高铁隧道衬砌缺陷气动荷载影响研究

随着高铁列车运行速度的提高,气动荷载成为隧道结构重要的附加荷载,尤其是素混凝土二次衬砌存在初始缺陷时,气动荷载将对衬砌安全有较大影响。针对素混凝土二次衬砌存在初始裂纹和厚度不足缺陷的情况,分别采用基于断裂力学的数值流形方法和基于荷载-结构模型有限元法,对2种衬砌缺陷在气动荷载作用下的影响开展研究。研究结果表明：隧道素混凝土二次衬砌存在初始缺陷时,气动荷载对缺陷部位的耐久性和长期稳定性有很大影响;隧道衬砌存在裂纹时,在气动荷载作用下,裂纹尖端应力强度因子增大150%以上;衬砌厚度不足时,在气动荷载作用下,缺陷部位拉应力增大54%,衬砌处于“拉-压”循环受力状态。研究结果可为高铁隧道素混凝土结构的长期稳定性及耐久性设计提供参考。     

浅埋小净距偏压隧道地震响应特性与承载力安全分析

与非偏压隧道相比,浅埋偏压隧道稳定性较差,受地震动荷载的影响更为敏感.结合实际工程,运用FLAC有限差分法研究了浅埋、偏压、小净距隧道结构在水平地震荷载作用下的动力时程响应,对比分析了左、右两洞的内力(轴力、剪力、弯矩)变化规律和动力安全系数.研究结果表明:衬砌结构的地震响应、受力状态与地形条件密切相关;在两洞埋深差异...     

列车荷载作用下地铁区间双层隧道模型试验研究

列车振动对双层隧道和近距离交叠隧道影响较大。以某地铁区间隧道为研究对象,对一单洞双层地铁区间隧道进行列车振动模型试验,选择合适的试验材料,确定隧道衬砌模型和地层材料参数。依照列车动荷载激振力公式,设计列车振动模型装置,解决动力响应模型试验中动荷载加载的问题。在进行静荷载作用下模型试验的基础上,完成双层隧道列车振动模型试验。测试、分析上行动载、下行动载和上下交会动载3种工况隧道结构的受力状态。研究表明:相对于动荷载,静荷载对结构应力状态影响更大,但在个别部位动荷载影响较大。在上下交会动载作用下,衬砌结构个别位置出现应力集中情况;加速度随着离振源距离加大而明显衰减;在一些测点的试验值与数值模拟结果基本吻合。     

泥炭质土不同赋存条件对盾构隧道衬砌结构动力响应特性影响分析

以昆明地铁3号线工程为依托,运用有限元动力分析研究泥炭质土不同赋存条件对盾构隧道衬砌结构动力响应特性的影响,为泥炭质土层盾构隧道衬砌结构抗震设计提供理论指导。结果表明:当隧道周围地层中富含泥炭质软弱夹层时,在地震荷载作用下,隧道结构受力形态呈"椭圆"状,隧道结构轴力、弯矩及主应力减小幅度较大,剪力略小,其中,两侧泥炭质土夹层组合减小幅度最大,对隧道抗震最为有利;当隧道上覆和下卧泥炭质土层时,地层交界面与隧道结构的接触点产生异常的动应力集中,是隧道结构抗震的薄弱环节,因此,盾构隧道的设计、施工应充分考虑隧道结构外侧岩土体的不均匀性,以确保隧道的长期安全性。     

高速铁路隧道拱顶二次衬砌背后存在空洞时气动荷载对其的影响

为了探索隧道拱顶二次衬砌背后不同范围内存在空洞条件下高速列车气动荷载对隧道二次衬砌结构的影响,采用隧道空气动力学的流体力学分析方法及结构力学分析方法,对二次衬砌结构的受力进行研究。研究结果表明:在气动荷载作用下,隧道二次衬砌结构处于"拉—压"的循环受力状态中;在隧道拱顶二次衬砌背后存在空洞时,衬砌结构上产生的瞬态应力变化规律与其受到的气动荷载变化规律一致,当列车运行速度为350km·h-1时,二次衬砌结构上产生的最大瞬态应力是同一时刻气动荷载的约39倍;在最大正峰值气动荷载作用下,随着拱顶二次衬砌背后空洞范围的增大,拉应力范围逐渐变小,拉应力值先增大后减小;在最大负峰值气动荷载作用下,隧道拱顶二次衬砌第一主应力仅有压应力而无拉应力作用,而且随着拱顶二次衬砌背后空洞范围的增大,二次衬砌受压区的范围逐渐变小,压应力值先增大后减小;二次衬砌结构上产生的最大应力绝对值随着列车运行速度的提高而增大,且与列车运行速度的平方成二次函数关系。     

山岭隧道高水压下衬砌结构三维数值模拟

采用三维有限元数值模型,分析圆梁山隧道高水压条件下衬砌结构受力及变形特征。研究结果表明,高水压对隧道衬砌结构影响显著,在高水压作用下衬砌结构的受力和变形都较大,衬砌结构上存在较大的纵向弯矩。水荷载是隧道衬砌结构的主要荷载之一,应引起足够的重视。     

隧道衬砌厚度不足对安全性能的影响

结合荷载结构法和有限元法,建立隧道衬砌多处厚度不足模型,设计多种工况研究Ⅲ,Ⅳ和Ⅴ级围岩隧道衬砌多处厚度不足对衬砌安全性能的影响规律。研究结果表明:当隧道衬砌多个部位存在厚度不足时,隧道整体的承载性能出现减弱,拱顶为隧道衬砌厚度不足最敏感的区域;拱顶衬砌与围岩分离形成脱空区时承担荷载减少,安全系数增加;由于结构、荷载以及缺陷部位均对称,对称部位的安全性能演变规律一致;隧道上部衬砌厚度不足对其他部位的承载特征影响比较小。     

围岩空洞对重载铁路隧道动力稳定性的影响

以浩吉铁路万荣隧道为研究对象,基于围岩拱部空洞的各类参数(长度、高度、分布范围),对隧道动力响应特性、隧道衬砌应力等进行研究。在分析列车动力荷载的施加机理与施加方法的基础上,建立车辆-轨道-隧道动力有限元模型,计算在列车荷载的作用下,不同的空洞参数对隧道位移、加速度、衬砌主应力等方面的影响。研究表明,空洞加剧了隧道各部位的振动响应,其中拱顶的动力响应变化最大,空洞高度从0增大到20 cm时,拱顶的位移峰值增大了近3倍,而仰拱部位位移最小;空洞也改变了衬砌混凝土的受力状态(由受压变为受拉),这对于混凝土材料极为不利;随着空洞范围的不断增大,动力荷载对拱顶的影响加剧,拱顶的加速度峰值由无空洞状态的1.62 m/s^-2增加到3.49 m/s^-2,此时结构已处于不稳定状态。     

病害隧道结构安全性评价模型与方法

基于结构-荷载法隧道计算理论,分别建立了隧道衬砌结构厚度不足、材料劣化及背后空洞3种病害结构计算模型,并进行了工程实例分析,阐述了病害隧道结构安全性评价的具体方法.研究结果表明:隧道结构病害的存在,改变了其整体刚度和受力状态,降低了整体承载能力.所建立的病害结构安全性评价模型能够综合考虑隧道常见病害对结构的影响,弥补了...     

交叉隧道耦合动荷载动力响应及安全分析

研究目的:因立体交叉隧道会同时受到来自入射、反射、绕射等多元荷载耦合导致的振动,其所受影响相比一般隧道而言更大。因此,对立体交叉隧道只受高速列车荷载作用及同时受高速列车与地震等多元荷载耦合作用下隧道结构的动力响应规律进行定量分析,并确定多元荷载耦合作用下立体交叉隧道结构安全性,从而找出不同隧道存在形式在多元荷载耦合作用下隧道衬砌结构断面的不同危险部位。研究结论:(1)地震荷载的出现改变了原有荷载的传播模式,且隧道结构断面不同位置受其影响最大不一定在交叉断面;(2)多元荷载中的地震荷载是对立体交叉隧道上跨结构产生不利影响的主要因素;(3)进行立体交叉隧道抗震设计时,应该增加上跨隧道左拱腰和左拱脚以及下跨隧道拱顶和左拱腰等危险部位的配筋率及混凝土的厚度,同时研制抗拉性能更好的轨道板;(4)本研究成果可对立体交叉隧道多元荷载耦合作用下的抗震设计提供指导。     

衬砌减薄对隧道结构承载力影响的模型试验研究

为研究隧道中衬砌减薄缺陷对结构力学行为特征的影响,以重庆市在建的笔架山隧道为现场原型,对不同围岩级别条件下衬砌减薄引发的结构形变、病害、承载力等特征及合理补强方式进行研究,获得如下结论:不同围岩级别条件下,无论衬砌(拱顶)有无减薄,结构产生病害所对应的荷载基本相同,但结构的变形及破坏模式、病害的先后次序将随着拱顶减薄程度的不同而迥异。围岩条件越差,衬砌减薄带来的病害程度越严重。结构产生病害时所对应的荷载随围岩级别的提高而提高,当空洞回填其影响消失后,拱顶衬砌厚度减薄的多少将成为影响结构承载力提高的直接原因,不同围岩级别条件下衬砌减薄对结构受力分布规律的影响性较小,内表面补强方案应成为衬砌减薄维护加固的首选方案。本文研究结果可为运营隧道维修加固提供参考。     

地铁列车振动荷载对下叠并行新建城际铁路盾构隧道的动力响应分析

以新建佛莞城际铁路盾构隧道与广州地铁3号线明挖段矩形隧道交叠并行工程为依托,研究地铁列车通过明挖隧道时产生的振动荷载对下部新建盾构隧道衬砌结构的动力响应,并对不同列车振动荷载下新建盾构隧道衬砌结构的动应力进行了分析.使用激振力函数法模拟地铁列车振动荷载,选取下部新建盾构隧道典型监测断面的监测点来研究在地铁列车振动荷载作用下衬砌结构的振动加速度、应力和竖向位移响应特性.结果 表明:轨道结构质量越差,列车运行速度越快,车体质量越大,列车振动荷载的幅值也相应增大;在地铁列车振动荷载作用下新建盾构隧道衬砌结构存在着明显的动力影响区;新建盾构隧道衬砌管片竖向位移曲线呈"W"形,且拱顶处的竖向位移幅值最大;随着地铁列车运行速度加快,新建盾构隧道的竖向沉降亦随之增大,地铁列车运行速度每增加30 km/h,隧道衬砌结构的竖向沉降平均增加2.66％.     

衬砌刚度对盾构隧道抗震性能的影响分析

研究目的:提高盾构隧道的抗震性能是保证隧道安全运营、保证人民生命及财产安全的必然要求。盾构隧道抗震减震措施主要有改变衬砌一定范围内围岩的性能和改变结构本身的性能。改变衬砌结构本身性能方面有多种方式,如增加衬砌厚度,改变管片环向或纵向接头方式、改变衬砌刚度等。本文通过数值分析比较不同的衬砌刚度对盾构隧道抗震减震性能的影响,为盾构隧道抗震设计提供参考。研究结论:根据不同衬砌刚度盾构隧道的受力分析,得出单纯提高管片的刚度并不能提高盾构隧道的抗震性能,反而增加衬砌管片的受力。随着隧道衬砌刚度的增加,衬砌结构的位移减少量不足2 mm,因此增加衬砌刚度对约束盾构隧道在地震作用下的变形并不明显。     

隧道衬砌结构地震响应的三维数值分析

运用Ansys软件对盾构隧道在不同地质条件下的水平、竖向耦合地震的响应进行三维数值模拟，分析隧道衬砌结构的不同部位上应力和位移的分布状况，探明了盾构隧道在地震作用下衬砌结构的动力响应规律，找出了衬砌衬砌结构的受力最薄弱部位，研究可对盾构隧道的抗震设计提供理论参考。     

移动荷载作用下地铁隧道结构和围岩真三维动力分析

构建精细化双线地铁轨道-隧道结构-围岩非线性耦合系统动力分析模型,以三维黏弹性静-动力统一人工边界模拟地基无限域,考虑材料非线性、接触非线性和隧道运营前的静应力状态,研究移动荷载作用下地铁隧道和围岩的动力行为。结果表明:荷载移动过程中,隧道衬砌周向不同位置均经历了多次加、卸载过程;衬砌的动应力水平较低但速率效应明显;受载钢轨附近位置的动应力响应规律性较强,较远位置的动应力响应无明显规律;受载钢轨正下方靠近衬砌处的土单元以受压为主,其动应力水平较低但速率效应较大;同一断面衬砌在不同时刻和同一时刻不同位置处断面受力状态不同,其轴力合力与合弯矩的变化不完全一致。     

基于有限单元法的隧道抗水压衬砌结构设计

研究目的：客运专线铁路隧道结构设计中往往会碰到水荷载作用计算难题，考虑抗水压衬砌结构设计仍然是隧道设计与研究热点之一。为检验隧道衬砌结构设计的安全性及防水性，有必要对抗水压衬砌设计结构进行内力计算。研究方法：针对金沙洲隧道特定地质条件和工程设计要求，采用基于有限单元法的荷载结构模型，对按围岩类别设计的3种隧道断面衬砌结构受力进行数值模拟。研究结果：研究得到了衬砌外水压力以及结构内力及分布特征，并验算了衬砌结构的安全系数。通过对计算结果分析验证，选出了各自围岩级别下合适的衬砌结构。研究结论：在全断面封闭排水的衬砌结构设计中，应着重考虑发挥混凝土的抗压性能；在富水区地下水头较大时。采用帷幕注浆法改善堵水圈的渗透系数，可有效降低衬砌的外水压力；选择仰拱外轮廓隅角半径、仰拱与曲边墙的连接处的半径以及仰拱厚度作为控制变量，可以改善衬砌结构受力特征。     

列车振动荷载作用下高速铁路近距地铁平行隧道的动力响应特性分析

为研究高铁列车和地铁列车同向以不同速度行驶时的振动对高铁隧道衬砌结构的影响,采用模拟的列车振动荷载,在铁轨上施加对轮轴的模拟振动荷载并考虑列车速度来研究同向列车振动荷载下高铁隧道衬砌的动力响应特性。结果表明:在同向行驶的列车振动荷载作用下,对于隧道特定监测点而言,存在一个列车行驶振动响应的影响区,列车行驶至该监测点时,其振动响应最大;高铁隧道中部横断面衬砌振动响应从上到下逐渐增大,拱脚、拱底竖向应力幅值分别为拱腰的1.63、2.26倍,加速度最大幅值分别为拱腰的1.21、1.29倍。     

铁路隧道衬砌结构内力的影响因素分析

以新建的200km时速双层集装箱运输的赣州至韶关铁路单线隧道衬砌断面为研究对象,借助数值模拟手段,得到了围岩压力百分比、弹性反力系数、二次衬砌厚度、浅埋隧道覆土厚度和偏压隧道地面坡对隧道衬砌内力的影响规律,其结果可为今后200km时速的铁路隧道衬砌设计和优化提供参考。     

双向聚能非均布荷载作用下浅埋隧道动力响应

通过解析方法研究爆炸荷载下动力响应问题.模型假定在半空间弹性土体中衬砌隧道中心处发生爆炸,荷载简化为双向聚能的非均布瞬态周期荷载并作用在隧道边界上,根据弹性动力学理论和Hamilton壳体理论得到围岩运动方程和衬砌运动方程,通过Laplace变换、波函数展开法和Graf坐标变换法,得到频域下爆炸荷载作用下隧道衬砌及围岩位移和应力响应表达式.利用Laplace数值逆变换得到时域响应半解析解,分析隧道在不同位置、埋深、衬砌厚度和荷载集度的波动特性.数值计算结果表明:隧道顶部和底部响应的方向相反,不同位置处响应趋势都趋于一致,随时间推移,响应逐渐衰弱;随着隧道埋深的增加位移场响应幅值先增强后减弱,在应力场中,隧道侧向响应幅值变化较小,而在隧道顶部和底部产生的幅值变化较大;衬砌厚度增加,隧道周身响应随之减小,并且厚度增加对隧道顶部和底部响应幅值影响较大;当荷载集度增加隧道顶部和底部附近出现较大的环向位移,顶部径向位移增大底部减小,应力响应在隧道顶部衰减,环向应力响应在底部增强.     

铁路隧道钢筋混凝土衬砌结构可靠度分析

研究目的:针对现行《铁路隧道设计规范》中钢筋混凝土构件极限状态方程存在的不足,本文细分钢筋混凝土衬砌中钢筋的各种受力状态,并寻求更精确适用的功能函数及可靠度计算方法,为按可靠度理论修订《铁路隧道设计规范》提供参考。研究结论:(1)基于荷载-结构法模型,通过调研分析得出钢筋受力状态判断的界定方程,建立了适用于隧道钢筋混凝土衬砌结构的大、小偏心受压构件的功能函数及极限状态方程;(2)根据钢筋混凝土衬砌功能函数,应用JC法基本原理,通过分析推导提出一套钢筋混凝土衬砌结构可靠度分析方法,并在铁路隧道标准图衬砌可靠指标计算中得到成功验证;(3)本文提出的钢筋混凝土衬砌的功能函数及可靠度分析方法可直接指导铁路隧道钢筋混凝土衬砌设计。