下穿隧道围岩蠕变对地下人防工程底板受力及变形影响研究

随着城市地铁建设进程加快,地铁隧道下穿人防工程时有发生,隧道和人防工程之间的相互影响成为目前迫切需要解决的问题。由于岩土体具有蠕变特性,研究其蠕变条件下的长期稳定性成为研究热点。采用D-P屈服准则耦合时间硬化率蠕变模型的有限元软件,研究了隧道不同埋深和直径以及穿越地下人防工程时围岩蠕变变形以及人防工程底板弯矩变化规律,弥补了弹塑性分析的不足。人防工程的存在减小隧道拱顶下沉;隧道衬砌减小隧道沉降以及人防工程底板弯矩。隧道埋深越大,隧道与人防工程底板净距值越大,人防工程底板弯矩越小;隧道直径越大,人防工程底板弯矩越大。一定埋深情况下,配筋率越大,最大允许隧道直径越大。埋深15~30 m,直径10~14 m时,隧道拱顶下沉随隧道埋深或直径增大而增大,增幅约为埋深或直径每增大1 m,沉降增加约0.018 m。不同隧道埋深或直径下,隧道拱顶下沉与人防工程底板弯矩呈线性关系。     

隧道可液化场地围岩液化势评判及有限元分析

目的为对隧道围岩抗震性能进行准确有效评价,研究地震作用下可液化地基震动液化对地下隧道震害规律影响.方法基于总应力法对隧道可液化围岩进行液化势的判别和有限元分析,采用NCEER建议的动剪应力液化判别简化方法,分析隧道尺寸、衬砌厚度、隧道埋深及剪切波速对可液化围岩震动液化势的影响.结果改变隧道尺寸和衬砌厚度对土体加速度影响不大,而隧道埋深对土体液化势指数影响较大,增大隧道埋深则围岩不易发生液化.结论可液化场地隧道建设时应考虑增大埋深从而减小土体液化后产生的破坏.     

基于流-固耦合理论的水体下盾构隧道施工渗流规律

借助有限差分软件FLAC~(3D),依托太原地铁2号线双塔西街—大南门站下穿迎泽湖区段盾构隧道工程,基于流-固耦合理论分别建立5,10,20,30 m湖水深度下该区段隧道流-固耦合三维计算模型,对比分析4种湖水深度下盾构隧道开挖过程中地表的沉降量、围岩渗透性和管片内力分布。结果表明:盾构隧道地表沉降量及水平位移随湖水深度的增大而增大;各工况下隧道周围的孔隙水压力随着盾构隧道的开挖而显著减小,水力坡降在隧道拱顶、拱腰两侧明显增大,致使隧道拱顶、拱腰两侧极易发生涌水事故;流-固耦合作用下,盾构管片内力与水头压力呈正相关性,盾构隧道管片配筋设计中应考虑上覆水体水头压力对其产生的显著影响。     

爆炸冲击下盾构隧道衬砌结构的动力响应特性

考虑现实生活中城市地铁隧道内可能出现的意外或恐怖袭击爆炸事件,运用有限元Midas/GTS软件数值模拟爆炸过程,分析爆破荷载作用下隧道管片的变形、振速、内力及地表的变形情况,分别选取3种不同管片接头模型进行对比。结果表明:爆破荷载作用对隧道管片的影响较大,而对地表的影响较小,其竖向位移随地表与爆炸源正上方位置距离的增大逐渐减小;不同接头模型中管片的内力与变形规律相似;隧道管片内力随时间先增大后减小,采用局部刚度折减法时管片的内力明显区别于整体刚度折减法与不折减法,折减区管片内力较大,整体管片内力分布不均匀现象更为明显。     

偏心堆载引起的盾构隧道横向受力理论计算

针对隧道邻域内偏心堆载工况导致隧道破坏,考虑偏心堆载和盾构衬砌环间作用力的影响,基于修正惯用法,推导出衬砌围压和内力(弯矩、轴力、剪力)的计算公式。通过算例分析,研究堆载数值、堆载位置和隧道埋深对隧道衬砌围压和内力的影响规律。研究结果表明:偏心堆载会使隧道衬砌围压产生不对称分布,其中加载侧的围压大于非加载侧的围压,最大围压出现在加载侧的下方;偏心堆载对加载侧的弯矩和剪力影响较大,对轴力影响较小;随着堆载载荷不断增大,衬砌围压和剪力整体不断变大,零剪力的位置不变;随着堆载中心偏移距离变大,衬砌围压和弯矩不断减小;随着隧道埋深增大,衬砌围压和轴力变大,堆载对隧道产生的附加应力减小。     

泥质粉砂岩山岭公路隧道围岩变形

为分析不同围岩级别对泥质粉砂岩隧道的影响,依托贵州沙家坪隧道不同围岩级别的拱顶沉降和周边收敛进行分析;同时考虑隧道浅埋段多为破碎岩体,是隧道开挖工程中最危险地段;结合沙家坪隧道进出口地表浅埋段埋深数据,分析浅埋段埋深深度对拱顶沉降的影响。研究结果表明:泥质粉砂岩隧道相对其他岩类(峨眉山玄武岩、灰岩)隧道在低围压下流变滞后现象较明显,不易发生瞬态破坏,洞口段与中间深埋段围岩变形相差不大;拱顶沉降主要集中在距离洞口100~200m地下水和煤层较发育地段,平均沉降为-7mm,累计沉降在-8mm上下波动,同时煤层对隧道围岩的变形存在重大安全隐患;距离洞口0~60m隧道的累积周边收敛值及波动较大;对于泥质粉砂岩隧道,浅埋段埋深厚度对隧道围岩变形影响较弱。     

不同埋深隧道开挖对地表沉降影响的三维有限元分析

以厦门市东渡路站-建业路站的地铁隧道2号线一期工程为研究对象,利用数值模拟和现场实测数据研究了不同埋深隧道对地表沉降的影响规律,结果表明:(1)随着隧道埋深的增加,地表沉降呈现先增大后减小的规律;(2)距隧道中心线水平距离大于25 m时,沉降槽曲线逐渐趋于平缓,表明相同埋深下的隧道开挖对距隧道中心线25 m以外的地表沉降影响相对较小;(3)随着隧道埋深的增加,土体的自承能力增加速度和围岩自重应力的增加速度在隧道埋深为3D附近达到平衡点,此时,地表沉降值最大。平衡点3D可作为该工程深埋、浅埋隧道的划分标准。     

埋深对TBM法掘进隧道应力变形的影响

为了研究不同隧道埋深对围岩应力变形和塑性区发展趋势的影响,对TBM法掘进隧道时的围岩稳定性进行有限元数值分析,分析不同埋深条件对围岩应力变形和塑性区发展趋势的影响。计算结果表明,随着埋深的增加,应力、位移、塑性区、发生岩爆的几率都有不同程度的增加。地应力以构造应力为主,洞周不存在拉应力区,塑性区呈环状分布。当埋深较大时,进行管片收敛变形计算时采用MC准则要优于DP准则,当侧压系数增大时,管片应力变形有不同程度的增加。掌子面附近管片收敛较小,往洞口方向收敛变形值逐渐增大,在距掌子面500 m之外的管片收敛变形趋于稳定。     

考虑蠕变影响的隧道围岩抗力系数计算方法

基于Winkler局部变形理论,将高速铁路隧道围岩划分为能够考虑蠕变效应的3个有限环模型。在应力应变全过程曲线的基础上,采用伯格斯(Burgers)蠕变力学模型模拟黏弹性区的蠕变变形,推导考虑围岩蠕变效应的围岩抗力系数公式。为研究红砂岩隧道衬砌设计的围岩抗力特性,以沪昆(上海—昆明)高速铁路特大断面隧道即店塘边隧道红砂岩段为工程依托,分别计算该段围岩有无考虑蠕变效应的抗力系数。研究结果表明:考虑红砂岩的蠕变效应后,围岩抗力系数有所降低;当红砂岩段围岩软弱破碎、出现塑性流动变形时,围岩抗力系数并不为0 MPa/m,围岩仍具有分担荷载的能力。这可对隧道衬砌设计提供参考。     

浅埋偏压小净距隧道围岩变形影响因素数值模拟研究

通过有限元数值模拟软件模拟了浅埋偏压小净距隧道在不同间距和不同埋深条件下的开挖,研究了隧道间距和埋深对隧道围岩变形的影响。结果表明:隧道的最大变形出现在拱顶,但并不在拱顶的正中间,而是中间偏右侧;右侧隧道的拱顶、拱底和侧墙等部位的位移均比左侧隧道的大;随着隧道间距的增大,地表沉降值不断减小,而拱顶下沉累计沉降量先减小后增大;随着隧道埋深的增大,拱顶沉降量增大,地表沉降累计值减小。     

膨胀性土层盾构隧道衬砌管环计算模型

针对膨胀性岩土地层围压改变对盾构隧道衬砌管环内力和位移的影响,分析不同膨胀地层分布下隧道膨胀接触压力分布特征,建立考虑膨胀荷载的盾构隧道荷载-结构力学模型,运用力法推导不同膨胀荷载模式作用下衬砌管环内力解析解,并结合工程实例进行计算分析。研究结果表明,膨胀荷载对衬砌管环内力影响显著,不同膨胀荷载分布模式作用下衬砌管环内力分布规律存在较大差异,建议在工程设计中应予以重视。研究成果可为膨胀性岩土地层盾构隧道设计与计算分析提供参考。     

炭质板岩地层公路隧道结构受力特征及优化

在炭质板岩地层中进行隧道施工会面临软弱围岩大变形、掌子面易失稳等问题,合理的支护结构体系是隧道施工安全和经济的保障。为此,本文依托峨汉高速豹狸岗隧道工程,通过对Ⅳ级围岩段隧道施工过程中围岩压力、围岩-结构间接触压力、支护结构内力等进行监测分析,获得Ⅳ级围岩形变荷载分布规律及结构受力特征,研究表明:初期支护和二次衬砌的安全度较高,但支护材料强度没有得到充分发挥。因此基于支护结构受力有限元分析,对二次衬砌的支护参数进行优化,提出的支护优化方案整体可行,可为类似的工程提供一定的参考价值。     

黄土公路隧道受力特性测试

为了解黄土公路隧道围岩压力及衬砌受力的特性,通过对青土岘隧道的现场测试,研究了一次衬砌和仰拱围岩压力、格栅拱架钢筋轴力、一次衬砌和二次衬砌接触压力以及仰拱和二次衬砌混凝土的应力应变随时间变化规律及分布特性.结果表明,围岩与一次衬砌接触压力分布不均匀,边墙底部表现出了较大压力,格栅拱架钢筋轴力稳定较快且全部受压,二次衬砌和仰拱承受较小的荷载.     

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。     

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。     

隧道围岩稳定性及其支护作用分析

针对隧道设计中的围岩力学特性及其荷载效应、"支护-围岩"动态作用特点及支护结构体系的协同作用原理3个基本问题进行研究.首先基于对大量山岭隧道围岩变形监测结果的统计分析,指出围岩变形规律和基本特点,以隧道掌子面围岩变形加剧点、初期支护施作和围岩变形稳定作为3个关键节点对"支护-围岩"力学演化过程的作用特点进行分析.提出了"浅层围岩"与"深层围岩"组成复合围岩结构的新理念,对围岩失稳的动态特征进行阐述,并通过计算分析指出了隧道围岩失稳模式、失稳机理和失稳范围的确定方法.基于围岩失稳模式推导作用于支护结构的围岩荷载计算公式,它包括由浅层围岩确定的"给定荷载"和深层围岩传递的"形变荷载"两部分.建立支护结构体系的协同作用力学分析模型,分析了弹塑性条件下影响塑性区变化的关键因素,揭示了初步加固圈层与后续支护圈层的协同作用原理.研究结论对实现隧道工程的动态化、定量化设计和施工具有重要的指导意义.     

钢筋锈蚀作用下盾构隧道结构损伤劣化性能

在长期的水土荷载和侵蚀性物质联合作用下，盾构隧道钢筋混凝土衬砌结构会经历腐蚀-损伤-劣化过程而逐渐失效，导致服役性能大幅降低。本文引入内聚力模型（CZM）及混凝土塑性损伤模型（CDP），建立考虑钢筋混凝土间粘结滑移的盾构隧道衬砌锈蚀三维数值模型。综合考虑钢筋锈蚀引起的自身力学劣化、混凝土有效截面损失及钢筋混凝土粘结性能退化等因素，分析了围岩水土荷载和钢筋锈蚀耦合作用下衬砌结构形变、损伤演变规律和整体结构劣化特征。研究表明：1）锈蚀作用导致衬砌结构刚度降低，大大加深了衬砌结构的变形程度。锈蚀造成衬砌结构不同部位的刚度损失不同，反映了锈蚀作用下衬砌结构损伤的差异性。2）衬砌结构的围岩侧与临空侧损伤差异较大。相同锈蚀率下，衬砌受压侧受到挤压作用，限制裂缝的发展，导致受压侧损伤很小。3）在锈蚀过程中隧道衬砌结构拱顶弯矩不断减小，拱顶损伤不断加深，损伤区域逐渐扩展，截面刚度损伤最显著。4）衬砌结构自身性能不断劣化，出现内力重分布。衬砌结构的裂缝多出现在围岩侧。研究成果可为隧道衬砌结构服役性能的评估提供参考。     

大断面深埋高水压盾构隧道实测内力反算与分析

结合南京地铁3号线大直径盾构隧道工程,对隧道管片钢筋应变进行了现场测试,基于既有的管片内力反算方法,考虑混凝土非线性性质及管片接头,提出了适用于深埋高水压盾构隧道的内力改进算法,并对改进算法反算内力与结构设计计算内力进行了对比分析.结果表明:改进算法更能反映管片的实际受力状态,更适用于荷载模式复杂且接头传力机制多变的大断面深埋高水压盾构隧道;采用设计方法计算的深埋高水压盾构隧道管片及接头内力与改进算法反算内力的分布规律基本一致,但在量值上具有一定的差异;采用设计方法计算的管片及接头轴力为改进算法反算轴力的1/2左右,反算的管片弯矩在拱底位置与惯用法计算弯矩接近,在拱腰及拱顶位置与梁-弹簧法更为接近,反算的接头弯矩大于梁-弹簧模型计算接头弯矩.研究成果可为大直径深埋盾构隧道设计提供参考.