城际铁路双轨道列车盾构隧道振动响应分析

针对首例城际铁路双轨道大直径盾构隧道(外径12.4 m、管片衬砌厚0.55 m)下穿南水北调中线总干渠工程实例,建立有限元数值分析模型,分析了列车行驶振动荷载对隧道衬砌结构和渠底的振动响应规律.采用激振力函数综合考虑行车平稳性、动力附加轮毂和波形磨耗等因素模拟列车振动荷载,变换轨道不平顺值由0.40 mm增至1.00 mm,列车运行工况按单列车单向行驶和双列车对向行驶,列车设计时速200 km/h.研究表明:双列车对向行驶对隧道衬砌混凝土应力和渠底面位移的影响较大,轨道不平顺值对隧道衬砌混凝土应力影响较大,但对渠底面位移影响很小.研究成果为盾构隧道和南水北调中线总干渠安全运营和维护管理的决策提供了研究依据.     

拱顶背后空洞影响下非对称连拱隧道结构裂损规律

通过数值模拟和模型试验,研究非对称连拱隧道拱顶背后空洞对衬砌结构裂损规律的影响。研究结果表明:1)中墙墙脚外侧是非对称连拱隧道的薄弱位置,无论空洞是否存在,衬砌结构均首先于中墙墙脚外侧发生开裂;2)拱顶背后空洞的存在导致结构裂损规律更加复杂,空洞附近产生多处开裂,并呈现出明显的非对称性,无空洞侧隧道裂损情况加剧,尤其是拱顶以及拱顶与中墙连接带;3)空洞位于大洞径一侧隧道拱顶时,对两侧隧道裂损情况均有较大影响,而空洞位于小洞径一侧时,对无空洞侧隧道裂损情况影响较小;4)空洞范围越大,对非对称连拱隧道结构裂损规律影响越显著,同等荷载条件下结构的裂损程度也更加严重;5)拱顶空洞改变了衬砌表面围岩压力的分布形式,导致拱顶附近区域产生应力集中现象,与结构裂损情况密切相关。     

桩基施工对邻近既有隧道扰动影响

为防范桩基施工过程产生的冲击载荷对邻近隧道衬砌结构产生振动变形、应力破坏等不利影响,首先,针对某码头工程在施工载荷作用下动力响应,结合实际工程地质条件构建"桩基-土层-隧道"三维动力有限元模型;然后,为验证模型的可靠性,模拟打桩对隧道衬砌结构的影响,并与实测数据对比分析验证地表速度振动峰值;最后,结合实际工程,基于验证后的模型,研究不同土层、土层与衬砌交界面处应力波的反射与散射作用,分析不同深度和不同距离工况条件下,桩基施工对隧道衬砌结构的动力响应.研究结果表明:隧道截面最不利的振动部位位于衬砌结构靠近桩位一侧的上1/4弧段,该区域所受冲击作用最明显;当桩底与隧道中心相对距离比较近时,衬砌结构所受到的冲击影响最大,而当桩底已超过隧道埋深,打桩产生的冲击对隧道衬砌作用影响逐渐减弱;打桩与隧道间隔距离越远,随着冲击载荷传播距离增大,其能量衰减越大,对隧道衬砌造成的影响越小.     

地铁下穿既有铁路桥的爆破动力响应分析

以大连地铁2号线208标马湾区间浅埋暗挖隧道下穿魏台桥特殊地段为研究对象,通过三维有限元程序仿真模拟以及工程现场动态监测对比,研究爆破振动对既有构筑物的动力响应问题。研究结果表明:爆破地震波振动速度峰值在距爆源较近区域的衰减速度远大于爆源远区,同时沿深度方向的衰减速度大于水平方向;爆破地震波在构筑物中会出现两次或多次峰值振速,说明爆破冲击波具有强烈的多次反射性,对结构的破坏性也较大;不同深度处的监测点其振速达到峰值的时间和峰值大小均不同,越靠近爆源,受扰动的峰值越大,时间越短;近距离爆破会对既有隧道衬砌安全性产生很大影响,在既有隧道衬砌迎爆侧拱腰部位为薄弱区。     

列车振动荷载对邻近深基坑的既有站变形影响

通过模拟的轮轨激振荷载 ,分析新建的平行换乘车站深基坑开挖过程中 ,既有车站结构的动力响应 .分析认为 :在换乘站基坑开挖过程中 ,由列车动荷载引起的既有车站结构位移在允许值的 7%范围以内 ;车振荷载主要引起连续墙的竖向振动加速度 ,但基坑开挖后 ,竖向振动加速度变化不大 ,而水平振动加速度幅值有较大增长 .     

深基坑内支撑调节对邻近隧道受力特性相互影响规律试验研究

现有基坑近接隧道施工的保护措施多为加强支护刚度或采用轴力伺服系统以减小围护结构变形,未能深入考虑支撑伸缩调控下基坑-隧道的受力特性。为了明确基坑开挖施工对邻近既有隧道影响以及可调节内支撑伸缩对“基坑-隧道”受力特性的影响规律,开展了砂土地基中“基坑-隧道”相互影响的室内模型试验研究。获得了隧道的内力、周围土压力、隧道上部地表沉降、地连墙变形、墙背土压力等变化规律。研究结果表明：深基坑开挖施工过程中,隧道呈现上下压缩、左右拉伸的趋势。临近基坑一侧的土压力减小迅速,远离基坑一侧的土压力表现为增大。周边地表沉降呈碟形。内支撑主动伸缩调控下,基坑下部支撑伸缩引起的隧道弯矩变化量大于调控上部支撑,同时伸缩三道支撑时影响最大。支撑缩短时,隧道拱顶、拱底弯矩值正向增大,拱腰弯矩值反向增大。支撑伸长时,拱顶、拱底弯矩值减小,拱腰弯矩值增大。支撑伸缩对隧道拱腰水平土压力影响明显,对拱顶和拱底竖向土压力影响微弱。     

列车动载作用下复杂岩溶隧道受力特性分析

论述了隧道衬砌-围岩系统动力分析的理论及计算方法,采用激振函数模拟列车竖向移动荷载,建立岩溶段连拱隧道的三维有限差分计算模型,分析了拱梁和直梁两种不同溶腔跨越方案中隧道结构变形和受力特性的差异.计算结果表明,两种不同跨越方式下隧道衬砌结构受力变形均满足规范要求.就跨越梁结构本身的受力特性而言,拱梁结构略有优势;但从施工安全性和经济性角度综合考虑,推荐采用直梁跨越方案.     

扁平超大断面隧道的施工力学特征及其动力稳定性分析

针对超大断面小近距隧道支护设计中的围岩压力分布、位移变形特征问题,以牛寨山双洞八车道公路隧道为研究对象,建立了考虑工程实际地形、工程地质的三维有限元模型,开展了隧道开挖的施工力学形态数值模拟分析,得到了隧道施工过程中隧道围岩变形规律,探讨了小净距大断面隧道近接施工的影响规律.结果表明,小净距大断面隧道所表现出来的施工力学特性复杂,由于偏压的影响,围岩整体水平位移呈非对称分布,最大水平位移发生在南线隧道拱肩处,隧道拱顶下沉最大值发生在先行洞,隧道仰拱处隆起较大;应力集中在两洞仰拱和拱脚处.在此基础上,开展了隧道开挖后的动力有限元计算,分析了洞口段地震力作用下的动力响应,评价了其动力稳定性.计算结果可为优化设计、指导隧道施工以及为隧道稳定性和支护结构安全性评价提供参考.     

山岭隧道洞口段衬砌结构地震响应数值分析

隧道洞口段由于所处地质环境较差,是山岭隧道最容易失稳的部位之一。特别地,地质条件对隧道稳定性的不利影响会在地震过程被进一步放大。基于混凝土塑性损伤模型,建立隧道-围岩系统三维非线性有限元模型,采用该模型对横琴长湾隧道洞口段结构进行地震响应过程分析。结果显示:距离洞口越近,衬砌结构的位移响应越大;衬砌拱肩和拱腰的最大主应力峰值明显大于其他部位,并且拉裂破坏是衬砌结构主要破坏模式;损伤区主要分布在距离洞口70 m范围内,并且距离洞口越近,衬砌结构的损伤系数越大;衬砌结构的拱肩和拱腰是其抗震的薄弱部位。     

机动车辆荷载对空间交叉隧道结构动力影响

为研究机动车辆荷载作用下空间交叉隧道结构动力响应特性,以杭温高铁梧坞隧道与义东高速西甑山公路隧道交叉段为工程背景,建立了交叉隧道三维动力计算模型,利用ABAQUS子程序模拟机动车辆在公路隧道内行驶,得到行车公路隧道、相邻侧公路隧道、上跨高铁隧道在机动车辆荷载作用下的加速度、位移、应力动力响应特性,并通过计算行车过程中监测截面每一时刻的安全系数分析了各隧道衬砌结构安全度变化规律。结果表明：机动车辆荷载对行车隧道自身影响较大,影响主要集中在行车位置下方区域,车辆通过时拱顶处安全度降低最为显著;对于上跨高铁隧道和相邻公路隧道,行车公路隧道内的机动车辆荷载对其影响整体较小,且其影响程度与近接距离密切相关;相邻侧公路隧道响应主要集中在与行车隧道的相邻一侧,右方隧道行车时其仰拱中心的安全度降低最明显;上跨高铁隧道响应主要集中在隧道仰拱位置,下方隧道行车时其左拱脚处的安全度降低最多。研究结果可为空间交叉隧道、城市地铁等地下工程的日常运营监测提供依据,并为类似空间交叉隧道工程的设计优化提供参考。     

盾构下穿及列车荷载作用下既有高铁桥梁动力响应分析

为研究盾构下穿时,列车荷载作用下既有高铁桥梁动力响应。以盾构下穿某高速铁路简支梁桥为工程背景,运用有限元软件Midas/GTS建立盾构隧道先后下穿高铁桥梁模型,分析盾构下穿时列车荷载作用下高速铁路简支桥梁动力响应。首先分析了当盾构开挖至桥梁近侧,列车以不同速度200～350 km/h、不同轴重110～220 kN运行时对高速铁路简支梁桥墩顶沉降的影响。接着探讨在不同开挖阶段,速度200 km/h、轴重110 kN的列车动荷载冲击下高铁桥梁墩台顶变形规律。结果表明：盾构开挖至桥梁近侧时,不同速度、轴重列车荷载冲击下,高铁桥梁墩台顶的变形规律基本一致,其沉降在一定时间达到峰值,其后逐渐回升并稳定在某一波动范围内;随着列车速度与轴重的增加,墩台顶沉降峰值越大;盾构开挖时,列车时速低于200 km/h、轴重小于110 kN时其墩台顶沉降峰值当满足高铁桥梁单墩顶竖向沉降控制标准,与列车速度相比,列车轴重对桥梁的动力响应影响更大;列车动荷载作用下,盾构隧道开挖对高铁桥梁墩顶变形的影响主要为盾构开挖至桥梁近侧的初开挖阶段,盾构开挖远离桥侧后墩顶变形基本处于稳定状态。     

等效荷载法在超大断面公路隧道爆破数值计算中的适用性

为了探究选取最优的计算方法研究超大断面公路隧道爆破施工对先后行隧道的影响,分别采用流固耦合法、初始体积分数法和等效荷载法建立单孔爆破有限元模型模拟单孔耦合装药情况下的爆破过程,从岩体破碎效果、计算效率等方面对比选定等效荷载法为最优的计算方法,并建立隧道数值模型应用等效荷载法计算研究后行隧道爆破对先后行隧道结构的影响,结果表明：（1）后行隧道爆破施工时先行隧道综合振速显著区域出现在隧道掘进方向上,逆隧道掘进方向隧道衬砌动力响应程度较小;（2）先行隧道受影响最大位置为迎爆侧右边墙,影响最小位置出现在背爆侧左拱脚;（3）后行隧道监测断面振速最大值出现在左拱腰位置,施工时要重点监测。     

深埋隧道大超挖围岩力学响应分析

隧道爆破开挖过程中的超欠挖问题是隧道工程中普遍存在的现象,大超挖问题严重影响了隧道工程的造价投资及安全使用。本文以某隧道工程为例,利用数值模拟的方法,研究了隧道埋深和超挖厚度对围岩力学响应的影响规律。研究表明,在不同埋深条件下,围岩最小等效应力出现在拱顶位置,最大等效应力出现在拱脚位置。隧道拱顶位置的变形量最大,拱脚位置的变形量最小。相同超挖厚度对应的等效应力值随隧道埋深的增加而增大;相同位置围岩的变形量随埋深的增加而增大。另外,超挖厚度对围岩的力学响应影响较小,隧道埋深对围岩等效应力的影响较大。本研究成果可为同类工程提供借鉴。     

不同加固方式下的软硬过渡段隧道基底受列车动载影响规律

在高速铁路列车动载作用下,隧道穿越软硬岩过渡段时易使隧道结构发生损害,而对于此类工程的动力研究及相关减隔振措施还鲜有涉及。鉴于此,依托广湛铁路相思山隧道工程实例,采用数值计算方法,对比分析无加固以及不同桩板结构加固下隧道穿越软硬岩过渡段时结构的动力响应特性。研究结果表明：在列车荷载作用下,位于交界面软岩侧隧道结构的加速度、动位移和动应力响应与硬岩侧隧道结构的动力响应差异很大,导致隧道交界面附近过渡效果较差,不利于结构的稳定。经三种不同桩板结构加固后,软岩段的隧道结构的动力响应有所减小,且与硬岩段隧道结构的动力响应更接近,过渡效果十分显著。在对比之下,桩板结构1(即承载板+托板+钻孔桩)的减振作用与过渡效果最佳。     

竖井工法开挖深基坑对下卧既有隧道上浮变形的控制

基坑开挖卸荷将改变地应力平衡状态,位于基坑正下方的地铁隧道将随基底一定深度范围内土层回弹而发生上浮变形。本文结合深圳地铁11号线正上方某采用竖井工法开挖的基坑工程为例,通过建立三维有限元模型分析下卧地铁隧道随竖井开挖过程的变形规律及竖井工法保护机制。结果表明：基坑开挖对下卧地铁隧道竖向卸荷作用显著,采用竖井工法能有效减缓隧道上浮趋势,减小最终上浮量;隧道纵向变形呈双峰形态,纵向变形曲率半径未超过规定值;隧道横截面随开挖过程而发生两侧拱腰压缩、拱顶与拱底之间拉伸的变形趋势,附加弯矩随开挖卸载率增大而逐渐减小,最大附加弯矩位于拱顶附近;竖井工法能减小基底土层的扰动程度,有效抑制基底土体以及隧道围土塑性区发展深度和面积,从而有效控制下卧地铁隧道的隆起量。     

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。     

大断面高含水率黄土隧道数值计算分析

针对宝兰线大断面高含水率黄土隧道施工,通过对不同埋深及不同含水率情况下的进尺、开挖步序、核心土长度、竖撑形式、封闭距离等工况进行数值计算。通过变形结果对比分析可知：在黄土隧道中,随着开挖进尺长度的增加,拱顶及拱脚沉降量也相应增大,但增加的幅度有限,低含水率下的开挖变形受进尺影响较高含水率更为明显;核心土对控制变形非常明显,在高含水率中效果更为明显;核心土长度为5m时,对沉降控制最为有利,能够减小沉降10%~20%,其中含水量越高越明显,核心土长度大于5m后,对控制变形的作用将减小;竖撑形式对沉降的控制作用与埋深关系不大,竖撑减小沉降的作用随着含水率的增加更为明显;仰拱封闭距离对沉降影响非常大,随着仰拱封闭距离的增加,沉降量显著增大,对于黄土隧道,尤其是高含水量的黄土隧道,早封闭对控制沉降变形极为有利。     

隧道与前方大型溶洞应力集中叠加效应

在陆家寨岩溶隧道施工期间,曾预报并揭露大型溶洞,施工过程中接近溶腔段围岩变形较大且伴随围岩块体脱落,给隧道施工带来极大的安全隐患。基于深埋球形洞室的弹塑性二次应力分布,结合新奥法隧道施工理念,利用FLAC3D模拟隧道开挖接近并进入大型溶洞的过程。在自重应力场下分析不同大小的球形洞室周围应力场对隧道围岩变形的影响。结果表明:球形洞室会在周围形成中心半径为1. 5倍洞室半径的应力集中带;隧道开挖接近应力集中带时,将引起隧道前方应力集中区与溶洞应力集中带的叠加;随着隧道继续开挖,叠加效应在下一个进尺完成后失效;分布在隧道两侧围岩,该叠加再分散的过程会造成拱顶、拱肩的变形增大,影响隧道开挖的安全。研究为中国岩溶隧道的建设有重要的参考和借鉴价值。     

基于隧道“无人化”立拱动态施工的围岩变形

为了更好地服务于新乌鞘岭隧道"无人化"立拱施工的需要,确定围岩在动态施工中的变形规律具有重要意义。通过对现场监测数据进行统计回归分析,在文献的研究基础上给出了围岩拱顶沉降在动态施工中的解析解。结合FLAC^3D专业岩土数值分析软件,验证了数值模型的正确性,同时模拟了围岩在真实时间下的施工力学响应,得到了立拱断面中拱顶与两侧拱脚在隧道开挖、立拱以及喷射混凝土等过程中的变形规律,以期为后续的新乌鞘岭隧道"无人化"立拱专项研究提供基础。