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。     

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。     

基于应变非线性软化的海底隧道围岩力学特性

采用弹性、峰后具有拐点的应变非线性软化本构模型,且同时考虑中主应力效应,在海水渗流和不同排水工况下,对海底隧道围岩弹塑性区应力分布规律、围岩与支护之间作用关系以及最小支护阻力进行研究,分析海水压力、上覆岩层厚度、有效孔隙度对围岩力学特性的影响,提H{渗流作用下隧道围岩稳定的海水压力临界值的概念,并绘制围岩(支护)特性曲线.研究结果表明:海底隧道排水越充分,围岩有效孔隙度越大,则塑性区开展范围越大,且递增幅度较大,围岩(支护)特性曲线也不同;当隧道埋深较浅时,在隧道周围只形成塑性区域,只有当埋深进一步加大时,才可能形成松弛区域.     

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。     

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.     

盾构施工对黄土地层的扰动及管片衬砌受荷特征

为探明黄土地层中地铁盾构隧道施工对地层的扰动以及管片衬砌结构承受荷载的特征,依托西安地铁2号线穿越黄土地层盾构隧道工程,采用颗粒离散元方法从细观层面对盾构施工引起的地层应力变化及开挖面失稳形态进行模拟分析,同时对实际作用在管片衬砌结构上的土压力和主体结构内力(轴力、弯矩)进行现场动态跟踪测试,分析盾构动态施工过程及后期稳定后的土压力对管片衬砌结构受力的影响.研究结果表明:临空面的产生导致隧道拱顶及两侧部分水平应力和垂直应力发生显著变化.管片衬砌结构内力受施工参数影响明显,尤其是千斤顶推力和注浆压力.     

泥质页岩偏压隧道支护结构受力特征研究

为了研究中国西南地区泥质页岩地层修建隧道时所存在的围岩大变形、初期支护偏压破坏等现象,依托中老铁路玉溪至磨憨段曼木树隧道为工程背景,通过现场监测和数值模拟相结合的方法对泥质页岩偏压段的围岩变形、围岩压力和钢拱架应力进行研究,探讨支护结构的受力特征.研究结果表明:上台阶开挖后的变形占总变形量的80％,最大变形位置为左侧拱腰处;围岩压力和钢拱架应力呈现明显的"上大下小"和"左大右小"的空间分布特点,围岩压力最大值为386.4 kPa,钢拱架应力最大值为174.2 MPa;模拟结果与实测结果变化趋势接近,具有明显的偏压特征,左侧拱腰位置偏于危险.研究成果可为泥质页岩地层下隧道的设计和施工提供参考.     

热力隧道在非降水施工中的力学特性监测

城市热力供水工程逐渐由近地层明挖向深地层暗挖转移,通过对北京市两个典型地质热力隧道的现场原位的监测,分析浅埋暗挖热力隧道在非降水施工过程中对于砂卵石地质和粉质黏土地质条件下的初支结构内力、围岩性状、水文特征的变化及对地层的影响.试验监测结果表明,隧道围岩的土压力分布不同,水压力分布相同,初衬钢筋内力分布不同,砂卵石地质条件下的隧道初衬受力情况较好,隧道开挖对地表沉降影响较小,研究结果可在开挖城市供热、供水及供气等小断面隧道时参考.     

上覆薄煤层采空区公路隧道开挖稳定性试验研究

隧道下穿煤层采空区施工将对周围地层产生扰动,影响隧道围岩及初期支护的稳定性.进行了上覆薄煤层采空区隧道开挖的室内相似模型试验,试验中通过测量隧道开挖过程中采空区地层、隧道拱顶的沉降及初期支护内力等参数,对上下台阶法和单侧壁导坑法进行了对比分析.测试结果表明,隧道开挖引起的采空区地层沉降受开挖方法的影响显著,上下台阶法开挖引起的采空区地层沉降高于单侧壁导坑法,沉降槽曲线较陡、沉降范围更宽.两种开挖方法中,围岩压力的最大值均位于右拱脚处,钢拱架最大弯矩出现在拱脚处,最大轴力位于拱腰或拱肩处.其它条件相同时,采用单侧壁导坑法开挖时初期支护背后的围岩压力、钢拱架内力和偏心距等普遍大于上下台阶法开挖.研究表明在隧道下穿倾斜煤层采空区施工时,采用单侧壁导坑法开挖可以显著减小对采空区地层及围岩的扰动,但同时需增强初期支护的刚度,确保围岩及隧道结构的整体稳定性.     

临近溶腔内压对隧道初支稳定性影响的模型试验

部分未经处理溶腔填充物复杂且受季节性、突发性降雨影响,溶腔内压增大会影响临近隧道结构稳定性,易导致施做后的初支结构失稳.以某三车道公路隧道为依托,开展了隧道开挖后承压溶腔对初支力学行为影响的模型试验.试验中逐级增加溶腔内压,测试了隧道洞周位移、初期支护内力及背后围岩压力的变化特征,研究承压溶腔位置及内压对隧道初支稳定性的影响.试验结果表明:隧道临近溶腔处洞周位移随溶腔内压增大而变大,达到临界内压时突然增大;承压溶腔内压增大显著增大了钢拱架临近溶腔测点处的弯矩,使钢拱架轴力水平整体提升;同时增大了临近溶腔位置处及墙角处初期支护背后围岩压力,造成初支受力不均匀.洞周位移发生突然增大、钢拱架在轴力和弯矩共同作用下达到屈服强度时,初期支护结构失稳.在试验设定的溶腔尺寸及间距下,仰拱处存在溶腔时,内压增大,隧道初期支护最先失稳.     

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。     

高水位隧道衬砌临界水头数值计算

选取2种典型隧道断面,对其所能承受的极限水头值进行分析。计算结果表明:1对设计时速250 km/h的客专双线隧道,当衬砌厚度分别为t=30 cm、50 cm时,素混凝土衬砌均不能承担任何水压力荷载,C30钢筋混凝土衬砌能承受的极限水位分别为11.2 m、34.2 m;2对设计时速200 km/h的单线铁路隧道,当衬砌厚度分别为30 cm、50 cm、60 cm时,素混凝土衬砌能承受的极限水头分别为0 m、1.0 m、5.5 m,C30钢筋混凝土衬砌能承受的极限水头分别为26.0 m、55.2 m、73.5 m;3隧道形状对所承受的极限水头值有较大的影响,单线铁路隧道比客专双线隧道更有利于承受水压力;4对于高水位隧道,应该采取"以堵为主,限量排放"的措施,降低衬砌水压力,使设计既安全又经济。     

计算隧道排水量及衬砌外水压力的一种简化方法

针对山区高水位隧道建立了研究隧道排水量及衬砌外水压力的简化模型,经过理论推导得出隧道排水量以及衬砌、注浆加固圈外水压力的解析公式,并将其应用于圆梁山隧道涌水量预测及排水量与衬砌水压关系研究.研究结果表明,随着隧道排水量的增加,衬砌水压减小,只有在考虑衬砌的排水性能即采取排水措施时才能发挥注浆加固圈对渗透水压的衰减作用,所得结论对于山区高水位隧道设计具有一定指导作用.     

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。     

隧道渗流引起的孔压变化及地层和隧道沉降

基于复变函数的映射变换,在考虑衬砌作用的前提下,推导了稳定渗流时浅埋隧道周围土体中孔隙水压力分布、地层和隧道长期沉降的解析表达式,并将其运用到上海地铁盾构隧道中,重点分析了不同渗流条件下的孔隙水压力分布及地层和隧道长期沉降发展规律.研究表明,土体与衬砌的相对渗透系数对隧道和地层沉降发展影响显著,不同相对渗透系数引起的渗流量不同,渗漏量不同是影响隧道周围孔压分布及沉降发展的关键因素;地表和隧道的沉降随渗流量的增加线性增加,因此在盾构隧道运营期间,应加强对隧道渗漏水的检测,及时采取补漏措施.     

突加集中荷载作用下饱和土-深埋圆形隧道衬砌系统的非轴对称动力响应

考虑饱和土与深埋圆形衬砌的相互作用, 研究了突加集中荷载作用下饱和土-衬砌系统的非轴对称动力响应. 基于Biot理论和弹性理论, 采用Laplace变换和Fourier级数, 考虑衬砌边界条件以及衬砌与饱和土交界面处的连续性条件, 在Laplace变换域内求得突加集中荷载作用下饱和土-弹性衬砌耦合系统的位移、应力和孔隙水压力等的解析表达式. 利用Laplace逆变换Crump数值反演方法得到饱和土-衬砌系统动力响应的数值解, 并分析了土体和衬砌系统的力学、几何等参数对系统动力响应的影响. 结果表明: 5倍隧道衬砌半径以外处土体的动力响应远小于隧道附近土体的动力响应; 衬砌刚度和厚度对土体位移和应力影响显著, 但对孔隙水压力影响较小; 孔隙水的可压缩性对土体位移的幅值影响不大, 但对应力幅值的影响较为显著.     

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。     

地裂缝隧道衬砌结构与围岩相互作用机理

针对台凹型活动地裂缝正交区间隧道,通过有限差分数值方法模拟地裂缝区间隧道的开挖施工、分缝衬砌结构与地裂缝上下盘之间相对错动,从地表和衬砌的沉降位移、围岩位移场、围岩土压力以及衬砌结构内力方面分析了隧道结构与围岩的变化特征.结果表明：台凹型活动地裂缝不均匀变形主要发生在上盘内地裂缝一定范围的地层内;分缝衬砌结构端部的拱顶土压力呈现出集中增大和减小的变化特征,上盘内地裂缝附近仰拱底的土压力出现松弛;变形缝两侧衬砌结构的端部出现轴向应力集中现象.分缝衬砌结构一方面能够适应地裂缝错动位移,避免结构内力过大而引起强度破坏;另一方面,能够抑制地层的不均匀沉降变形,使得地裂缝处变形缝两侧衬砌结构的相对位移减小,并改善地裂缝区间隧道的运行条件.     

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。     

越岭浅埋偏压隧道支护系统承载特性分析

从地理、地形及地质等方面,剖析了西南山区浅埋偏压隧道的建造环境,针对该类隧道介质参数、荷载的多变性及其衬砌结构力学传递机制的复杂性,基于衬砌结构稳定的强度和变形控制原理,研究了应力和位移双重等效的隧道介质参数反分析模型及其优化算法,并理顺了其实施操作程序.然后提炼出偏压隧道承载结构承载特性的表征参数及非均衡性刻画指标.最后以有限元数值方法为手段,研究了某隧道浅埋偏压段支护体系的力学响应,从中总结出浅埋偏压隧道支护结构的承载特征,为类似工程设计和施工控制措施提供指导.