盾构克泥效浆液成分与渗透扩散研究

克泥效工法常在盾构隧道近接既有建筑物穿越工程中被引进作为控制地层位移的一种辅助工法,克泥效浆液在地层的渗透扩散性对盾壳与地层间环向间隙填充效果有着重要影响,克泥效浆液的流变性能与其微观成分对其流动性有着重要影响。本文基于对克泥效浆液流变性能与微观成分分析,研究了浆液性能变化。进一步结合宾汉姆流体砂土渗流公式与数值计算模型,分析了浆液性能对渗透效果的具体影响,并验证数值模型可靠性与合理性。结果表明:(1)各组克泥效浆液样本在宾汉姆本构下的非线性回归系数均大于0.95,塑性黏度与屈服强度会随着水粉比的减小而增大。(2)克泥效浆液主要成分为石英、斜长石、伊利石、钾长石,随着A液水粉比的增加,克泥效水化产物斜长石增加,而伊利石的含量减小。(3)克泥效浆液会在25s左右占满环向间隙,而后再向地层中发生渗透扩散,地层中浆液体积分数增速随时间而减小,直至增速降为0。(4)随A液水粉比增大、地层渗透系数增加、注浆压力增加,克泥效在地层渗透距离均会增加。理论渗透值与数值模型计算值误差在各工况下的平均误差控制在10%以内。     

穿越走滑断层隧道错动影响分区及隧道节段式衬砌抗错断性能控制

为了揭示我国西部地区穿越活动断裂公路隧道工程的变形及力学特性,通过数值模拟分析了断层左旋走滑运动对隧道结构产生的错动响应,建立隧道受断层错动影响分区,并提出隧道节段衬砌铰接设计这一抗错断措施。通过对比在影响区内设置不同长度节段衬砌时隧道结构的应力、位移响应规律,得出最优衬砌节段布置形式。研究结果表明：断层走滑错动2.5m时,隧道结构受错影响范围为断层与活动盘交界面附近2.7d(d为隧道跨径)内,定义1d~2.7d范围内为次要影响区,1d范围内为主要影响区;通过对比分析发现3 m节段对衬砌结构水平位移和最大剪应力的控制效果最好,峰值最大降低率分别达到了3.38%和43.34%;隧道结构在断层交界面附近水平位移达到最大,随后向两侧较远位置变形不断减小至平稳;可见隧道结构沿纵向所受的最大剪应力值集中在错动影响区内,且在此范围内变化相较此范围外更加剧烈,错动影响区是抗断层错动设防重点关注对象。研究结果可为隧道抗错断设计提供参考。     

高地应力水平岩层隧道滞后型岩爆时空倾向性机制分析

浙江杭温水平岩层隧道内滞后型岩爆频发,但目前对于其孕育机理和时空倾向性研究不足。故采用有限差分软件,通过地应力测试和统计现场岩爆资料的方法,研究分析滞后型岩爆时空特征机制。结果表明:(1)滞后型岩爆具有明显的时空倾向性特征。近70%的滞后型岩爆时间上发生在该区开挖6～30 d,空间上滞后于掌子面30～100 m之间;且多发生中等岩爆,岩爆等级及可能性随时空变化呈现倒“V”形趋势。(2)硬岩在高地应力环境中具有明显的延性与时效变形特征;在卸荷条件下,应力释放率的逐渐增加是诱发滞后型岩爆的最主要因素。(3)开挖一定距离后,隧道周边不同位置处都出现应变能突变,且保持较高的应变能密度,易发生等级较高的岩爆。上述结果为以后预测滞后型岩爆和施加相应支护措施提供了依据。     

概化峡谷地形风场特性风洞试验

为研究峡谷地形的风场特性,首先对比了4类规范对峡谷地形风压或风速修正的规定;其次,以某V形对称坡度概化峡谷地形为研究对象,通过风洞试验,研究了其横断面方向和沿峡谷走向地形风速分布规律,并讨论了风向角对于峡谷地形风速分布的影响。结果表明：国外规范对峡谷地形风速修正规定较少,国内规范规定的峡谷风速修正系数在1.07~1.22之间;0°风向角下,风速地形修正系数沿峡谷中轴线基本对称;在测试高度范围内,沿峡谷走向加速区逐渐缩小,减速区逐渐变大,风速地形修正系数极大值逐渐减小,其极值均出现在“H1ZX”横断面,数值分别为1.34 5和0.45 6;0°和15°风向角下,沿峡谷走向,风速地形修正系数分别呈“旋涡状”和“山丘状”,减速区位置也不相同;谷底位置处的风速加速效应很有限,仅在峡谷风速入口位置附近存在加速效应,且风速修正系数值最大值小于规范规定最大值1.22。     

基于突变理论的深部煤柱稳定性

本文针对神华新街矿区盾构工法建设煤矿长距离斜井,研究了深部条件下保护煤柱的自身稳定性。研究发现,根据煤柱不同区域受力特征的差异性,可将其分成弹性核区和边缘塑性区,在此基础上建立了煤柱尖点突变模型,并经推导得到了煤柱的失稳判别公式。通过数值计算(UDEC)分析了深部盾构斜井保护煤柱在开采过程中的稳定状态。试验结果表明,随着煤层的开采能量缓慢释放,120m煤柱自边缘向内部逐渐屈服,并在单侧出现4.5m的塑性区。经公式判别,该工程中保护煤柱可以在深部开采条件下保持稳定,研究结果对相似工程中合理煤柱的留设提供了借鉴。     

极端降雨对黄土沟壑区隧洞施工力学效应影响分析

黄土地区输水隧洞的建设中,降雨入渗极大影响着输水隧洞围岩稳定性。本文利用非饱和渗流理论和数值模拟方法研究了极端降雨条件入渗与黄土沟壑区隧洞的开挖扰动耦合影响下围岩的变形和渗流场演变规律,通过Plaxis3D模型对降雨入渗下新奥法施工过程中围岩力学特性、初期支护过程进行流固耦合分析。结果显示,降雨等级越高,围岩孔隙水压力变化幅度越大,对围岩的稳定性越不利;降雨入渗与开挖扰动会加速土层中渗流场和应力场的重分布过程;基于沟道的汇水特性,隧洞围岩含水率在最初5~10 d呈台阶式增长,拱顶、拱腰和拱趾处的最大变形为17.8 mm、28.2 mm、24.6 mm,最大剪切应力为175.3 kPa、182.5 kPa、150.6 kPa,降雨结束约15~20 d围岩变形速率逐渐减小收敛至特定值,但围岩的应力持续增加,为避免围岩发生塑性变形,故可在15~20 d进行二次衬砌支护。本次研究结果可对极端降雨期黄土沟壑地区隧洞施工安全控制提供参考。     

大跨度公铁双层斜拉桥主梁涡激共振机理与控制

以拟建的某主跨808 m公铁双层斜拉桥为工程依托,采用节段模型风洞试验研究不同攻角下双层桁架梁断面的涡振性能及5种气动控制措施的抑振效果,结合计算流体动力学（CFD）静态绕流模拟,对比分析双层桁架梁断面的涡振机理及控制方法. 研究表明：主梁断面原设计方案在+3°和0°风攻角下存在明显的竖向和扭转涡振现象,且振幅超过规范允许值;间隔封闭上层桥面栏杆或增设抑流板可有效抑制主梁扭转涡振,但竖向涡振振幅仍不满足规范要求;上弦杆外侧增设风嘴可有效抑制主梁竖向和扭转涡振,而下弦杆外侧增设风嘴对主梁涡振抑振效果有限. 气流经主梁原设计断面上层桥面分离后,在其上下表面形成周期性脱落的大尺度旋涡,并在上层桥面后部再附,这是主梁发生竖向涡振的主要诱因;上弦杆外侧增设风嘴可引导气流平稳通过上层桥面,消除了周期性的旋涡脱落,并在其上表面形成一段狭长“回流区”,从而有效抑制了涡振的发生.     

大跨斜拉桥双层桁架主梁施工状态的阻力系数

针对规范中对大跨径桁架桥的双层主梁阻力系数在取值上的局限,提出一种主梁阻力系数计算方法,以施工阶段节段模型的风洞试验结果为基础,对双层桁架主梁进行模型简化后,使用CFD计算得出其三分力系数. 采用不同迎风面特征尺寸,桁架片数以及桁架间距,分析了迎风面特征尺寸对主梁的阻力系数的影响. 讨论了桁架间距以及片数不同对主梁的阻力系数的影响趋势. 结果表明：迎风面特征高度与特征宽度对主梁阻力系数影响的变化规律并不相同,对此提出以桁架纵高比为变量的双层桁架桥梁主梁的阻力系数拟合公式;当桁架间距较小时,桁架片数对主梁阻力系数无影响,但当桁架间距与桁架高度比值达到3 时,桁架片数的变化会对主梁的阻力系数产生较大的影响.     

正断层错动下地铁盾构隧道变形破坏模型试验研究

为揭示跨隐伏断层地铁盾构隧道结构变形破坏特征,采用自主设计的模拟隐伏断层错动加载试验装置,开展1∶25几何比例的跨断层盾构隧道模型试验,分析正断层错动下盾构隧道的力学响应规律及变形破坏特征.试验结果表明：在2 cm正断层错动影响下,隧道纵向差异变形呈现非线性增大趋势,环缝接头张开变形主要位于断层下盘隧道拱顶及断层上盘隧道拱底,且环缝峰值张开量已超过盾构隧道接缝防水限值;断层延长线与隧道交界处管片直径收敛变形较为严重,该处管片呈现拱腰外侧受拉、拱顶及拱底外侧受压的受力状态;管片与地层之间接触压力受断层错动的影响较大,存在围岩挤压区与围岩松散区,但接触压力峰值相对较小;盾构隧道的主要变形破坏特征为环缝接头拉裂破损、管片纵向开裂及环缝接头变形,管片发生斜向剪切破坏及局部压溃破坏的概率较低.基于盾构隧道环纵向变形破坏特征,建议将管片环缝变形及接头混凝土拉裂破损作为界定跨断层盾构隧道结构破坏的主要控制指标.基于隧道的变形破坏模式,提出了跨断层盾构隧道结构设计及应对措施的建议.     

悬浮隧道管体运动对锚索涡激振动的影响规律

根据锚索式悬浮隧道的运动特性,假设锚索是两端铰接的非线性梁模型,并将管体运动简化为两自由度的质点运动,将其视作一种参数激励。考虑锚索长期处于海流环境下,其顺流向涡激力和管体横荡运动方向一致,锚索的运动响应可能会产生明显变化。建立锚索的非线性顺流向涡激振动方程,并通过Galerkin方法和Runge-Kutta方法对该方程进行求解,选取典型悬浮隧道的结构进行数值分析,结果表明：在锚索前三阶模态中,相比于一阶模态幅值,二阶和三阶模态幅值是一个很小的量,可以忽略不计;参数激励可以使锚索更快进入稳定状态,且对振动幅值的增加有显著影响;参数激励对顺流向涡激振动的影响程度与锚索顶端的端部激励幅值和频率有关。