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.     

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。     

动力扰动下既有隧道的动态响应及衬砌影响分析

基于现场监测数据,利用FLAC3D研究了拱桥铺隧道在动力扰动下的动态响应及衬砌产生的影响.研究结果表明:底部动载下,相对于无衬砌隧道,有衬砌隧道能改变除拱底外其它测点的运动方向,防止隧道内陷并能够有效减少隧道锚固壁位移;隧道锚固壁4个测点均承受压应力,且无衬砌支护时压应力值远小于有衬砌时,前者围岩表现更为"松散";有衬砌支护隧道拱肩处锚杆轴力出现中性点,而无衬砌支护时锚杆均为受拉,后者锚杆轴力峰值位置更靠近锚固壁,衬砌能有效分担围岩荷载并减小锚杆负载;有衬砌时锚杆轴力相对增速快且振幅大,而无衬砌支护隧道在应力波冲击后,锚杆轴力相对增速慢且振幅小,即衬砌能通过动态调整协助锚杆承担动荷载.     

列车撞击荷载下盾构隧道双层衬砌管片结构的动力响应特性

通过建立三维列车编组撞击有限元模型,获得不同列车编组、列车行驶速度、斜向撞击角度下列车的脱轨撞击荷载时程曲线。采用HHT时间积分法和混凝土塑性损伤模型,研究双层衬砌在不同列车撞击速度和撞击角度下,管片衬砌的应力、变形、速度、加速度、拉压损伤因子及损伤面积等动力响应。研究结果表明:列车撞击荷载主要与列车行驶速度、斜向撞击角度以及列车编组数量有关;撞击力时程曲线在一定条件下出现第2个峰值,动力响应随着列车撞击速度和撞击角度的增大而增大,受拉损伤平均值及其最大值均大于受压损伤平均值和最大值,得出拉压损伤与撞击速度和角度的相互关系。     

裂缝位置对盾构隧道管片结构破坏形态的影响

为研究裂缝位置对盾构隧道管片结构破坏形态的影响,依托国内某地铁越江盾构隧道工程,采用相似模型试验的方法,考虑既有裂缝位于拱顶、拱腰及拱底的3种裂损工况,分析了管片衬砌结构的变形特性、承载性能及破坏模式.结果表明,裂缝的存在降低了结构的整体刚度,改变了管片衬砌的结构体系,在相同荷载条件下,带裂缝管片衬砌结构的变形量显著增加,临界失稳点的椭圆扁平率明显增大,破损区域内力大幅减小,且极限承载能力均降低2个荷载级别.带裂缝管片衬砌结构破坏模式由结构性破坏转变为裂缝导向性破坏,裂缝位于拱腰时管片衬砌结构较早出现损伤破坏,但损伤破坏发展过程较平缓,而裂缝位于拱顶及拱底时损伤破坏愈趋突发性破坏.     

高速公路隧道衬砌纵向裂缝成因分析

针对某高速公路隧道运营后出现的纵向裂缝,通过裂缝调查,结合地质报告,运用有限元数值模拟的方法,建立在松散围岩荷载、水压力、形变压力作用下病害结构的计算模型,总结隧道衬砌裂缝产生的原因.研究结果表明:松散围岩荷载作为集中荷载,往往会导致作用部位的应力集中,衬砌内侧会出现较大拉应力而产生裂缝;水压力作用下衬砌结构承受较为均匀的压应力,往往在结构薄弱部位最先出现裂缝;形变压力作用下结构易产生纵向结构性受力裂缝.     

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.     

列车载荷下隧道联络通道动态响应的并行计算

以上海某大型双线隧道为例,建立了列车 隧道 联络通道 土体的大型三维有限元模型.基于上海超算中心曙光5000A,设计了列车隧道动态耦合均衡的分区方法,解决了因模型规模庞大而造成计算量大的问题.分析了列车载荷下联络通道结构的动态响应,比较了不同分区方案的计算效率.结果表明：列车载荷在联络通道与隧道连接部位引起的附加动应力较小,但该位置处于较高的应力水平,应尽量避免在联络通道位置汇车;列车隧道耦合均衡的分区方法比常用的递归坐标二分法具有更高的并行效率.     

膨胀性土层盾构隧道衬砌管环计算模型

针对膨胀性岩土地层围压改变对盾构隧道衬砌管环内力和位移的影响,分析不同膨胀地层分布下隧道膨胀接触压力分布特征,建立考虑膨胀荷载的盾构隧道荷载-结构力学模型,运用力法推导不同膨胀荷载模式作用下衬砌管环内力解析解,并结合工程实例进行计算分析。研究结果表明,膨胀荷载对衬砌管环内力影响显著,不同膨胀荷载分布模式作用下衬砌管环内力分布规律存在较大差异,建议在工程设计中应予以重视。研究成果可为膨胀性岩土地层盾构隧道设计与计算分析提供参考。     

铁路隧道混凝土衬砌爆破振动安全判据

根据应力波理论,依照极限拉应力准则、极限剪应力准则及莫尔判据,对爆炸应力波体波对隧道衬砌结构的影响进行研究,确定基于隧道衬砌结构安全的爆破振动速度判据模型。结合紧邻隧道上方的土石方开挖爆破工程实际,对爆破振动速度判据进行求解。研究结果表明:爆破应力波体波对隧道混凝土衬砌结构破坏效应中P波占主导地位,爆破振动作用下隧道结构首先产生拉伸破坏,隧道衬砌爆破振动速度安全判据为14.51 cm/s。研究结果与爆破安全规程一致,为隧道结构安全标准的确定提供了科学依据。     

近接开挖与列车振动对既有铁路隧道的沉降影响研究

选取不同近接距离基坑开挖来研究隧道的沉降变化规律,利用激振荷载经验公式来模拟高速列车的轮-轨激振力,并运用有限差分动力分析方法分析不同距离基坑开挖作用下隧道衬砌结构的车振动力响应.结果表明:近接基坑开挖会造成隧道掌子面的非对称变形,离开挖中心越近非对称变形越明显;随着近接开挖距离的增加,这种非对称变形逐渐趋于缓和,其中隧道靠近开挖侧的隧道拱脚、拱腰和拱顶区域可作为施工期间既有隧道的重点监测部位;隧道左右两侧帮底部区域相对拱顶区域而言受到列车振动影响较大,列车靠近开挖侧行驶时隧道衬砌结构动力响应比远离开挖侧行驶时大.     

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。     

不同施工工法对既有隧道影响的数值模拟研究

文章通过数值分析手段,对拟建隧道采用不同的施工方法所引起交叉既有隧道的受力、变形变化状况进行研究。全断面法与上下台阶法对既有隧道的围岩应力及变形影响是一致的,两者均引起拱顶及边墙的围岩应力降低,拱底围岩应力的增高,既有隧道特征点均将产生下沉。全断面法开挖引起既有隧道的位移量要稍大于上下台阶法,同时2种开挖方法对既有隧道二衬的受力影响几乎相当,二衬经历对称—非对称—对称3个变化过程,随着开挖深入,其应力逐渐增大,但远小于容许应力值,处于安全状态。并据此提出相应的建议。     

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。     

导流隧洞混凝土衬砌结构有限元分析与研究

根据某水电站引水系统实际情况,采用ANSYS三维非线性有限元法,建立其引水系统中南导流隧洞的三维有限元模型,并对其钢筋混凝土衬砌结构进行分析,验证了衬砌方案和支护参数的合理性,提供衬砌配筋计算结果,并论证了现有衬砌和支护方案合理性,补充和完善加固处理措施.结果表明,南导流隧洞各段衬砌在计算工况下,水平位移最大值为0.256 mm,方向指向隧洞内部;垂直向最大位移为8.443 mm,方向向下;最大第一主应力为拉应力,其值为1.150 MPa;衬砌最大第三主应力为压应力,其值为-1.190 MPa,由于衬砌C25混凝土的抗压强度为11.9 MPa,故衬砌结构安全.但在侧墙与顶拱、侧墙与底板交界处应力值较大,应当采取适当措施加大结构的强度.     

新建隧洞下穿爆破对公路隧道结构的影响： 以温州市瓯江引水工程为例

为了探寻爆源逐步接近既有隧道情况下衬砌受爆破振动的响应规律、爆破荷载作用下的应力分布状态,结合温州市瓯海区西山隧洞工程,根据施工现场爆破监测数据和数值模拟结果对新建隧道爆破施工时相交隧道的安全性进行研究,研究结果表明振速主要受到爆心距和装药量的影响：爆心距越小装药量越大,振速峰值越高;爆心距决定隧道衬砌合速度峰值发生位置;衬砌合速度峰值位置同时是最大拉应力点;随爆心距的缩进,危险点从拱腰位置移动到拱脚。     

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。     

不同溶腔-隧道间距对地铁隧道施工影响的模型试验研究

为探明不同溶腔-隧道净距下隧道施工对岩溶地层的扰动影响规律,以贵阳市轨道交通3号线一期工程为依托,开展了城市浅埋环境下不同溶腔-隧道间距对地铁隧道施工影响的模型试验研究。主要得到以下结论：(1)拱顶侧溶腔对拱腰水平位移影响较小,主要影响隧道拱顶的竖向沉降量;溶腔对原始地应力场的影响范围是有限的,溶腔直径为4 m、溶腔底部与隧道开挖轮廓线顶部净距为5 m时,隐伏溶腔的存在对隧顶围岩的沉降量影响不太显著。(2)溶腔与开挖隧道净距为1、2、5 m时,拱顶围岩最终土压力变化分别为47.4、84.7、135.1 kPa。溶腔底部距离隧道开挖轮廓线越近,拱顶围岩在隧道开挖后的土压力变化越小。岩溶地质现象对原始地应力场的影响表现为岩溶腔体对周边围岩的应力释放作用。(3)溶腔与隧道顶部净距为1、2、5 m时地中沉降峰值分别为25.7、32.8、38.8 mm,分别为无溶腔时的135.3%、172.6%、204.2%。隧道拱部隐伏溶腔与隧道净距并非越小对地表的沉降影响更大,溶腔-隧道净距与溶腔上覆土层厚度都会影响隧道开挖后的地表沉降。(4)各工况下拱架最终轴力表现为全环受压,弯矩值差异较轴力值更显著。拱...     

不同间距邻近爆破载荷下隧道破坏规律及动态响应研究

试验研究和数值分析是研究不同间距邻近爆破载荷下隧道动态破坏问题的有效手段。通过试验研究发现,当间距较小时,迎爆侧呈三角形破坏,背爆侧表现为起拱点和底角的裂纹扩展,且随间距增加,破坏程度逐渐减弱。通过LS-DYNA数值模拟研究发现,当炸药量一定时,随间距的增加,起拱点位置振速峰值呈指数型衰减,当间距小于3D时,衰减较快,且振速峰值大于安全振速,位于危险间距内;当大于3D时,衰减缓慢,位于安全间距内。迎爆侧振速峰值最大区域分布在直墙中部至起拱点位置,直墙中下部和拱形部位次之。