岩溶段连拱隧道列车振动响应及地基累积变形

采用动力有限差分数值计算方法,针对列车荷载作用下,宜万铁路白云山隧道穿越大型溶腔段连拱隧道结构动力响应问题进行计算分析,并进一步基于Dingqing Li塑性应变模型,探讨列车长期反复荷载作用下岩溶地基的累积沉降变形计算方法。研究结果表明:穿越大型溶腔的白云山隧道连拱结构段,各典型位置受列车荷载振动影响不明显,最大拉压应力峰值和位移变形均小于结构材料的设计值和正常使用允许值;隧底岩溶地基在列车长期荷载反复作用100 a后,累积塑性变形小于20 mm,能够满足列车高速运行对线路平顺性的要求,不会对列车长期运营造成破坏性影响。     

钢管桩施工对邻近既有隧道的动力响应分析

为了分析在打桩振动作用下既有隧道的动力响应,在验证某工程实际的基础上,采用有限元软件基于桩–土–隧道动力相互作用模型,对打桩施工引起邻近既有隧道的响应问题进行数值计算,分析在不同打桩距离情况下既有隧道的振动速度、最大总位移和弯矩响应及规律。建议打桩施工过程中加强既有隧道打桩侧1/4拱的振动监测,加强既有隧道拱顶的总位移监测,打桩施工前判断是否对既有隧道打桩侧起拱线附近进行加固处理,为类似实际工程问题提供参考。     

地震作用下岩体结构及岩性对高陡岩质边坡动力响应特征的影响

为研究岩体结构及岩性对高陡岩质边坡地震响应特征的影响,该文建立了均质软/硬岩边坡、层状软/硬岩边坡4个数值模型,采用有限元方法进行动力分析。通过分析边坡的动力加速度放大系数(M_PGA),研究岩体结构及岩性对坡内波传播特征及其动力放大效应的影响。研究结果表明:岩体结构及岩性对坡内的波传播特征具有影响,软弱夹层使波在地震坡内出现了局部放大效应;相同条件下软岩边坡的动力放大效应大于硬岩边坡,与岩体结构相比岩性对边坡动力响应影响更显著,与均质边坡相比岩性对层状边坡的地震放大效应影响更大,均质软岩与均质硬岩边坡的M_PGA比值小于层状软岩与层状硬岩边坡的M_PGA比值;软硬岩边坡均表现出一定的高程及趋表放大效应,与均质边坡相比层状边坡的高程放大效应具有明显的非线性变化特征;软弱夹层对边坡的动力放大效应具有影响,层状边坡的动力放大效应大于均质边坡。     

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.     

滑坡区域既有隧道桩索联合加固体系模型试验研究

目前,国内外学者针对隧道开挖引起的滑坡体变形影响研究较多,而针对山体滑坡作用下运营隧道结构的受力变形及加固措施研究较少.基于此,提出隧道垂直穿越滑坡工况下既有隧道桩索联合加固体系,即将抗滑桩、锚索及隧道衬砌联成一体,这与传统的隧道加固与滑坡体治理分开研究有很大不同,然而由于其理论研究远滞后于工程实践,限制了在工程实践中的推广应用.为研究山体滑坡区域既有隧道桩索联合加固措施下的力学作用机制,建立了既有隧道走向与滑坡体垂直时3种工况下的地质力学模型试验,分别在无加固、抗滑桩加固及桩索联合加固措施下针对滑坡体与隧道结构的相互作用规律进行分析.试验结果发现,采取加固措施后,测试数据发生明显变化,特别是在桩索联合加固体系中,即隧道、抗滑桩、锚索形成新的结构体系具有更高的承载能力和稳定性,能进一步提高既有隧道的运营安全.该成果可为山区隧道穿越滑坡体的后期加固提供一定的理论依据.     

近断层地震下城市隧道动力响应与衬砌选型

为掌握不同形式隧道结构在近断层地震下动力响应特性,同时给隧道衬砌选型提供依据。以乌鲁木齐轨道交通2号线穿越九家湾近断层为背景,通过建立马蹄形和箱型曲拱隧道结构的三维动力分析模型,施加人工合成的地震波,对比两种结构形式在近断层地震作用下位移、速度、应力响应特性及安全储备,明确其动力响应特性。结果表明：两种衬砌结构在近断层地震作用下均保持完整,但箱型曲拱结构速度峰值及位移幅值略大;地震作用下隧道衬砌结构各部位速度响应基本一致,且主要取决于地震动特性;对于穿越断层破碎带的衬砌结构,其地震作用下的应力响应明显增加,破碎围岩对地震动效应有放大作用;两种衬砌形式在地震作用下的安全性能均满足要求,实际工程中应结合适应性条件合理选用。     

地面列车动荷载对下穿隧道影响的动力学响应分析

以青岛地铁下穿胶济铁路为研究背景,应用隧道结构的动力有限元数值分析方法,对列车动荷载作用下隧道结构-地层体系的动力响应进行三维数值模拟。分析了单列列车动荷载、两列列车动荷载同向及相向三种工况下,隧道结构-地层体系的应力及位移曲线。研究表明,在列车动荷载作用下,隧道结构-地层体系的动力响应呈现近似简谐波变化;从地表到隧道拱顶的动力响应不断衰减,且衰减速度从地表到隧道拱顶不断减小;两列列车动荷载作用下,隧道结构-地层体系的动力响应值较单列列车动荷载作用下的动力响应值有明显增加,但并未达到单列列车动荷载的两倍。     

桩网结构动力响应研究新进展

桩网结构是近些年来出现加固软弱地基加固的路基,利用桩、路基、填土和土工材料之间相互协同作用,共同承担路基的上部荷载,提高结构承载力,具有土体侧向位移小、工后沉降易控制、地基处理厚度深、相邻建筑影响小等优点,故研究桩承结构路基在列车动荷载作用下的沉降变形特性和动力响应是十分必要的,桩承结构路基动力学已成为铁道工程、结构力学等众多领域的共同研究热点。首先简述了桩承结构的加固路基的机理;其次,分别从湿陷性黄土路基桩承结构的沉降计算、土拱效应和动力响应特性等方面进行理论研究与试验分析;并列举了采取桩承结构处理路基的工程实例,证明了其应用的可行性;最后指出其有待深入研究的问题,并展望高速铁路桩承结构发展的前景。     

岩溶区铁路列车荷载对新建下穿隧道动力响应规律

在岩溶地区,列车振动荷载已成为引起铁路周边地表岩溶塌陷的重要影响因素。为研究新建地铁隧道在岩溶地层中开挖时,列车荷载对隧道、地表及地层的动位移和动应力响应,以贵阳地铁3号线下穿川黔铁路为背景,通过有限元软件建模计算了在最不利围岩和列车动载条件下,隧道拱顶无溶洞、有溶洞和溶洞注浆3种工况的动力响应规律进行对比分析。结果表明：在列车动荷载作用下,溶洞存在及对其注浆加固对地表位移动力响应的影响范围大致为3.3倍洞径以内,有溶洞时地表最大瞬时沉降发生在路基中线与隧道中线交叉处,为2.74 mm,而对其注浆加固后此处的沉降为2.16 mm,减小了21.2%;对溶洞进行注浆加固后隧道支护结构产生了相对更大动力响应,最大瞬时位移和主应力均发生在隧道拱顶,分别为-1.41 mm和-0.36 MPa;地层竖向应力从地表到隧道拱顶衰减最明显的是有溶洞的情况,从-0.076 6 MPa衰减到-0.008 4 MPa,衰减率为89.03%。可见,对铁路与隧道之间的地层溶洞注浆加固后,在保证新建隧道安全的情况下,明显改善降低了列车动载引起的地表瞬时沉降。     

改良土填筑过渡段基床底层的动力特性分析

通过动三轴试验及拟合参数法获得软岩改良土的动强度,以允许动强度为标准,评判软岩改良土可以作为基床底层以及路堤本体填料.同时,基于D'Alembert原理的能量弱变分和整体Lagrange格式,建立路桥过渡段半空间垂向耦合的动力计算模犁,进一步分析不同列车速度下路桥过渡段的动态响应特征,并通过现场实测数据对比验证模型的正确性.研究结果表明:在列车荷载下,竖向动位移幅值波动范围为0.05-0.35 mm,小于控制值;弹性应变幅值小于3×10~(-5),处于小变形阶段;竖向动应力幅值波动范围为15.5～19.5 kPa,远小于改良土的动强度;采用刚性过渡较合理,掺入5%水泥的改良土可用于其基床底层及路基本体的填筑.     

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。     

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.     

地震动斜入射下层状岩体隧洞接触响应分析

为研究层状岩体对隧洞地震响应的影响,考虑地震动斜入射特性和层状岩体层间非线性接触特性,建立一种层状岩体水工隧洞地震动力响应数值模拟方法.首先,基于三维黏弹性人工边界条件和波场分解理论,将地震动转化为作用于人工边界上的等效节点力,建立了一种层状岩体中地震动三维空间斜入射输入方法.其次,针对地震作用下层状岩体层间动力相互作用特点,建立了一种考虑接触面黏结滑移特性的动接触力算法.将该模拟方法应用于巴基斯坦阿扎德帕坦水电站输水隧洞抗震稳定计算,对比分析地震动竖直入射、地震动斜入射、地震动斜入射且考虑动接触3种工况的计算结果,结果表明,地震作用下隧洞结构的应力和位移响应受地震动入射角影响明显;层间剪切、挤压破碎带的存在加剧了隧洞的地震反应,接触面附近破坏区发展较大;考虑接触作用后,衬砌腰部的应力和位移响应相比顶拱较大,首先发生开裂损伤破坏,成为水工隧洞衬砌结构抗震设计的薄弱部位,隧洞结构的损伤区主要分布于软岩穿过部位和层间接触部位.     

成贵高铁高坡隧道软岩大变形机理分析及病害整治

成都-贵阳高速铁路高坡隧道施工中出现较长段落煤系地层软质岩大变形病害,给隧道施工造成极大困难。设计单位针对此段变形病害段开展了岩样取样分析、地质分析、整治设计及工程处理,确保了高坡隧道施工顺利进行。系统介绍了隧道区域地质环境、变形病害段的特征及工程整治措施,分析认为变形段病害产生是由于地应力作用、软质岩强度低、围岩膨胀性、地下水、群洞效应等综合原因所致,提出了软质岩具有缓慢蠕变的时效性,应重视深埋隧道地应力、岩石强度的研究,加强深埋段软质岩初期支护是有效防止变形病害的措施。     

软岩公路隧道紧急停车带变截面段变形特征及加固方法

软岩公路隧道紧急停车带变截面段变形较正常段往往较为显著,易发生变形侵限,是软岩公路隧道施工的难点。以渭源至武都高速公路木寨岭隧道为依托,总结了隧道紧急停车带变截面段的变形特征,分析了其变形破坏原因;在此基础上,提出采用小孔径预应力锚索对变截面段围岩进行加固,利用FLAC3D有限差分软件对变截面段的开挖施工过程进行模拟,对比了不同小孔径预应力锚索加固方案的变形控制效果,并对选定方案进行了现场试验验证。研究结果表明：隧道由紧急停车道向正常段施工时,正常段距离紧急停车带端头约15m范围内一侧的围岩变形明显大于另一侧,位移最大值出现在上台阶拱脚,且出现了喷射混凝土开裂、钢架扭曲和局部变形侵限现象;紧急停车带变截面一侧围岩受到了爆破施工的多次扰动,同时紧急停车带端头所受支护的约束作用较弱,加上地下水对围岩的软化作用,是变截面一侧围岩产生大变形的主要原因;采用纵向预应力锚索+环向预应力锚索对紧急停车带端头附近围岩进行加固,可以有效提高变截面一侧围岩整体稳定性,减小变截面段围岩非对称变形。研究成果可为类似软岩公路隧道紧急停车带变截面段的变形控制提供重要借鉴。     

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。     

城市地下管廊结构地震动力响应分析

地震安全问题是城市地下管廊设计中不得不考虑的部分.先使用反应位移法计算地震时管廊结构的内力,得出管廊薄弱部位.接着使用动力时程方法分析管廊的地震响应,建立土体与结构数值模型,在模型底部输入水平地震作用.采用土-结构界面接触单元,重点考虑土与结构之间的相互作用,得出结构与土之间的分离与滑移情况以及管廊在水平地震作用下的位移变形和应力分布.结果发现:地下管廊标准段结构在水平地震作用下发生明显的侧向位移,容易发生弯剪破坏,而水平方向未发生明显位移;管廊结构地震破坏时的薄弱环节在顶板、底板与侧墙的连接部位以及中隔墙的墙端,在抗震设计中需采取加固措施.     

超大埋深软岩隧道超前中导洞合理断面尺寸及应力峰值转移机制

在超大埋深软岩隧道中,通常地应力较高,且围岩软弱破碎,在施工过程中不可避免的会出现大变形现象,造成支护结构失效破坏。采用超前中导洞应力释放技术提前释放地应力,可以改善支护结构的受力状态,减小隧道变形量,保证支护结构的安全。本文依托丽香线哈巴雪山大变形隧道,采用文献调研、数值模拟及现场监测等手段对超大埋深软岩隧道超前中导洞合理断面大小进行研究,分析了中导洞不同断面大小工况下应力释放效果,最终确定中导洞合理断面大小。研究结果表明,超前中导洞断面为正洞断面面积的0.6倍时,应力释放效果较为理想,相比直接开挖正洞,采用合理超前中导洞断面时,正洞拱顶沉降及上、下台阶水平收敛值分别减小28.2%、27.64%和26.71%,且围岩中切向应力峰值向围岩深部转移了约4 m,同时,应力峰值数值有所减小,减小约5.04%。研究成果可为类似大变形隧道工程提供参考与借鉴。     

断层破碎带隧道围岩敏感性及沉降控制分析

为探明施工隧道穿越断层破碎带时何种断层形态对围岩稳定性影响最为显著,以绵九高速公路五里坡隧道不同断层形态为例,采用三因素四水平数值模拟正交试验对围岩敏感性分析。此外,为避免隧道开挖至断层破碎带时围岩发生较大变形及破坏,保证隧道施工过程安全,对断层的响应特性进行概括,需对断层段围岩注浆加固提高其稳定性。最后,对注浆加固圈厚度分别为：0m、1m、2m、3m的断层段隧道施工过程进行FLAC 3D三维模拟,采用位移控制率均值K对隧道断层及前后段整个区段的围岩控制效果进行定量评价。结果表明：1）断层倾向在各水平条件下变化时,拱顶沉降和边墙位移基本不发生改变,其余两因素对隧道拱顶沉降和边墙位移的影响程度分别为：断层厚度＞断层倾角、断层倾角＞断层厚度。2）注浆加固圈厚度由0m递增至3m时,隧道轴向位移和塑性区面积依次减少,但注浆加固效果也明显下降。3）通过围岩控制率k定量分析注浆加固对位移的控制效果,断层前后段的位移控制率均小于断层处。可见,在既能保证工程安全,又能减少注浆的使用,加固圈为2m时效果最好。     

地震波频率对巷道围岩动力响应的影响

为了研究地震波频率对巷道围岩动力响应的影响,建立了5个围岩性质不同的巷道模型,利用动力有限元疗法分别对各模型在0．2、0．5、0．7、1、1．5、2．5、4、6、9、12、15Hz等11个频率的地震波作用下的闱岩动力响应进行了数值模型,并对各模型在不同频率地震波作用下的最大动应力变化情况进行了分析。结果表明,在输入波动的振幅特性不变的情况下,某一频率或频率范围的波动能够激发模型的最大响应。随着模型介质剪切波速的增大,最大响应频率逐渐由低频向高频移动。