浅埋泥岩隧道仰拱底鼓力学特性

为了研究浅埋泥岩隧道仰拱底鼓变形特征,提出一种新的模型试验法,以强制位移的加载方式模拟基底围岩的膨胀作用,对隧道基底围岩膨胀引起的衬砌与围岩受力变形破坏特征进行了系统分析。结果表明：泥岩隧道因基底膨胀作用发生仰拱底鼓后,衬砌的应力及洞周围岩压力分布发生显著变化;拱脚外侧和仰拱内侧表现为环向拉应力,容易出现受拉破坏;相较于衬砌的其他部位而言,拱脚和仰拱对基底膨胀的力学响应更为明显,且随着膨胀作用的增强,拱脚和仰拱之间的应力差值逐渐增大;按照围岩的失稳状态,将围岩压力的变化状态分为初期增长、中期稳定和末期快速增长3个阶段,在末期快速增长阶段,隧道竖向收敛值快速增加,衬砌应力增长速率变大,加剧了仰拱的破坏;基底膨胀作用下使得隧道两侧围岩容易失稳。研究结果可为泥岩隧道结构设计优化提供有益参考。     

银西高铁黄土塬区古土壤围岩隧道含水率变化特性研究

以银西高铁早胜三号隧道为例,采用现场监测,对黄土塬区古土壤隧道围岩含水率及钢拱架应力变化特征进行研究。结果表明,古土壤隧道围岩含水率具有明显的时空效应,在时间上呈"增大-波动-平稳"的三阶段变化趋势,含水率趋于稳定后仰拱和拱脚部位围岩含水率均大于拱顶和拱脚处,且仰拱处含水率增幅在整个断面呈最大;钢拱架主要承受压应力,拱顶和拱腰处的钢拱架压应力最大,钢拱架在施工期内承受围岩压力、确保大断面古土壤隧道围岩稳定性方面发挥着重要作用;深埋古土壤隧道围岩变形以拱腰和边墙部位的水平收敛和沉降变形为主,拱顶沉降变形较小。     

软岩大变形偏压公路隧道变形与荷载作用特征

为解软岩大变形偏压公路隧道变形与荷载作用特征,以宜巴高速公路卧佛山隧道实体工程为依托,选取2个典型断面开展现场测试工作,对初期支护变形与受荷特征进行研究。研究结果表明:围岩非对称大变形隧道围岩前期变形速度快,稳定持续时间长,水平收敛值大;围岩压力前期增加速率快,变化持续时间长,水平围岩压力大、最大值出现在围岩较差一侧拱肩处;钢拱架在围岩较好一侧拱肩处出现压应力集中,在围岩较差一侧拱肩处出现拉应力集中,钢拱架扭曲变形严重;喷射混凝土在围岩较差一侧承受较大的拉应力,且超过混凝土的抗拉强度,大面积开裂剥落,围岩较好一侧压应力较大,但其值未超过C20喷射混凝土抗压强度;围岩非对称大变形隧道设计时应加大围岩较差一侧超前支护强度,加大预留变形量,加强初期支护,施工时宜采用预留核心土的三台阶开挖方法。     

回填土大跨超浅埋地铁隧道开挖稳定性研究

贵阳市地铁1号线望新区间隧道地质环境复杂,位于回填区,地下水丰富,埋深浅。针对此类环境,首次将三台阶七步开挖法引进到地铁区间隧道施工中,通过影响隧道开挖稳定性的关键因素分析及施工方法的数值模拟,结合现场实测,研究了回填土大跨超浅埋地铁隧道开挖稳定性。研究结果表明：超浅埋开挖,回填土地层承载拱难以形成;开挖过程中拱顶、拱脚及仰拱部位产生拉应力,拱腰部位出现应力集中,为压应力区;地表及拱顶沉降变形主要受上台阶导洞开挖的影响,中、下台阶导洞的影响次之,核心土开挖影响较小;核心土及仰拱开挖对拱底围岩变形产生较大影响;因此在开挖过程中要对上述位置进行重点监测,可为今后类似工程提供借鉴。     

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.     

穿越地裂缝带地铁隧道结构应力预测方法研究

西安地处国内地裂缝发育最强烈的汾渭盆地,地裂缝的活动性会造成地铁隧道结构扭曲及衬砌面开裂并影响地铁的施工及安全运营.采用特殊材料制作几何相似比常数为1∶20的地裂缝与地铁隧道结构相互作用的隧道模型,通过对隧道模型结构应力监测数据与应力预测值进行对比分析揭示了地裂缝位错作用下隧道的变形破坏规律,并建立了地铁隧道结构应力的预测模型.试验结果表明:随着地裂缝位错量的增加,位于隧道结构上部的地裂缝上盘压力增加、下盘压力减小,位于隧道结构下部的上盘压力迅速减小、下盘压力持续增加;位于地裂缝下盘的隧道结构上部整体受拉而下部整体受压,位于地裂缝上盘的隧道结构上部先受压后受拉;位于地裂缝下盘的隧道结构沿纵向发生向下的弯曲变形致使其环向应变表现为拱底受压而拱顶和左右两拱腰均受拉的受力特点;指数平滑法对初始观测值的要求低且受异常值影响小可作为隧道结构应力预测的首选方法,当应力值达到预警值时进行报警采取适当的加固措施可保证地铁隧道的正常施工与安全运营.     

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。     

不同加载方向的山岭隧道洞口段地震响应振动台模型试验

基于垂直于隧道轴向加载(X向加载)与平行于轴向加载(Y向加载)2种试验工况,对山岭隧道洞口段开展大型振动台模型试验研究。研究结果表明:不同加载方向所引起的隧道结构变形模式和破坏机制不同。当沿X向加载时,结构以剪切变形为主,抗震薄弱部位为两侧拱肩与拱脚,最终发生剪切破坏;而当沿Y向加载时,结构以拉压变形为主,抗震薄弱部位为拱顶、仰拱和两侧拱脚,最终发生拉压破坏。不同加载方向所引起的坡体破坏模式不同,X向加载引起较明显的结构与围岩相互作用现象,坡体大规模破坏由结构附近围岩的剪切破坏诱发;而Y向加载引起的坡体惯性力较明显,坡体大规模破坏由坡顶附近围岩的张拉破坏诱发。且Y向加载更易引起洞口仰坡的破坏,破坏现象与实际震害现象相符。     

基于现场实测的绢云母片岩隧道变形与受力特征

绢云母片岩是西南地区普遍存在的复杂地质软岩,遇水易软化、泥化,在该中地层条件下施工的隧道普遍出现软岩大变形问题,处理不当还会造成塌方,极易造成严重后果。以实际工程为载体,通过现场试验,研究绢云母片岩隧道的变形与受力特征。研究结果表明:三台阶开挖造成围岩压力的多级释放,每台阶开挖后围岩压力均经历快速增长与缓慢增加两个阶段,围岩压力总体呈现出"右上、左下大,右下、左上小"的非对称分布;初期支护钢架以受压为主,应力"上大下小"分布,右拱腰处钢架压应力最大237. 4 MPa,大于钢架抗压强度设计值;围岩整体向内挤压,隧道呈现"上大下小"不对称变形,右拱腰处最大变形量325 mm,大于预留变形。研究指出了施工过程中的安全隐患,并为绢云母片岩隧道的设计、施工提供了数据参考。     

充填黏土型岩溶隧道大变形换拱衬砌受力研究

为了研究溶腔充填黏土的岩溶隧道大变形换拱后衬砌的受力特性,根据三江至柳州高速公路大塘隧道施工过程中左线(JK139+489～JK139+555)段围岩大变形换拱处置方案,采用现场测试与数值模拟的研究手段,分析了该类隧道围岩大变形情况下注浆换拱前后隧道初期支护及二衬的受力情况。结果表明：该类隧道发生大变形时拱顶部位变形最大,受力最大,拱脚处次之且局部受拉,拱腰最小,换拱后拱顶部位依然是受力最大点,拱脚受力减小;发生大变形后围岩注浆与支护时机是换拱处置方案有效性的主要影响因素,该类隧道处置应着重考虑提升围岩自身稳定性;注浆换拱后系统锚杆可起到加固围岩作用,同时隧道二衬作为主要受力结构与初期支护共同作用可减少支护结构约66%的变形,是保证隧道长久稳定的主要因素。     

逆断层错动作用下地铁隧道结构损伤分析

以乌鲁木齐地铁隧道穿越西山活动逆断层工程为例,建立三维弹塑性有限元模型.首先模拟分析了逆断层错动作用下隧道二次衬砌塑性应变发展过程,拉压损伤因子、剪切应变的横向及纵向分布规律,计算了混凝土的裂缝宽度;其次研究了不同错动位移、隧道底部距围岩交界面不同垂直距离及不同破碎带宽度的结构损伤规律,最后进行了设置柔性接头的减灾效果研究.结果表明:二次衬砌结构破坏首先出现在拱顶;然后是拱底,最后在拱腰处累积.破裂面附近拱腰处发生拉压剪的共同破坏;远离破裂面上盘拱顶,破碎带拱底处发生受拉破坏;远离破裂面上盘拱底,破碎带拱顶处发生受压破坏.基于混凝土裂缝得到隧道拉裂破坏的严重与轻微受损区分别为10 m和30 m.错动位移越大,结构受损越严重;隧道底部距围岩交界面垂直距离越大,土层越厚,耗散能量越多,结构受损越轻;破碎带宽度越大,隧道破坏越严重,当破碎带宽度达到26 m时,破碎带宽度对隧道的影响基本保持稳定.设置柔性接头可以显著降低结构的损伤,基本满足在设防错动位移下的设计要求.     

不同位置空洞条件下隧道的破坏模式试验研究

隧道空洞是影响隧道稳定性的重要原因之一,因此开展了空洞在拱肩、边墙、拱脚及拱底等位置的模型试验,总结出存在不同位置的空洞隧道的破坏形式和破坏顺序.试验结果表明:拱肩空洞模型在空洞的边界位置和拱脚处现受压破坏,底板出现开裂;边墙空洞模型在空洞位置相应的衬砌出现压溃及拱顶产生开裂;拱脚空洞模型是拱脚位置衬砌受压破坏以及拱顶产生开裂;底部空洞模型是在底板衬砌位置及相应拱肩衬砌受压破坏以及拱顶出现开裂,研究结果为隧道的顺利施工和后期维护提供参考依据.     

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.     

既有隧道不同扩挖宽度下锚杆参数的优化

以黄山洞隧道工程为依托,通过对现场数据的监测和利用有限元分析软件Midas GTS NX进行数值模拟,分析了不同扩挖宽度下隧道拱顶沉降值、周边收敛值和围岩有效应力变化的规律,并改变锚杆的长度和锚杆间距,分析在不同锚杆长度下围岩有效应力、衬砌应力以及锚杆应力的变化规律,确定了不同扩挖宽度下最优的锚杆长度和锚杆间距.研究结果表明：随着扩挖宽度的增加,围岩有效应力由大至小依次为拱脚处压应力、拱腰处压应力、拱顶处压应力和仰拱处拉应力;拱顶处压应力随扩挖宽度的增大而减小,拱腰处压应力随扩挖宽度的增大而增大,但增大趋势不明显;受单侧扩挖方式的影响,扩挖侧的应力大于非扩挖侧;拱脚处受到应力集中的影响,其压应力随着扩挖宽度的增大而增大;扩挖宽度为1.5～2.5 m时的最优锚杆长度和间距分别为2.5 m和1.7 m,扩挖宽度为3.5～4.5 m时二者分别为3.0 m和1.2 m.     

不同应力场软弱围岩公路连拱隧道力学特征试验

为了更全面了解不同应力场软弱围岩公路连拱隧道的力学特征,选择曲中墙连拱隧道结构形式,基于"先加载后开洞"思路,开展施工过程相似模拟试验,研究不同应力场软弱围岩连拱隧道施工应力变化特征,分析应力场对支护结构受力的影响。试验结果表明:不同应力场,在左、右洞开挖过程中,侧压力系数较小时,拱底和拱顶应力释放最为显著,侧压力系数较大时,拱腰应力释放最为显著;围岩与衬砌接触压力,除在中墙顶、底方向随侧压力系数的增大而略有减小外,其他各方向均随侧压力系数的增大而增大;中墙压应力的量值随侧压力系数的减小而增大;左、右洞衬砌结构内外侧受力不对称,且侧压力系数对衬砌结构的切向应力影响很大,即随着侧压力系数的增大,切向应力最大值位置逐渐由外侧拱腰向拱顶过渡。     

偏压连拱隧道围岩稳定性模型试验与数值分析

按弹性阶段相似原则进行偏压条件下连拱隧道的室内模型试验,模拟连拱隧道的施工工况,研究Ⅲ级围岩地质条件下,偏压连拱隧道开挖的可行性.采用压力盒、数码相机、沉降板等仪器量测试验过程中隧道围岩应力和位移分布.应用三维连续介质快速拉格朗日元对偏压条件下连拱隧道的围岩稳定性进行了分析,掌握连拱隧道开挖时围岩的整体力学性质、变形趋势以及稳定性特点.物理模型所得结果与数值模拟所得结果进行对比分析,结果表明偏压条件下连拱隧道施工过程中,隧道左右洞室拱顶存在较大的差异沉降;右洞拱顶及左洞拱脚围岩是隧道最为薄弱的地方;中墙作为连拱隧道的关键结构,承受了较大的外部荷载,除其本身要达到强度及稳定性要求外,墙顶及墙底围岩易发生塑性屈服;偏压对隧道拱顶的影响最明显,侧墙次之,对拱底影响较小以及隧道围岩不稳定区域和围岩的松动范围与对称荷载情况存在明显差异.     

高铁弱胀缩性隧道底鼓病害及仰拱结构分析

高速铁路隧道穿越红粘土等弱膨胀地层,隧道仰拱底鼓病害是常见问题之一。为探索弱胀缩性土隧道仰拱底鼓病害形成原因及合理仰拱结构形式,以某弱胀缩性地层高铁隧道为依托工程,通过数值模拟正交试验,确定了弱胀缩性土隧道仰拱底鼓病害的敏感性因素;将仰拱结构单元简化为三铰拱模型,将其所受胀缩力简化为沿隧道结构的均布荷载,考虑膨胀力作用,建立仰拱-围岩的受力模型,确定胀缩性黏土地层中隧道仰拱的最优拱轴线线型;在此基础上,通过改变仰拱结构的矢跨比来对仰拱结构进行优化,得到了穿越红粘土等弱膨胀地层高铁隧道仰拱最优矢跨比。研究结果表明:隧道仰拱结构变形最受围岩等级及胀缩性控制,其次为衬砌厚度,最后为仰拱曲率半径、混凝土强度、隧道洞径;增大仰拱厚度可有效控制仰拱底鼓变形,但对隧道拱顶沉降的抑制效果欠佳;胀缩性黏土地层中隧道仰拱的最优拱轴线应为圆弧线;在合理拱轴线的条件下,仰拱结构所受最大轴力与其矢跨比呈反比,且矢跨比越大,仰拱与过渡圆弧接茬处所受轴力越大,对拱脚产生的影响越显著。研究成果为特殊土地层高铁隧道底鼓病害的致灾机理及控制技术提供参考。     

富水砂-黏复合地层大断面暗挖隧道施工力学行为

富水砂-黏复合地层暗挖施工极易诱发地表及支护结构变形过大等复杂问题。以北京地铁17号线某交叉中隔壁(cross center diaphragm, CRD)法施工隧道工程为依托,对施工过程中的地表沉降、孔隙水压力、围岩压力、初支内力等进行现场监测后,得到了各监测对象的变化规律和总体分布。研究结果表明：新建隧道暗挖施工引起的地表沉降值较大,拱顶沉降与导洞收敛变形速率与变形量虽符合设计要求,但稳定值接近限值,富余量小;稳定后的孔隙水压力值较小,约为5 kPa,与地勘水头高度基本一致;由于先行标准线开挖的影响,新建隧道围岩压力呈现左右不对称分布的现象,围岩压力沿洞周呈现出拱底→拱腰→拱脚→拱顶→拱肩依次减小的分布规律;稳定后的钢筋应力沿洞周分布形式与围岩压力基本一致,其最大值出现在左侧拱腰处。基于上述研究,研究成果可为同类型富水砂-黏复合地层的暗挖隧道设计和施工提供一定的借鉴。     

下承式哑铃型钢管混凝土系杆拱桥静力性能研究

目的 研究下承式哑铃型钢管混凝土系杆拱桥在施工过程中的应力与变形,为实际工程应用提供理论依据。方法 采用有限元软件Midas/Civil建立钢管混凝土系杆拱桥有限元模型,分析拱桥施工过程中应力、变形的变化规律及结构参数变化对拱肋受力的影响。结果 钢管与混凝土峰值压应力均位于拱脚截面,考虑收缩徐变影响时拱脚上弦管压应力较二期荷载作用下提高61%;与先浇筑上管混凝土相比,先浇筑哑铃型下管混凝土时,组合截面中性轴下移且应力变化幅度较小;拱肋含钢率介于4%～9%时,增大钢管壁厚与直径可使拱脚截面、1/4截面、跨中截面峰值压应力、峰值挠度降低;拱肋内倾角为0°～13°时,拱肋截面峰值挠度随内倾角的增大呈现先减后增趋势,其中内倾角为7°时挠度最小。结论 考虑运营期拱肋混凝土收缩徐变时,哑铃型拱肋处于全截面受压状态;对于采用哑铃型截面的下承式钢管混凝土系杆拱桥,先浇筑拱肋下管混凝土可使系杆拱桥体系受力更加合理;内倾角变化对拱肋峰值挠度有一定影响。     

地形偏压连拱隧道衬砌内力研究

通过1∶20尺寸比例的模型试验和数值模拟结果表明,左右洞室有被压扁的趋势,左洞最大弯矩分布于左、右拱腰和拱底,右洞最大弯矩分布于左拱腰;连拱隧道整体向浅埋侧移位,浅埋侧和深埋侧的围岩出现被动压力和主动压力作用,浅埋侧隧道的拱顶竖向应力小于深埋侧。物理模型与数值模拟内力图对比分析表明,偏压条件下衬砌结构的内力变化规律基本一致。