考虑围岩蠕变特性的南京过江隧道变形规律预测分析

大型水下隧道由于渗漏水风险大、安全控制难,常采用掘进机开挖法施工,并采用管片拼装式结构;接缝众多的管片拼装式衬砌结构变形破坏机理与预测,成为水下隧道设计和安全控制的难点.依托南京市某过江隧道,基于黏弹塑性理论,采用广义指数型应变率蠕变模型,建立了考虑围岩渐进破坏过程的管片拼装式衬砌结构隧道施工全过程三维数值模拟模型,系统分析了接头缺陷位置、接头缺陷程度、掘进力、围岩压力、围岩蠕变性对隧道变形的影响规律,揭示了含管片拼装初始缺陷的水下隧道衬砌结构变形的时空效应.该过江隧道衬砌结构最大拉应力、水平位移及竖向位移的影响因素及其敏感度等级：初始应力>掘进压力>缺陷位置>缺陷程度.大型管片拼装式水下隧道变形安全影响因素及规律复杂,特别是掘进推力、初始应力场、围岩蠕变性之间不存在单一变化规律,建议具体工程应进行具体分析.     

盾构隧道管片的设计计算方法

综述了盾构隧道衬砌管片的设计计算方法，并使用结构力学的方法对设计中常用的惯用法和修正惯用法进行了理论推导，给出了实例计算。     

地铁盾构隧道30°斜穿地裂缝的物理模拟试验

为了研究30°斜穿地裂缝的盾构隧道管片衬砌结构在地裂缝影响下的变形破坏模式和影响规律,从西安地铁盾构隧道工程背景和西安地裂缝地质环境出发,根据相似理论设计了盾构隧道管片衬砌结构模型试验的相似常数,对模型混凝土、模型钢筋、结构围岩、模型管片及其连接螺栓参数等进行了设计.该结构模型试验能对结构钢筋、混凝土进行应变测量,对结构接触土压力和结构外围土压力、结构内部收敛位移、模型顶表面土体变形等进行观测.借助地基沉降试验平台,通过自锁式千斤顶的缓慢下降,实现对地裂缝上盘相对下降的模拟,地裂缝的活动速率和错动量通过工控机控制自锁式千斤顶的运行速率和行程来实现.试验结果表明:该试验设计满足地裂缝活动下30°斜交盾构隧道管片衬砌结构变形破坏模式和破坏范围研究的需要,能实现模型试验目标;地基沉降试验平台能较好地模拟地裂缝的活动.     

混凝土管片接头有效弯曲刚度比的解析计算模型

混凝土管片及其径向接头的横向弯曲刚度直接影响到管片衬砌的弯矩分布。当混凝土管片的混凝土强度等级、主筋面积和接头连接螺栓的面积已知时,建立了混凝土管片和接头的极限弯矩计算模型。基于混凝土梁弯曲时截面变形假定,解析推导得到管片和接头的极限曲率表达式。分别定义了混凝土管片和接头的有效弯曲刚度及其弯曲刚度比,提出了混凝土管片接头有效弯曲刚度比的解析计算模型。分别参考北京地铁4#、东莞至惠州城际轨道交通工程某穿越东江水下隧道和上海地铁13#线隧道的工程参数,计算管片接头有效弯曲刚度和管片弯曲刚度的比值并进行对比。研究表明,管片接头有效弯曲刚度和管片弯曲刚度比在9%到11%之间,管片接头在衬砌中可以近似简化为铰接形式来进行内力计算。利用ANSYS软件建立等刚度管片环与铰接管片环模型,对比结果显示管片接头的存在使管片最大弯矩减小,弯矩分布发生很大变化。利用等刚度模型和铰接模型进行的内力计算可指导管片配筋,为工程提供参考。     

盾构隧道管片衬砌力学行为区间不确定性分析

以琼州海峡盾构隧道为研究背景,基于梁-弹簧有限元模型,考虑初始设计阶段中相关参数的不确定性,将侧向土压力系数、地层抗力系数、接头等效抗弯刚度考虑为区间不确定性变量,建立了管片衬砌结构区间不确定性问题的数值求解模型,推导了影响度计算公式,可估计轴力、弯矩、安全系数的上下界.通过数值分析,探讨了各区间变量不确定性对管片衬砌结构力学行为的影响.数值结果表明:所取参数的不确定性对轴力影响较小,但对变形和弯矩影响较为明显;两种荷载模式对应的管片安全系数区间相差较大,在设计中应妥善考虑.研究结果有望为管片衬砌鲁棒优化设计提供参考.     

盾构隧道管片弯矩分布特性数值模拟分析

为了研究盾构隧道衬砌内力分布规律,对盾构隧道设计中常用的三种衬砌内力计算方法进行了归纳和分析。基于土力学理论土压力的计算方法,提出了计算管片内力分布新的荷载-结构模型。以沈阳地铁盾构隧道为例,比较分析了惯用法、有限元法以及荷载-结构计算方法的区别。计算结果表明,不同的计算方法得到的弯矩分布特性存在一定的差异。采用有限元数值模拟方法,分析了土体泊松比对盾构隧道管片弯矩的影响。研究表明,随着土体泊松比的增加,管片最大弯矩值减小。     

考虑外水压力的衬砌与围岩受力分析的解析法

针对我国现行水工隧洞设计规范中将外水压力视为面力通过折减系数进行简化计算与实际不符的情况,推导将外水压力视为体力,考虑地下水作用的衬砌与围岩应力位移解析解.分析隧洞渗透水压力在施工期的分布规律,并利用有限环变形协调法、计入渗透力的平衡微分方程,推导衬砌与围岩的应力、位移弹性解析解.最后以某一工程算例进行分析,研究结果表明,岩体混凝土渗透系数比值对于衬砌和围岩的应力位移有较大影响,将外水压力视为体力进行计算能节省工程材料,更符合工程实际.本文为衬砌与围岩应力位移解析解提供了理论依据,对工程设计有一定的参考价值.     

盾构输水隧洞复合衬砌计算模型

通过分析现有的复合衬砌计算模型,指出双层框架模型在复合衬砌结构受力分析时存在的不完善之处。为能反映外管片已发生的变形对管片与内衬二者相互作用的附加影响,提出一种新型的计算模型即实体叠合计算模型。针对实体单元建模,管片接头处理复杂的特点,提出一种模拟管片接头的简化模型;根据内、外衬砌接触界面处理方式的不同,建立了4种内、外层衬砌相互作用模型。利用上述模型对青草沙原水过江隧洞典型断面进行分析。研究结果表明:实体叠合模型计算所得的管片与内衬的内力、变形的变化规律与已有的实测数据规律相吻合,模型计算结果可为设计提供参考。     

盾构隧道衬砌结构小角度斜穿地裂缝的破坏机理

从西安地铁1 #线工程背景和西安地裂缝地质环境出发,根据相似理论设计了盾构隧道管片衬砌结构30°斜穿地裂缝的物理模型试验管片混凝土应变、纵向和环向螺栓应变、结构接触土压力外围土压力、结构内部收敛位移、模型顶表面土体变形以及宏观变形破坏现象表明:盾构隧道管片衬砌结构30°斜穿地裂缝的变形破坏模式为剪切变形为主,局部有扭转变形;结构破坏范围为上盘1.25D,下盘0.75D(D为管片环外径);管片衬砌结构变形破坏不对称,管片环向处于偏压状态;环缝拱底位错量大于拱顶和拱腰,拱底最大位错量达40 mm(0.033D),模型难以适用地裂缝错动变形20 cm(0.1667 D),盾构管片衬砌结构不适用于地裂缝活动强烈的地质环境     

隧底溶洞对衬砌结构力学行为的影响

基于考虑地基剪切变形的Pasternak弹性地基梁理论,推导了无仰拱隧道拱脚处地基梁的位移和内力计算公式,对比分析了Pasternak模型和Winkler模型计算结果,与现场监测结果对比,并基于Pasternak模型研究不同介质压缩模量及不同溶洞规模情况下衬砌的变形受力状态.研究结果表明:Pasternak模型的计算结果比Winkler模型偏小,更符合实际变形受力情况;在溶洞和围岩的交界处衬砌存在明显的反弯点,且交界处剪力最大;溶洞填充物压缩模量与围岩压缩模量比值小于等于0.5时,溶洞段衬砌位移和内力急剧增加;溶洞规模对衬砌位移和剪力影响显著,长度8 m以上溶洞对衬砌结构危害性较大.     

深埋隧道支护结构内力计算方法研究

深埋隧道是交通建设中的关键，对其力学行为进行深入研究具有重要的理论和工程实际意义。针对既有研究的不足，考虑到深埋隧道支护结构力学响应的空间差异性和施工过程围岩-支护结构的动态作用关系，建立了围岩竖向荷载与径向位移关于隧道横截面角度变化的平衡微分方程，获得了围岩压力作用下复合支护结构的内力解析解。根据支护反力与围岩径向位移的关系，推导了初支与围岩、初支与二衬间的围岩压力与位移解析解。结合数值模拟和现场监测结果进行分析，证实了计算方法的可靠性和有效性。最后基于该解析方法，对支护结构厚度和弹性模量进行了参数分析。结果表明支护结构的厚度和弹性模量与其弯矩正相关，且弹性模量对弯矩影响更大，初支厚度和弹模的变化对围岩压力和径向位移的影响比二衬对其影响更显著。研究成果可为准确预测支护结构任意截面位置的内力提供一定理论支撑。     

围岩流变特性对隧道二衬支护时机的影响

为了研究岩体流变特性情况下隧道二衬的支护时机,首先推导了在考虑围岩流变特性时,衬砌抗力、位移及围岩的位移表达式;然后以广梧高速公路茶林顶隧道岩体为工程背景,探讨了考虑岩体流变情况下,隧道二衬支护时机的确定方法,并对比了围岩拱顶下沉实测值和理论计算值。结果表明：(1) 理论分析所建立的衬砌抗力、位移及围岩的位移表达式中均包含了时间参数,可确定达到不同衬砌抗力、位移及围岩位移所需要的时间;(2) 围岩拱顶下沉实测值和理论计算值表现出相同的发展规律,验证了所建立方法的正确性。     

热力耦合作用下圆形水工隧洞围岩弹塑性解析解

为研究圆形水工隧洞围岩弹塑性区受力特点,基于Mogi-Coulomb强度准则和弹塑性理论,考虑温度和衬砌结构的影响,推导热力耦合作用下水工隧洞围岩应力、洞壁位移和围岩塑性区半径的解析解。依托新疆某高地温水工隧洞工程进行计算分析,对中间主应力系数、温度、混凝土强度、衬砌厚度和围岩应力分布及塑性区半径间的关系展开参数分析。结果表明：温度变化产生的拉应力会使衬砌结构对围岩支反力减小,围岩塑性区半径和洞壁位移有所增大,隧洞岩体稳定性变差;中间主应力系数b对岩体强度影响较大,b=0.5时围岩塑性区半径明显小于不考虑中间主应力时的塑性区半径;提高混凝土强度和增加衬砌厚度在初始阶段都能明显限制围岩塑性区发展,虽后续效果都不佳,但增大衬砌厚度更能限制围岩塑性区发展。     

盾构隧道围岩与衬砌协同作用纵向位移计算法

盾构机掘进过程中,千斤顶顶进力的不均匀引起的纵向位移是管片间初始错台的主要原因之一;基于Timoshenko梁理论的隧道纵向位移计算方法,未能考虑隧道开挖后围岩卸载破坏的变形特征及围岩与衬砌结构的协同作用效应,预测误差较大。建立了考虑围岩卸载扩容效应的等效地基抗力系数计算方法,提出了能考虑螺栓个数的等效抗剪刚度计算公式,建立一种基于Timoshenko梁理论的改进管片拼装式隧道纵向位移理论计算方法。实际工程案例分析表明：考虑围岩开挖卸载过程中围岩的非线性体积相关塑性变形（即扩容效应）更合理;考虑壁后注浆液固化过程的时效性,采用改进的滑移边界条件计算的纵向位移最大值是传统的固定端边界的计算值的2.3倍,边界条件对计算结果影响较大,本文计算方法更符合实际情况,也更安全。     

考虑蠕变效应的软岩特大断面隧道围岩抗力系数计算

根据软岩具有蠕变时效的特点,考虑岩体应力-应变全过程曲线,基于鲍格斯(Burgers)蠕变力学模型,推导出了考虑蠕变效应及初始地应力的隧道抗力系数计算公式。以沪昆高速铁路特大断面软岩隧道——明山隧道为工程依托,通过现场水压致裂试验获取隧道初始地应力以及室内岩石试验,获取围岩物理力学参数,代入该公式得到了明山隧道的围岩抗力系数。研究结果表明:该公式能够可靠的运用于具有蠕变效应的软岩隧道衬砌支护设计计算中;当围岩出现塑性流动变形时,围岩仍具有与衬砌共同承载的能力,这一研究结果对隧道衬砌设计具有十分重要的实际指导意义。     

隧道支护结构蠕变特性试验和非线性蠕变模拟

采用MTS815液压伺服系统对深埋隧道支护结构混凝土试件进行了三轴蠕变试验,分析了支护结构的蠕变特性,依据蠕变曲线特征求出了非线性蠕变参数。建立了考虑深埋隧道施工过程、围岩和支护结构蠕变特性的有限元数值分析模型,分析了围岩和支护结构的蠕变特性,得到了隧道初期支护和二次衬砌的位移特征及其不同位置处的有效应力和最大剪应力特征。隧道支护结构的位移、应力随时间的变化特征与不考虑蠕变效应有较明显的不同,计算位移与实际监测结果基本一致。对于深埋隧道,应该考虑围岩和支护结构的蠕变特性。     

寒区隧道衬砌结构冻胀破坏规律研究

冻胀力是造成寒区隧道冻害时常发生的主要原因。通过对寒区隧道衬砌结构冻胀力产生机理进行研究,认为冻胀力是围岩整体冻胀和局部冻胀共同作用的结果,并采用弹性力学计算方法推导了冻胀力的计算公式。利用有限元分析软件TRAS研究了青沙山隧道衬砌结构冻胀破坏规律及防治措施,研究发现:拱顶和拱脚处衬砌结构安全系数较低,容易发生冻胀破坏;增加衬砌厚度来预防冻胀力效果不明显,建议采用钢筋混凝土结构。     

蠕变作用下埋深对结构受荷特征影响分析——以广佛环线东环隧道工程为例

为研究在围岩蠕变作用下不同埋深软岩盾构隧道管片结构的受荷特性,以广佛环线东环隧道工程为背景,利用FLAC~(3D)(fast lagrangian analysis of continua in 3 dimensions)有限差分软件建立了数值分析模型,采用改进的黏弹塑性蠕变本构(burgers-creep viscoplastic model, CVISC),分析了埋深对管片的位移、内力及与围岩的接触压力影响。结果表明:隧道初期开挖之后,顶部围岩沉降,底部发生隆起,考虑围岩蠕变效应后,管片衬砌发生整体沉降,隧道埋深越大,管片体整体沉降越发显著;随隧道埋深的增大,弯矩、轴力与接触压力均逐渐增大。围岩未考虑加速蠕变下,蠕变过程中管片衬砌的内力和接触压力的变化规律基本相同,有衰减蠕变和稳定蠕变两个阶段。     

预应力锚索荷载传递与锚固效应计算

考虑岩体的损伤特性,根据剪切位移法,推导锚固段侧摩阻力沿锚固长度的非线性分布计算公式;结合该公式和Mindlin解,推导出锚固岩体影响范围内任一点的应力分布解析解,并以具体例子进行计算分析.研究结果表明:锚索在锚固段的应力分布主要集中在前端1/3处,比传统方法计算的结果更集中;为提高锚固的效果不能一味增加锚固段长度,而应增加有效的锚固面积或分散前端的集中应力;锚索的设计参数中,相邻锚索之间相互影响的最小距离应以正应力为标准进行控制,而锚固力则应以剪应力为标准进行控制;随着锚索拉力的增加,在锚固段应力影响范围增加较小,但应力集中程度增加较大,因此,锚索设计时不但要考虑锚索与锚固体的黏结强度,更要考虑锚固体与岩土体的黏结强度.     

松软围岩隧道结构稳定可靠性估计

分析了深部地下工程围岩与结构的相互作用原理,提出了极限状态方程建立准则,然后按照新奥法原理给出最小荷载的估算公式.在分析衬砌力学传递机理基础上揭示了衬砌变形协调的3种基本类型,推导了在不同协调情况下结构实际抗力的计算公式,探讨了极限状态方程的建立方法.根据结构参数和状态函数的复杂性,研究了统计矩方法估算稳定可靠性概率的实用性.由此构成了该类隧道结构稳定可靠性估计的完整方法.并采用该方法分析了某隧道结构的稳定可靠度,验证了其有效性.