水压与动载耦合作用下高铁隧底结构裂损机理分析

高速铁路隧道底部结构隆起变形开裂是多方面影响因素叠加作用的结果。综合利用扩展有限元方法、流固耦合理论和现场实测结果,采用激振力荷载拟合函数施加于轨面模拟列车振动荷载作用效果,分析在水压和列车动荷载耦合作用下的高铁隧道底部结构不协调变形机理,揭示水压与动荷载作用下隧道底部结构的变形特征与水压力变化规律。研究结果表明：在既有隧底结构型式与排水条件下,水压变化是隧道底部结构变形与开裂的诱发原因,列车动荷载导致的裂缝水压交替变化是隧道底部结构持续性隆起裂损的间接原因。隧道底部结构开裂一般首先发生在仰拱填充层中央排水沟处,然后在轨道板、仰拱填充层与衬砌仰拱结构存在刚度差异的各交界面上出现裂缝。高速列车动荷载周期性的上下振动与水压力耦合作用下隧道底部结构界面和各裂缝过水处产生超静水压力,其周期性抽吸变化将对裂缝产生水力压裂效应,加剧隧道底部结构的裂损。高水压高铁隧道底部结构隆起开裂的整治措施应综合考虑泄水降压、裂缝封堵以及底部多层结构体系的层间锚固。     

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。     

旋喷桩加固黄土隧道基底及仰拱数值模拟

应用MIDAS GTS NX软件数值模拟的方法,研究了旋喷桩群加固黄土隧道基底和仰拱效果,对有旋喷桩和无旋喷桩两种工况下,隧道基底、仰拱及拱顶变形量的差异,及旋喷桩地基加固段隧道仰拱不同施工阶段的内力和竖向变形进行分析,并与现场实测数据进行对比研究,发现采用旋喷桩加固隧道工况下时间t=22时仰拱最大隆起为5.62 cm,且沿深度方向围岩变形变化趋势平稳,变形均匀;而无旋喷桩隧道在开挖后时间t=16时仰拱最大隆起15.9 cm,且沿竖直方向围岩变形剧烈减小,变形不均匀,与现场实测结果相比变化趋势无明显变化。研究结果表明:施加旋喷桩能够提高隧道地基的承载能力和稳定性,减小地基变形量;隧底竖直旋喷桩可以改善隧道地基的土体工程力学性质,使其变形量在竖直方向随着深度的增加均匀减小,从而可以缓解隧道仰拱各部分的不均匀变形现象,防止了仰拱开裂破坏;旋喷桩受力情况与隧道围岩地应力的大小有关,高地应力区域隧道开挖后要释放的应变能越多,旋喷桩就要产生越大的轴向力来抵抗围岩的竖向变形。     

隧道衬砌结构裂损机理及定量评估

隧道衬砌裂损影响衬砌结构的整体稳定性,并易引起渗漏水病害、基床病害和复合型病害等隧道病害,降低衬砌结构的耐久性和安全性.基于衬砌裂损的力学机理分析,将隧道衬砌混凝土裂缝发展过程分为6个阶段,给出每个阶段的状态描述,并针对引起衬砌裂损的隧道衬砌厚度不足及衬砌背后空洞两个影响因素进行深入研究,分别利用隧道衬砌的拉、剪应力集中系数进行计算,明确不同围岩条件下隧道衬砌厚度不足或衬砌背后空洞等因素与衬砌内部应力集中程度之间的内在联系,为进一步建立依据隧道衬砌检测结果进行隧道衬砌状态评估的评估体系提供了量化基础.     

高速公路隧道边墙开裂下沉机理分析及处治措施

针对某运营高速公路隧道边墙下沉开裂破坏病害,通过现场调研、专项检测和数值模拟手段分析基岩遇水软化导致的病害发生机理,提出综合处治措施并现场实施。研究表明:①衬砌边墙纵向裂缝和结构下沉主要由基岩软化、承载力降低引起的水平作用力增加以及不均匀沉降导致;②地下水敏感围岩的隧道衬砌结构设计应设置仰拱。本案例采用的综合处治措施有效控制并成功处治了隧道边墙下沉开裂病害,可为类似工程病害整治提供参考和借鉴。     

公路隧道二次衬砌裂损病害机理研究

公路隧道二次衬砌裂损病害对隧道结构的稳定性有着很大影响,为研究公路隧道二次衬砌裂损病害发生的机理,首先划分了衬砌裂损病害的3种类型,并对每种裂损类型展开了力学行为分析.以断裂力学作为切入点,研究了在围岩荷载及结构自身作用下衬砌产生的裂缝的发展规律,通过获取应力强度因子K、J积分、以及裂纹面的最大张开位移δ求得裂纹尖端应力和应变值,在此基础上,通过最大周向应力理论分析了Ⅰ型+Ⅱ型复合裂纹发生的临界条件.根据最大周向应力σθ所对应的应力强度因子值来对比临界强度因子值KIC,判断二次衬砌裂纹是否会发生扩展以及分析衬砌裂损病害发生的可能.获得了一系列有益的结论,能够对公路隧道二次衬砌裂损病害机理的理论研究和工程应用提供一定的参考和借鉴.     

高速公路隧道衬砌纵向裂缝成因分析

针对某高速公路隧道运营后出现的纵向裂缝,通过裂缝调查,结合地质报告,运用有限元数值模拟的方法,建立在松散围岩荷载、水压力、形变压力作用下病害结构的计算模型,总结隧道衬砌裂缝产生的原因.研究结果表明:松散围岩荷载作为集中荷载,往往会导致作用部位的应力集中,衬砌内侧会出现较大拉应力而产生裂缝;水压力作用下衬砌结构承受较为均匀的压应力,往往在结构薄弱部位最先出现裂缝;形变压力作用下结构易产生纵向结构性受力裂缝.     

富水隧道衬砌结构受力特性与合理参数分析

随着控制排放的隧道防排水技术的广泛应用,抗水压衬砌结构的设计问题愈发突出。本文以峨汉高速豹狸岗隧道工程为依托,基于对现场实测数据的分析,结合数值模拟,研究了富水隧道二次衬砌结构的受力特性,拟合出衬砌结构及仰拱的水压力计算公式,确定了高水压下二次衬砌结构的合理设计参数。研究成果表明：①试验断面水压力呈典型的“灯泡型”分布;②基于实测数据拟合,获得二衬水压折减系数为0.31,仰拱水压折减系数为0.86;③考虑围岩荷载和水荷载共同作用时,二衬结构墙脚部位承受最大的轴力和弯矩,为结构最不利位置;④当水头高度≥50 m时,墙脚部位的安全系数小于2.0,说明原设计结构不能承受50 m及以上水头高度的水压。     

强震作用下运营隧道裂损衬砌动力响应分析

运营隧道由于地质因素、施工因素与地下水因素造成衬砌结构带裂缝工作。在地震力作用下,带裂缝的衬砌的安全性难以保证。基于隧道衬砌结构裂损的不同位置和裂缝不同深度的考虑,建立了三维数值有限元模型,采用时程分析的方法研究了衬砌的动力响应。研究表明:①在地震力作用下,隧道衬砌受往复拉压作用;在剪切波作用下,最大弯矩、轴力发生在隧道横截面"X"位置;②带裂缝衬砌在地震力作用下,纵向裂缝处混凝土应力集中,主筋拉应力增大,其他位置内力与完好衬砌响应相同;③随着裂缝的位置不同,对隧道安全性的影响不同,影响顺序由大到小依次为225°、315°、270°;④衬砌初始裂缝深度越深,在地震作用下应力集中情况越严重。     

隧道隧底充填溶洞注浆处理施工技术

结合湘桂铁路扩改工程柳南段Ⅰ标新甘业隧道隧底充填溶洞处理施工经验,对岩溶地质条件下采用钢管桩注浆加固处理隧底充填溶洞的施工技术进行总结和阐述。     

溶槽地段双跨连拱隧道的结构计算与分析

双跨连拱隧道以设置地基梁的方式穿过大型溶槽地段.根据地基梁与隧道结构的关系并结合施工的实际情况,确定计算模式与作用荷载;讨论连续跨越不同地基弹性地基梁的受力状态,同时对仰拱的作用及中墙在隧道结构中的重要性进行分析.研究结果表明:2种不同地基介质的交界处是地基梁的最危险点,容易发生剪切与拉裂破坏;溶槽充填物的物理性质对地基梁具有显著的影响,充分考虑充填物的承载能力是合理的;仰拱能明显改善衬砌鲻结构的受力状态,但对分散地基梁的荷载作用不大;中墙是隧道结构的关键部位,对其在施工过程中的偏压状态,应该采取工程措施予以改善.     

基于连续非连续方法的铁路隧道衬砌承压能力分析

西南地区水文地质条件复杂,铁路隧道衬砌的抗水压能力在交通运输工程中受到广泛重视。当排水条件受限时,较高的外部水压可能导致衬砌开裂,这对隧道安全构成严重威胁。科学合理地评价衬砌抗水压能力对衬砌结构设计非常重要。文中结合理论分析和数值模拟,采用连续-非连续方法模拟不同水压条件下隧道衬砌的渐进破坏过程,分析衬砌结构位移、应力应变、界面破裂因子、界面破裂率等参数间的关系。最后,得到不同水压条件下衬砌界面破裂率和衬砌结构渐进破坏之间的关系,将隧道衬砌承压阶段分为安全阶段、相对安全阶段、临界失稳阶段和失稳阶段4个阶段,基于界面破裂率提出衬砌结构当前状态和承压能力评价方法。     

山区高速公路隧道仰拱拆换结构变形机制

仰拱是隧道支护体系的关键构件，当运营隧道的仰拱结构因腐蚀等原因难以满足其受力要求时，就需对其进行拆换。为研究不同拆换工况下隧道结构的变形机制，本文拟通过数值计算的方法对不同拆换工况进行模拟。基于西南山区某高速公路隧道，本文使用Midas GTS NX有限元软件，建立了三维数值模型，分析了不同拆换距离、拆换顺序等因素对结构变形的影响。结果表明：（1）仰拱拆换造成隧道断面向内收缩，其中拱脚、拱顶、拱底的变形较大；（2）单次跳槽拆换的影响范围为3倍单次拆换距离；（3）应尽量选择能使新浇筑的仰拱尽早闭合成环的拆换方案，可以减小隧道因仰拱拆换产生的变形；（4）在不同的拆换距离情况下，单次拆换距离越小，隧道结构的变形就越小。在本文条件下，单次拆换距离在小于1.2D（D为隧道等效直径）时，隧道结构均处于稳定状态。研究成果可为类似工程提供借鉴和参考。     

水工隧洞衬砌底板缺陷诱因及其对结构安全的影响分析

水工隧洞长年运行会出现裂缝、磨损、掉块、冲坑等缺陷，极大影响工程安全。针对水工隧洞衬砌底板冲坑产生的原因及其对结构安全的影响问题，开展隧洞断面水力特征参数的数值模拟，从水力学角度分析衬砌底板冲坑产生的原因，并开展运行和检修工况下不同冲坑深度对衬砌结构受力的影响分析，结合监测数据与模拟成果对冲坑所在位置截面承载能力进行验算，结果表明：隧洞底板流速与紊动能均较大，在运行过程中受高速水流冲蚀作用最强，也最容易产生破坏。冲坑形成后主要对隧洞底板和边墙弯矩的对称性及数值影响较大，对轴力及剪力影响较小。受内外水压力控制的差异，相对于检修工况，运行工况下冲坑对结构安全的影响更加明显，冲坑导致截面抗弯刚度显著减小，随着冲坑深度增加抗弯承载力逐渐减小，工程运行中应重点关注运行工况下底板混凝土的冲刷情况。     

爆炸荷载作用下浅埋综合管廊野外试验与弹性动力响应分析

为了研究管廊结构在爆炸荷载作用下的荷载分布规律、动力响应及破坏机理,评估管廊工程的防护潜力,获取管廊在爆炸荷载作用下的试验数据,设计并开展了管廊结构的抗爆试验.本文主要分析了在比例爆深为2.000,1.587,1.260 m/kg^1/3三种工况下管廊顶板中心处的动力响应.试验测得了三种工况下爆坑大小,以及顶板中心底部纵筋和箍筋及侧墙中心内侧箍筋应变时程曲线、加速度时程曲线、反射压力时程曲线和位移时程曲线.试验数据表明,顶板中心底部箍筋应变远大于纵筋,且振动使管廊产生的反复位移大小相当,建议管廊采用对称配筋、箍筋加密、混凝土保证抗压强度.通过常规武器效应计算软件CONWEP计算并验证了反射压力峰值的准确性,进一步得到了作用于管廊的总压力并将其简化为均布荷载,计算出弹性响应阶段顶板中心的最大位移,与实测位移进行比较,吻合较好.     

软岩铁路隧道支护受力及优化分析

以玉磨铁路曼么二号隧道为背景,分析软岩隧道受力特征,以及施作临时仰拱对隧道围岩压力、位移的影响,为以后的工程方案比选提供参考。通过采用数值模拟和现场监测实际数据对比分析的方法,分析了三维隧道围岩、钢拱架的真实受力状态,模拟了有无临时仰拱时隧道的围岩压力和位移变化情况;探讨在软弱围岩地质情况下,有无临时仰拱对隧道应力场和位移场的影响,得出了施作临时仰拱对控制软弱围岩隧道的变形效果比较明显。结果表明:钢拱架右侧受力明显大于左侧,玉磨铁路曼么二号隧道受力不对称,可能存在偏压现象;实测数据与模拟数值变化趋势基本相同,验证了MIDAS/GTS能够有效地模拟隧道施工过程;通过模拟对比分析,施作临时仰拱时拱顶沉降值减小了15.5%,左拱腰位移减小了69%,右拱腰位移减小了66.7%,隧道围岩压力最大值为143.4 kPa,出现在拱顶位置,最大围岩压力减小了6.5%。     

岩溶隧道突水灾变过程分析及控制技术

采用现场调查、模拟实验、理论分析与现场监测相结合的研究方法,对圆梁山隧道岩溶突水特征及突水机理进行了系统研究,揭示了隧道岩溶突水是受岩溶充填物、水压与隧道围岩塑性区范围等因素影响的渐进破坏过程.针对圆梁山隧道揭露的5个岩溶,分别制定了有效防治岩溶突水的关键技术对策.     

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。     

楔形钻齿作用下岩石破碎及微观劣化过程

从理论分析和数值模拟两方面研究楔形钻齿侵入岩石过程中径向裂纹和侧向裂纹的扩展情况。首先根据Marshall的试验研究,分析考虑钻井液压力、侧压作用下岩石在楔形钻齿侵入过程中径向裂纹与侧向裂纹的极限长度公式和最佳齿间距公式,讨论钻井液压力、侧压和齿间距对裂纹扩展的影响;然后利用离散单元方法(PFC2D)研究楔形钻齿侵入过程中岩石的失效以及裂纹扩展情况。研究表明:随着侧压增大,临界侵入深度变大;钻齿下方的损伤区域变小,并且损伤区域变得相对比较平坦,不再凸入岩石内部;钻井液压力增大对径向裂纹的扩展以及损伤区域的扩大有促进作用,径向裂纹长度以及损伤区域随钻井液压力的增大而增大,但损伤区域随着钻井液压力的增大越来越凸入岩石内部;钻井液压力对侧向裂纹的萌生和扩展有抑制作用;合理的齿间距可以产生侧向裂纹重叠区,促进岩石的破碎,提高破岩效率;理论分析结果和数值仿真结果较一致。     

基于多传感器的隧道异常自动巡检系统的设计

为及时发现隧道内渗漏水和裂缝病害,提早采取应对措施而降低损失和节省成本,设计了一套基于多传感器的隧道自动巡检系统。通过分析隧道内渗漏水和裂缝表现出的特征,针对渗漏水现象,通过红外热成像设备获取环境的温差伪彩图,设计出一种多邻域生长动态异常区域识别算法检测漏水点;针对裂纹细小难以识别的问题,通过大面阵工业相机获取高分辨率图像,并提出一种基于相机标定的图像拼接方法获取隧道内全部视场,从而扩大裂纹检测范围。将传感器模块化安装在隧道运动巡检设备中,构建一套完整的网络架构,进行信息交互和数据传输。实验结果证明该系统有较强的可靠性和鲁棒性,渗漏水检测算法误检率低,可有效检测出温度异常区域;图像拼接算法成像质量高、拼接速度快。