岩溶隧道衬砌水压力分布规律研究

长期以来隧道衬砌水压力问题，一直是人们争论的焦点。依托宜万铁路岩溶隧道工程，对不同防排水方式（即全封堵、堵排结合及排放方式）的隧道衬砌水压力分布规律进行研究，研究方法主要采用模型试验及现场测试方法，模型试验的比例尺为1∶16，试验台架可同时施加土压和水压。通过模型试验得出水压力分布规律：全封堵条件下衬砌背后水压力不能折减，注浆圈也不能有效减小水压力；隧道内排水后衬砌背后水压力明显减小，并随着排水量的增加，水压力基本成直线下降；相同排水量时，注浆效果越好，衬砌背后水压力减小越明显；隧道采用全排导方式时，衬砌仍承受一定的水压。由模型试验得出的水压分布规律的部分结论，在现场水压力测试中得到了验证。     

隧道排水泄压孔对周边水压分布变化的影响研究

针对老旧隧道排水系统堵塞瘫痪导致的隧道衬砌渗漏水问题，现场常通过增设泄压孔的方式排出衬砌背后高压水.为探究泄压孔对隧道周边水压力分布产生的影响，总结开通泄压孔后隧道周边水压力的变化趋势及其影响因素（泄压位置、泄压时间、水位高度及土层渗透系数等），然后通过数值模拟有限元分析、模拟富水隧道在不同位置增设泄压孔时周边水压力分布情况，分析泄压孔对隧道外环水压力分布产生的影响.结果表明：(1)泄压孔的降压效果及影响范围主要取决于土层的渗透系数，随渗透系数的减小而减小；(2)泄压时间及上覆水位高度对泄压孔的降压效果影响较小，在渗透系数大于等于1.2 m/d的土层中，泄压32 d降压效果趋近于稳态泄压；(3)开设泄压孔后，隧道外环水压降压比将迅速降至0.8以内，而泄压孔周边1 m左右范围水压将减至无泄压孔时的40%以内，该范围随土层渗透系数的增大而增大.     

地震作用下大断面隧道衬砌结构的动力损伤特性

基于混凝土材料的动力损伤特性,建立了其弹塑性损伤本构模型,将该模型应用于强震区某大断面隧道工程,分析了不同地震波入射方向、地震波强度和围岩条件下隧道结构的地震响应与动力损伤规律,探讨了大断面隧道结构的地震损伤特性和破坏机理。研究结果表明：地震波垂直、水平两种入射条件下两者衬砌的压主应力、加速度响应形态相似,但水平入射条件下衬砌结构的应力、加速度响应相较于垂直入射条件更加剧烈;水平入射时衬砌的动力损伤远大于垂直入射时的动力损伤,且动力损伤主要集中于拱腰与墙脚处;围岩条件对隧道衬砌结构的拉主应力响应以及动力损伤有显著影响,V级围岩条件下衬砌结构的最大拉应力是IV级围岩下的5.7倍;隧道结构的地震响应与动力损伤特性也受地震波强度的影响,随着地震波强度增大,应力、加速度响应峰值以及最大动力损伤量均呈现非线性增大趋势,动力损伤随之加剧且由拱腰和墙脚处逐渐向外扩展;在强震区软岩隧道抗震设计以及运营期间震后加固修复应着重注意动力损伤集中的部位。     

海底岩溶隧道损伤-渗流耦合机制及其应用

目的分析多场耦合作用下海底岩溶隧道稳定性.方法建立基于Hoek-Brown准则的岩体弹塑性损伤-渗流耦合模型,通过ABAQUS软件中Umat子程序接口实现了模型的有限元计算,利用该模型对大连海底岩溶隧道进行数值计算.结果溶洞作用下地表沉降曲线在开挖面中线两侧存在较大差异,随着上覆海水压力的增加,沉降最大值出现小幅增长,其位置逐渐向溶洞中线处偏移;当施加充填水压时,地表沉降值、开挖面附近围岩位移值和衬砌最大主应力值均发生明显变化;随着充填水压的加载,隔水岩体的损伤值和损伤区域逐渐增大,渗透系数成数量级增长,形成的导水通道为开挖面发生突水突泥灾害埋下了隐患.结论计算结果对岩溶区隧道监测和突水灾害防治具有指导意义.     

岩溶地区引水隧洞排水技术研究

为解决岩溶地区引水隧洞安全稳定问题,采取"堵、排"结合设计原则,在减少衬砌外水压力同时避免地下水位过度降低从而影响隧洞周边水环境.利用解析法推导衬砌排水量和衬砌背后外水压力之间的关系,并采取数值计算的方式计算,得出以下结论:(1)推导出岩溶地区隧洞衬砌背后水压力函数关系式;(2)推导出排水减压阀出水口流速关系式;(3)推导出排水量与衬砌背后水压力之间关系式;(4)不同渗透系数下,隧道施工和运营期地下水位变化规律.     

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。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。研究结果表明：试验断面水压力呈典型的“灯泡型”分布;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;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;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。     

联络通道与主隧道连接处列车振动响应分析

 基于有效应力分析法,运用有限差分程序FLAC3D建立了盾构隧道主隧道、联络通道、地层相互作用三维计算模型。分析了两辆列车单次交汇运营条件下,联络通道与隧道结构连接处典型断面特征点处土层孔隙水压力、盾构隧道衬砌结构变形及主应力变化。计算结果表明：在列车振动荷载作用下离隧道拱底越近的土层,孔隙水压力与初始有效应力的比值越大,但均小于1,土体尚未达到发生液化的条件;衬砌结构位移最大值出现在盾构隧道拱底,为0.16mm;衬砌结构拉、压应力最大值均未超过结构抗拉、抗压强度设计值,表明衬砌结构在列车振动荷载作用下是安全的。     

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。     

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。     

复杂岩溶区溶洞储水与隧道衬砌相互作用

水压衬砌的稳定性研究仍是在富水区修建隧道工程所关注的重点问题。多数相关研究均是基于连续性"渗透"模型和Darcy定理的基础上开展的。基于前人研究成果,结合实际情况,发现工程中衬砌主要破坏原因区别于渗流破坏,进而确认该隧道支护结构破坏主要原因为隧道排水系统失效后短时间内衬砌背后溶洞储水作用下的变高水头水压致裂破坏,从而提出该力学模型为"荷载-结构"模型,而"荷载-结构"模型的关键问题在于确定衬砌所受岩溶水压力大小与分布形式。根据水文地质条件假定溶洞处于汇水期时其流量基本不变,结合工程地质条件推导了该工程区两类溶洞("走向型"溶洞和"斜交型"溶洞)的体积计算公式,再换算确定不同时间范围内的储水体积,最后折算为衬砌所受应力边界条件。通过数值计算理论分析变水压下隧道的力学响应特点,通过与现场照片的对比可证明隧道衬砌破坏主要原因确为水压致裂,同时伴有一定的水体渗透、劈裂作用加剧失效,说明前述的假设研究具有一定合理性,针对研究结果对工程提出了防范措施要点。研究思路与理论研究成果可为类似工程提供借鉴与参考。     

高地应力破碎围岩隧道变形受力特征试验研究

高地应力破碎围岩地层在开挖隧道过程中极易发生大变形、钢架扭曲、局部垮塌等灾害。以天平铁路关山隧道为依托,通过监测两个试验段内的围岩压力、初期支护受力与变形、二次衬砌混凝土应力的分布特征,来探讨高地应力破碎围岩地层中不同断面形式和支护参数情况下隧道支护结构的变形与受力特征。结果表明:在以水平地应力为主的破碎围岩地层中,隧道开挖引起的变形以边墙水平收敛为主,拱顶沉降次之;高边墙小曲率断面形式的单线铁路隧道受力和变形均较大,而增大边墙曲率可有效抑制隧道开挖引起的变形,使支护结构受力更为均匀,受力状态明显改善。研究可为高地应力破碎围岩地层中隧道设计提供一定的参考。     

围岩水压力影响因素分析

为保护洞顶山区的水资源和环境,近年来,隧道防排水开始尝试"以堵为主,防排结合"的原则。但是,隧道封堵地下水便会承受巨大水压力,尤其是深埋岩溶长隧道,水压力往往高达若干兆帕,使衬砌难以承受。因此,确定隧道外水压力成为设计中的一个关键问题。在"以堵为主,防排结合"中"堵"是控制流量,而"排"则是减小作用在衬砌结构上水压力的主要手段。一方面在衬砌背后设置排导系统,用以消减水压力;另一方面采用地层注浆来控制地下水排放流量。就此根据公式导出水压力、排水量与注浆圈三者之间的关系。     

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。     

高铁双线隧道预制拼装衬砌设计选型

开展高速铁路350km/h双线隧道预制装配式衬砌选型研究,采用有限元计算软件,基于“荷载-结构”模型分析了不同围岩压力条件下整体衬砌内力特征,在此基础上,考虑尽量减少改变原衬砌受力型式,在整体衬砌对应的弯矩小位置处将衬砌结构分为8个部分,分析了III、IV、V级围岩荷载下围岩压力与接头刚度条件下分块拼装结构的受力与变形特征,相对于整体衬砌结构,预制装配式衬砌结构在最大轴力分别增加0.3%、0.3%、0.4%;最大弯矩分别分别增加17.4%、11.7%、1.3%;最大横向位移分别增加175.0%、150.7%、108.6%;最大垂向位移分别增加6.1%、5.3%、2%;装配式衬砌安全系数较整体衬砌安全系数整体略有增加,均满足规范要求,接头刚度对衬砌安选系数影响不大。     

海底隧道施工过程中初期支护受力特征试验研究

以厦门翔安海底隧道为依托工程,采用相似模型试验方式,研究在海水渗流场和围岩应力场共同作用下,隧道施工过程和变水头过程中,衬砌背后水压力的分布规律及受力特征.研究结果表明,隧道施工期间,在水土压共同作用下,隧道开挖对前方土体的影响范围约为2倍洞径,隧道开挖过后约1倍洞径,初期支护背后水压及应力趋于稳定;在变水头过程中,控制水的排放量对调整初期支护背后水压,保证隧道结构的安全起至关重要作用.试验所得结论与现场情况基本一致.     

黄土公路隧道衬砌开裂分析

衬砌开裂是黄土公路隧道普遍存在的病害。为了预防和处治衬砌开裂,保证黄土隧道结构的长期稳定性,针对甘肃省榆中县新庄岭黄土公路隧道衬砌开裂的病害特征,运用数值仿真、实测等手段分析了病害产生的机理和原因。结果表明,黄土浸水导致土体强度降低、变形增大,从而增大了围岩塑性区范围和变形压力,恶化了衬砌结构受力状况,使衬砌结构拱顶内侧及拱脚外侧被拉裂,进而使拱脚内侧被压裂。根据隧道病害状况,提出了采用环氧树脂嵌补及凿槽嵌入钢拱架法处治衬砌开裂的建议,为分析和处治黄土公路隧道衬砌开裂提供了依据。     

隐伏岩溶区小净距隧道爆破振动规律

为研究隐伏岩溶区小净距隧道开挖及爆破振动对施工安全的影响规律,以贵州省里平II号隧道工程为依托,以隐伏岩溶区小净距隧道为研究对象,通过LS-DYNA对不同工况进行数值模拟及分析,得到了爆破振动效应下围岩的应力分布和位移变化情况,总结了隧道爆破地震波沿隧道轴向及衬砌环向的速度衰减规律,分析了振动速度峰值随溶洞直径大小及溶洞隧道距离大小的变化规律。研究结果表明：当溶洞直径一定时,围岩竖向位移、隧道拱顶监测点振动速度峰值随着溶洞与隧道之间距离的增大而减小;当溶洞与隧道之间的距离一定时,围岩竖向位移、隧道拱顶监测点振动速度峰值随溶洞直径的增大而减小;里平II号隧道中溶洞直径为2m且溶洞与隧道之间的距离为3m时,先行洞初衬最大主应力超出了混凝土抗拉强度,故爆破开挖前应对该位置进行加固处理,确保施工安全。可见,其分析结果可为指导隐伏岩溶区小净距隧道爆破施工提供可靠依据。     

富水区衬砌-围岩接触关系对外水压力影响研究

结合某大型富水区深埋隧洞工程,基于ABAQUS采用有限元分析法,通过调整过渡层渗透系数模拟围岩与隧洞之间的接触紧密程度,计算衬砌结构的受力特性,并结合规范中的外水压力折减系数法,提出合适的衬砌-围岩折减系数.结果表明:在主要考虑外水压力情况下通过调整过渡层单元的渗透系数来模拟衬砌与围岩的接触关系是合适的,围岩与衬砌的接触关系对于衬砌结构的受力有显著影响;当过渡层渗透系数增大到某一范围时,对衬砌受力影响逐渐变得不再敏感,此时基本处在衬砌与围岩之间有渗水通道的状态.当渗水通道存在时,计算外水压力时可以取折减系数在0.870左右.     

盾构隧道管片结构承载能力评估方法研究

承载性能是盾构隧道管片衬砌结构重要的力学特性之一，其准确评估是保障结构受力安全的关键，然而目前尚无成熟的评价方法。首先基于管片衬砌结构中管片和管片接头的受力及变形特征，建立了基于管片承载力和管片接头承载力的管片衬砌结构承载性能评估方法，提出了管片衬砌结构承载性能评估指标，然后分别开展了单环和组合环管片衬砌结构破坏加载原型试验对所提出的方法进行检验，最后结合现场实测对实际工程中管片衬砌结构的承载状态进行了定量评估和分析。研究结果表明：单环结构破坏试验中，管片接头破坏现象更为明显，其先于管片达到抗弯承载力极限值，组合环结构破坏试验中，管片破坏现象更为明显，其先于管片接头达到抗弯承载力极限值；单环和组合环管片结构试验中，结构破坏与理论计算方法中管片或接头达到承载力极限的荷载一致，表明所提出的结构承载状态评估方法是合理的；所选取监测断面管片结构中管片和接头的承载安全系数分别为4.27和4.86，可见其承载状态良好。该研究方法和结论可为类似盾构隧道管片结构承载安全评估提供重要支撑。     

考虑复合衬砌层间接触效应的衬砌结构力学特征

为了研究防水板对复合式衬砌结构力学特征的影响机制,以实际工程为依托,采用FLAC^3D有限差分软件内置的Interface接触面单元模拟防水板引起的层间接触效应,建立数值仿真模型并与荷载结构模型进行对比,分析了二衬在不同排水率下的内力及形变特征,并探究了二衬各设计因素对其安全性的影响规律。结果表明：在初支与二衬间设置接触面单元来模拟防水板引起层间接触作用的地层结构模型可靠性较高;防水板的存在导致初支与二衬无法协同受力,复合衬砌层间出现应力突变现象,二衬具有挤压或脱离初支的形变特征,且受挤压部位的层间界面将产生错动滑移;依托隧道断面最小安全排水率为0.66,隧道排水率低于0.8时衬砌最不利截面均位于拱脚附近;相比于增大二衬厚度或混凝土强度等级,优化衬砌结构断面形状更能提高其水压承载能力,且优化衬砌断面形状后的二衬通过增大厚度或混凝土强度来提高其水压承载能力的效果高于优化前。