掘进方向隧道衬砌动力响应程度较小；（2）先行隧道受影响最大位置为迎爆侧右边墙，影响最小位置出现在背爆侧左拱脚；（3）后行隧道监测断面振速最大值出现在左拱腰位置，施工时要重点监测。     

高铁弱胀缩性隧道底鼓病害及仰拱结构分析

高速铁路隧道穿越红粘土等弱膨胀地层,隧道仰拱底鼓病害是常见问题之一。为探索弱胀缩性土隧道仰拱底鼓病害形成原因及合理仰拱结构形式,以某弱胀缩性地层高铁隧道为依托工程,通过数值模拟正交试验,确定了弱胀缩性土隧道仰拱底鼓病害的敏感性因素;将仰拱结构单元简化为三铰拱模型,将其所受胀缩力简化为沿隧道结构的均布荷载,考虑膨胀力作用,建立仰拱-围岩的受力模型,确定胀缩性黏土地层中隧道仰拱的最优拱轴线线型;在此基础上,通过改变仰拱结构的矢跨比来对仰拱结构进行优化,得到了穿越红粘土等弱膨胀地层高铁隧道仰拱最优矢跨比。研究结果表明:隧道仰拱结构变形最受围岩等级及胀缩性控制,其次为衬砌厚度,最后为仰拱曲率半径、混凝土强度、隧道洞径;增大仰拱厚度可有效控制仰拱底鼓变形,但对隧道拱顶沉降的抑制效果欠佳;胀缩性黏土地层中隧道仰拱的最优拱轴线应为圆弧线;在合理拱轴线的条件下,仰拱结构所受最大轴力与其矢跨比呈反比,且矢跨比越大,仰拱与过渡圆弧接茬处所受轴力越大,对拱脚产生的影响越显著。研究成果为特殊土地层高铁隧道底鼓病害的致灾机理及控制技术提供参考。     

双层黄土公路隧道地震反应的分析

本文以兰州市伏龙坪双层黄土公路隧道为研究对象,研究其在8度地震荷载作用下的动力时程反应。计算结果表明:在地震荷载作用下衬砌上应力值较大的部位主要集中在拱腰、拱脚和行车道板等部位,塑性区主要分布在拱顶、拱腰二侧,以及边墙与仰拱相接的拱脚等靠近衬砌的小范围土体上,塑性区开展最大深度接近2.0m,说明在此地震动作用下,塑性区范围内的部分土体会产生松动、变形,在一定程度上影响隧道的整体稳定性。上述结果可作为双层黄土公路隧道抗震设计的参考依据。     

高速列车振动荷载下立体交叉隧道结构动力响应分析

文章运用有限元方法建立了高速铁路立体交叉隧道数值计算模型,分析了高速列车振动荷载下交叉隧道结构的动力响应特性,探讨了围岩级别、行车速度、列车通车方式、隧道交叉角度以及岩柱高度等参数对下穿隧道衬砌结构动力响应变化规律的影响。研究结果表明:围岩级别、行车速度及列车通车方式对下穿隧道动应力响应影响较大;下穿隧道衬砌结构的竖向位移、竖向加速度、第一主应力及第三主应力随着围岩级别提高、行车速度增加、行车方式改变而增大,随着岩柱高度增加而减小;随着交叉角度增加,衬砌结构变形、加速度及第三主应力峰值有所减小,但第一主应力峰值增加,这对于抗压强度大于抗拉强度的混凝土结构是不利的。     

交通荷载作用下矩形隧道结构动力响应研究

浅埋矩形隧道受复杂车辆动荷载的作用,其自身稳定性和安全性极易受到影响。为探讨复杂交通荷载组合作用下浅埋矩形隧道结构动力响应特征,以扬子江某新建下穿矩形隧道新建工程为研究对象,通过构建三维有限元模型,研究交通荷载组合作用下隧道结构的瞬态加速度、速度和位移动力响应规律。研究结果表明:地面交通荷载所引起的位移响应值占总响应值的24.4%～40.0%,地面交通荷载引起的振动响应明显;矩形隧道顶板受地面交通荷载影响最大;当地面行车与隧道内行车方向一致时,各自所引起的振动响应传播方向相反,易使隧道侧墙部位发生水平剪切损伤。研究结果对评价交通荷载作用下矩形隧道结构安全性及结构设计提供一定的理论依据。     

基底脱空条件下交叉隧道动力放大效应

对于交叉隧道这一结构形式,下穿隧道的存在会使得上跨隧道交叉段结构在列车荷载作用下动力响应大于非交叉段。依托新建京张草帽山交叉隧道工程,采用现场测试的手段对交叉隧道动力放大效应进行了验证,基于有限差分法建立三维仿真模型,对基底脱空条件下交叉隧道动力放大效应开展研究,并分析隧道净距、围岩级别对加速度放大系数的影响。结果表明:交叉段各特征点动力放大效果由大至小依次为隧底、拱腰和拱顶;基底脱空会加剧交叉段动力放大效应;随着隧道净距减小和围岩级别降低,交叉点动力放大效应会有所增强,基底脱空时加速度放大系数相比于基底完好时受到隧道净距的影响更为显著。并考虑交叉隧道动力放大效应,对交叉隧道设计、施工及后续运营提出了一些建议。     

地面交通荷载对浅埋隧道的动力响应分析

为研究地面交通荷载对浅埋隧道的动力响应,建立地面移动荷载作用下隧道数学模型.以济南市顺河快速路南延地下结构工程为背景,将地面交通荷载进行合理近似简化;利用动力方程推导围岩波势函数表达式,结合边界条件确定的波函数展开项系数,得到移动荷载作用下隧道的动力响应,并利用数值模拟的方式对结果进行验证;讨论移动荷载速度及隧道埋深对动力响应的影响.结果表明:径向应力响应在隧道拱顶处引起较大响应;切向应力则在拱顶处和两侧均引起较大响应;车辆速度及隧道埋深是影响动力响应大小的因素.     

穿越煤层和断层的隧道开挖围岩变形分析

山区地质构造复杂,难免穿越复杂地层,此类地层强度和稳定性较低,往往对隧道围岩变形起着决定作用。本文以宝鼎2号特长公路隧道为依托,基于数值模拟和现场监测数据,分析隧道穿越断层及煤层时围岩的变形规律。研究结果表明：隧道穿越断层及煤层时,拱顶、拱腰、仰拱处的位移都发生突变,最终位移值皆远大于不含断层及煤层处的围岩,且不同空间位置的煤层对围岩变形的影响不同,与隧道轴线相交的煤层对隧道拱顶、拱腰、仰拱位移都有明显影响,而只处在隧道上方的煤层,仅对隧道拱顶的位移有影响,对拱腰和仰拱位移影响很小。     

不同加固方式下的软硬过渡段隧道基底受列车动载影响规律

在高速铁路列车动载作用下,隧道穿越软硬岩过渡段时易使隧道结构发生损害,而对于此类工程的动力研究及相关减隔振措施还鲜有涉及。鉴于此,依托广湛铁路相思山隧道工程实例,采用数值计算方法,对比分析无加固以及不同桩板结构加固下隧道穿越软硬岩过渡段时结构的动力响应特性。研究结果表明：在列车荷载作用下,位于交界面软岩侧隧道结构的加速度、动位移和动应力响应与硬岩侧隧道结构的动力响应差异很大,导致隧道交界面附近过渡效果较差,不利于结构的稳定。经三种不同桩板结构加固后,软岩段的隧道结构的动力响应有所减小,且与硬岩段隧道结构的动力响应更接近,过渡效果十分显著。在对比之下,桩板结构1(即承载板+托板+钻孔桩)的减振作用与过渡效果最佳。     

公路隧道装配式仰拱结构形式优化设计

为研究公路隧道装配式仰拱结构形式及其受力变形特征,基于收集的国内外不同装配式隧道结构应用案例,对钻爆法公路隧道预制仰拱结构形式进行优化设计,并分析了其受力特征；针对钻爆法公路隧道断面特点,以甘肃省某高速公路隧道工程为例,从施工难度、施工速度、防排水能力、造价成本等方面对弧形、箱型预制仰拱结构形式进行综合比选,并分析了仰拱分块数量、仰拱厚度以及幅宽对箱型预制仰拱结构的最大位移、混凝土损伤破坏、钢筋应力的影响。结果表明:箱型预制仰拱为较为合适的仰拱形式,7分块、上部厚度20.cm、下部厚度40.cm、幅宽1.2 m的箱型预制仰拱结构形式最为合适；装配式仰拱和二衬结构调整,改善了隧道受力,对保证整体支护结构稳定作用明显。     

高铁隧道穿越采空区段围岩变形受力规律分析

为研究高铁隧道过采空区段的围岩变形规律,本文以太焦高铁皇后岭隧道典型过采空区段工程为背景,通过对典型断面进行隧道围岩变形和拱架内力的持续监测,对比分析不同施工阶段下高铁隧道围岩变形受力规律。分析结果表明：上台阶开挖时是围岩变形发生的主要阶段,隧道最大沉降变形发生于拱顶,占总变形比值的50%以上,且隧道距离采空区底板距离越近,围岩受开挖和采空区扰动影响越大;钢拱架受力为全环压应力,整体分布呈现“上大下小”、“不均匀对称”的特点,受力最大位置出现在拱顶和右拱肩位置,并且拱架受力随着掌子面的远离,其轴力变化速率呈现出逐步减少的趋势。结合位移和应力监测数据分析结果,采空区对隧道的影响高度约为25.7m。研究成果可为类似隧道过采空区工程的设计、施工提供借鉴和参考。     

U形槽防护燃气管道爆炸对下方隧道安全影响有效性分析

铁路隧道的线路建设常与城市地下燃气管线有所交叉，以某市铁路下穿天然气管道为背景，为分析隧道上方天然气管道爆炸对隧道结构的影响，提出在燃气管道周围设立U型槽的隔离防护措施。通过理论计算燃气管道爆炸TNT当量，建立ABAQUS有限元三维数值模型的方法研究爆炸情况下隧道的结构响应及U型槽防护有效性。结果表明：在爆炸冲击作用下，隧道出现较严重拉伸损伤，在隧道上部圆拱部分出现较大位移变形，且已超出工程容许标准；爆源上部土体抛掷范围较大，位移云图分层明显；设立U型槽防护之后，隧道基本无塑性损伤，结构变形程度明显减小；U型槽阻碍了爆炸波在土体中传播，上部土体抛掷范围主要集中在U型槽内上方区域，且隧道上部土体位移情况有所改善。可见U型槽的设立在天然气爆炸时可以对隧道起到有效的防护作用，数值模拟结果可为类似工程案例提供参考。     

地形偏压对公路隧道偏压程度影响模型试验研究

为研究地形偏压对公路隧道偏压程度影响,以鹤大高速回头沟隧道为依托工程,采用铁砂、汉白玉等材料,按照几何相似比1:80,容重相似比1:1制作隧道模型,结合现场试验验证模型试验的合理性,研究不同埋深、地表坡度对公路隧道偏压程度影响。试验表明：1）随着埋深的增大,隧道偏压程度不断减小,当埋深达到35m以上,偏压程度变化较小,多为轻微甚至可忽略偏压,对隧道影响较小; 2）随着坡度的增大,隧道偏压程度不断增大,当坡度小于10°时,多为可忽略偏压,坡度大于25°且埋深小于10m时大多为严重偏压状态,易影响隧道稳定性;3）根据不同埋深、地表坡度拱脚偏压系数变化规律并结合实际工程偏压程度,得到Ⅴ级围岩公路隧道偏压程度判定表,为公路偏压隧道偏压程度判定提供参考。     

西安地铁盾构下穿高铁路基沉降及变形分析

为研究盾构下穿高铁路基时道床、路基响应规律,依托西安地铁一号线下穿郑西高铁实际工程,基于沉降理论估算了双线隧道施工引起上方路基沉降量,建立了区间隧道下穿既有高铁路基数值模型,分析了不同桩底与隧道净距下道床、路基、CFG桩竖向沉降与CFG桩受力响应规律。结果表明：CFG桩轴力、道床、路基竖向沉降变形随桩底与隧道净距逐渐增大而增大,施工至隧道正上方时达到最大,平行于掘进方向随与隧道水平距离增加,沉降逐渐减小,沿盾构施工方向沉降逐渐增大,道床与路基结构产生倾斜但垂直倾斜高度均不超过2mm；CFG群桩基础最大轴力集中两侧单桩,而隧道正上方范围内CFG所受轴力较小,在h=3.235m与5m工况下,CFG桩所受轴力值达到最小、最大,褥垫层以内的CFG桩未出现受压破坏。     

黄土地层基坑开挖对既有地铁隧道影响分析

解决黄土地区基坑开挖对近接地铁隧道运营安全带来的影响,研究基坑工程与地铁隧道之间的相互作用机理,基于正交试验分析了水平净距,竖直净距等影响因素敏感性程度,并进一步结合西安地铁八号线幸福林带基坑工程,采用室内模型试验分析了基坑开挖对既有隧道影响的受力变形规律,结果表明：基坑与隧道的竖直净距和水平净距对隧道水平和竖直位移影响显著；在施工过程中,隧道管片的拉伸值始终大于压缩值,且拉伸方向和水平内径变化规律相反；管片拱顶和右墙处弯矩逐渐增大,而拱底和左墙则呈现先减小后增大的趋势；管片周围土压力主要集中在拱底和右墙处,且一直保持减小趋势,其纵向土压力差不断减小,水平土压力差不断增大,导致隧道朝上和朝基坑方向移动。     

典型沥青路面动态应变响应特性及疲劳寿命分析

针对半刚性路面(S1)、倒装式路面(S2)、组合式路面(S3)开展三维有限元计算,分析其面层底动态应变的空间分布特性及车辆荷载参数对沥青路面动态应变响应的影响规律;同时,基于应变响应及沥青层疲劳预估方程,对比不同类型路面的疲劳寿命.结果表明:行车荷载在沥青路面面层层底平面所引起的拉应变主要集中在轮印作用区域,其由应变值所表征的最不利位置出现在轮印面积中心;车辆动载条件下的应变响应量小于静态荷载模式,其中,S2的动、静力差异性表现尤为显著;随着轴质量的增加,面层底动态应变逐渐增大;而随着车速的提高,应变响应量逐渐减小;随着轴质量的增加,沥青层疲劳寿命急剧减小;在行车安全的前提下,合理提高车辆行车速度有利于提高沥青路面使用寿命,3种路面的面层疲劳寿命排序为S1>S3>S2.     

斜风作用下季冻区隧道冻胀力分布规律及结构安全性评价

为分析不均匀冻胀荷载对季冻区隧道结构受力及安全性的影响,本文依托某新建铁路隧道工程,在凝练工程区气象特征的基础上,利用数值模拟手段分析了斜风作用下隧道温度场的分布特征,解析得到了支护结构的冻胀力荷载,在此基础上分析了支护结构的受力特征并开展了安全性评价。研究结果表明：斜风作用下隧道较小进深范围内迎风侧与背风侧温度场存在差异,进深10m处差异最为显著;未铺设保温层条件下迎风侧围岩冻结深度约为背风侧的1.8倍,铺设保温层后迎风侧围岩冻结深度减小了约80%,背风侧围岩冻结区基本消失;围岩冻结深度不一致导致冻胀力荷载不均匀分布,冻胀力荷载作用下支护结构迎风侧的应力、轴力、弯矩均明显高于背风侧;未铺设保温层条件下仅仰拱区域符合安全性要求,铺设保温层后各区域均满足要求,但迎风侧安全性明显低于背风侧。