马蹄形隧道初期支护结构力学及变形性能足尺试验研究

针对马蹄形隧道初期支护结构，采用足尺试验，通过埋设传感器对结构内力、结构表面应变及变形进行监测，分析了钢拱架与喷射混凝土初期支护结构的承载能力和变形性能。研究结果表明：（1）在弹性阶段，支护结构各截面所受弯矩和轴力关于结构中性轴左右对称，对应的径向位移幅值较小。（2）在塑性阶段，随着外加荷载的增加，支护结构的弯矩和轴力快速增大；支护结构呈现“拱底外凸，拱腰内凹”的变形状态，且近似关于中性轴左右对称。（3）支护结构最终在右拱肩型钢连接处失效破坏，破坏位置处混凝土与型钢呈大范围剥离状态，裸露的型钢外凸发生弯折破坏，结构极限承载力约为设计荷载的1.32倍。     

基于结构特征曲线的软岩隧道钢拱架力学效应研究

针对传统锚喷支护难以适应软岩隧道大变形的问题,文章通过把钢拱架和喷射混凝土同时工作分为钢拱架单独工作和联合工作两个阶段,利用SAP2000有限元程序研究了实腹式型钢拱架和空间钢桁架拱的力学特征及其单独工作的力学效应;考虑材料非线性与几何非线性,研究了钢拱架在不同支撑条件下的极限承载力和极限变形能力。结果表明:(1)将钢拱架单独工作作为支护的一个阶段是可行的;(2)侧向支撑及拱脚的约束情况对实腹式型钢拱架的作用效应有决定性影响;(3)空间钢桁架拱的整体刚度大于实腹式钢架拱,受侧向支撑影响小;(4)提出了提高钢拱架承载能力和变形能力的方法,为喷射混凝土及其它支护措施的实施提供了更多的时间和空间选择。     

有粘结预应力波形钢腹板组合梁受弯性能分析

采用钢管混凝土作为下翼缘的预应力波形钢腹板组合梁桥可避免正弯矩作用下传统组合梁桥受拉侧混凝土板易开裂的问题。文章为了研究这一新型构造形式组合梁桥的受弯性能,进行了7根简支有粘结预应力波形钢腹板组合梁在两点对称荷载作用下的数值模拟分析。研究表明:这种预应力波形钢腹板组合梁具有良好的抗弯承载能力和变形能力;减小跨高比和增大钢管强度可显著提高组合梁的极限承载能力;提高混凝土强度等级和减小钢管强度可显著提高组合梁的变形能力;各参数对承载力极限状态时跨中截面的预应力筋拉力影响均不显著,各试件预应力筋预应力介于0.92 f_(ptk)和0.96 f_(ptk)之间。     

大断面海底隧道初期支护变异对二次衬砌安全性的影响

运用大型有限元通用软件ANSYS和钢拱架与混凝土间的粘结滑移退化模型,分析了海底隧道典型初期支护裂缝及钢拱架锈蚀对二次衬砌安全性的影响规律.相对于未开裂前,拱顶开裂造成二次衬砌边墙安全系数最大降幅达5.0%,拱腰开裂造成未开裂侧二次衬砌边墙安全系数最大降幅达15.6%;初期支护承受全部围岩荷载时,钢拱架锈蚀对二次衬砌拱顶安全系数的影响最大,80%锈蚀率时拱顶安全系数降幅为10.0%左右.     

火灾后地铁站圆钢管混凝土柱轴压性能试验研究

为了研究高温或火灾后圆钢管混凝土柱轴压力学性能,文章采用温度、混凝土强度、长细比等参数,设计了圆钢管混凝土试件经高温后进行轴压试验,研究试件在高温后的破坏形态,获取了荷载-位移全过程曲线,并对影响钢管混凝土试件轴压性能的因素进行了分析。研究结果表明:试件表观颜色随温度升高逐渐加深;高温后圆钢管混凝土试件加载初期抗压强度增速一致;混凝土强度与试件抗压强度成正比;温度与试件抗压强度成反比,800℃时最低;长细比对试件抗压强度影响较为明显。     

大变形隧道初期支护受力特征及对策研究

由于隧址区岩体具有大变形效应,渝利铁路大梁隧道在初期支护施作后拱腰、拱脚等部位相继出现喷混凝土开裂、剥落、掉块等现象。为了保证隧道结构安全,采用现场测试(解除应力测试和松动圈测试)、数值模拟(试算/正演计算)等方法对该段支护结构的受力特征进行了研究,并提出了相应的对策措施。结果表明:在此地质条件下,初期支护配筋为6.36 cm~2时,结构将产生破坏(最大弯矩处安全系数为1.0),而实际配筋只有5.07 cm~2,所以初期支护内的配筋(格栅钢架)不能满足工程实际需要,必须调整类似地质条件的支护参数才能保证隧道整体稳定性;同时研究获得的松动圈范围为2.29 m,与地质雷达的松动圈测试结果相吻合,验证了该方法的可行性及结果的准确性。     

叠合式套拱加固带裂缝衬砌的变形规律试验研究

文章通过室内试验和理论分析等手段研究了套拱加固后结构的受力规律、破坏模式及承载力变化。利用石膏材料,按照1∶10(模型∶原型)的相似比,制作拱顶带纵向裂缝的素混凝土衬砌结构(裂缝深度为原衬砌厚度的1/3),并按叠合式套拱加固方案,进行钢筋混凝土套拱加固;养护后,通过室内全周径向加载装置,分级施加拱顶松散土压,并计入地层抗力的影响,研究带裂缝衬砌套拱加固后的承载能力及破坏规律。试验结果表明,叠合式套拱加固后,结构受力过程分三个阶段:"初期加载—套拱拱顶开裂、套拱拱顶开裂—拱顶叠合面裂缝出现、拱顶叠合面裂缝出现—试件破坏",关键部位破坏顺序为拱顶开裂—拱顶延性破坏—拱腰脆性断裂,整体破坏模式为延性破坏。     

极高地应力层状围岩隧道偏压演化规律及围岩控制

以大峡谷隧道缓倾层状围岩为工程背景,采用3DEC离散元分析方法并结合现场监测的手段,深入研究高地应力不同岩层倾角下围岩偏压演化规律,揭示偏压与现场支护结构破坏关系,根据锚杆支护参数对偏压控制的影响,提出支护最优参数。研究表明,在高地应力缓倾岩层条件下支护结构的变形及破坏呈现明显的非对称性,随着岩层倾角的增大,初期支护最大主应力峰值位置由拱顶向右拱肩转移,反倾侧弯曲变形大于顺倾侧滑动变形;随着锚杆长度的增加,围岩剪切滑移区、初期支护位移、初期支护最大主应力均逐渐减小,锚杆最优长度约为3.5～4.5 m,锚杆沿层理面垂直方向打设,初期支护结构的偏压现象得到明显改善;现场优化支护后,左右拱肩呈对称变形,位移量基本相同,偏压得到明显改善。     

破碎围岩大跨公路隧道结构健康度评价方法研究

目前关于大跨隧道结构在松动荷载作用下的受力变形与损伤演化机理研究相对较少,缺乏运营期隧道结构的健康度评价体系与预警标准,不利于掌握隧道结构的安全状态。针对上述问题,文章通过建立二维及三维数值分析模型,研究了Ⅳ级、Ⅴ级围岩下大跨隧道结构在松动荷载下的受力变形特性,并依据变形及破损特征,建立了5级评价体系与3级预警标准。研究结论为:(1)拱部松动荷载作用下大跨隧道的破坏过程分为四个阶段,分别为设计荷载下的弹性受力阶段、拱部松动荷载下的弹性受力阶段、结构开裂后的塑性工作阶段及加速变形破坏阶段;(2)设计荷载下,采用荷载规范计算方法与三维数值模拟方法得出的隧道变形基本一致,验证了数值计算的可行性。通过数值计算,得出Ⅳ级围岩下结构极限承载力为734 kPa,拱顶沉降6.75 cm,边墙收敛1.56 cm。Ⅴ级围岩下结构极限承载力为812 kPa,拱顶沉降10.47 cm,边墙收敛4.06 cm;(3)以拱顶开裂、局部压屈、拱顶拱腰压屈、拱腰压屈达到衬砌厚度的1/3、钢筋拉断为关键节点,以结构受力、拱顶沉降、边墙收敛为评价指标,建立了Ⅳ级、Ⅴ级围岩下大跨隧道的健康度评价体系及预警标准。     

层状千枚岩隧道形变破坏规律与支护措施研究

千枚岩软弱结构面发育,岩体呈互层结构且风化严重。在类似层状岩体中开挖隧道,围岩将出现大变形,严重危及隧道施工安全。文章基于成兰铁路杨家坪隧道,建立宏观层理分布模型,对层状千枚岩隧道形变破坏规律与支护措施展开了相关研究。研究结果表明:岩层法向位移在洞周呈斜向"X"型分布,位移峰值位于隧道拱顶及边墙部位;岩层切向位移位于隧道两斜交45°方向呈"蝴蝶"状分布,位移峰值位于隧道的拱肩及拱脚部位,位移分布不对称性明显;隧道边墙附近围岩主要表现为层面间张拉破坏,隧道拱部附近围岩主要表现为层面间错动滑移破坏。基于以上分析结果,针对现场支护参数提出优化措施,并进行隧道变形及支护受力监测。现场监测结果表明:支护参数经调整后,对围岩形变控制效果明显,有效改善了隧道偏压受力现象。     

泥岩隧道仰拱长期稳定性分析——以新疆达坂地质区某隧道为例

以新疆达坂地质区某隧道为例，分析泥岩隧道仰拱的长期稳定性。通过基于隧道岩体结构、岩块强度和长期变形监测数据的分析，运用H-B强度准则和BP神经网络算法获取监测隧道岩体的力学和蠕变参数。借助FLAC 3D软件内置的CPOWER模型，建立典型断面的数值模拟模型，以分析泥岩流变效应下不同衬砌支护强度和仰拱曲率半径对隧道仰拱运营期稳定性的影响。结果表明：考虑泥岩流变时，隧道的主要变形是仰拱中心的隆起。初次增大支护强度或减小仰拱曲率半径对改善隧道结构的受力、控制围岩变形以及加快围岩的稳定都产生显著效果；然而，随着支护强度持续增大或仰拱曲率半径持续减小，这种控制效果逐渐减弱。当将支护强度从I16工字钢逐渐增大到双层拱架时，仰拱中心的隆起量仍然有11.14 mm；而将仰拱曲率半径从16 m减小到14 m时，仰拱中心的隆起量从33.7 mm减小到3.37 mm，最终的位移满足隧道后期运营的要求。减小仰拱曲率半径比增大支护强度更能有效地从根本上控制仰拱中心的隆起，同时使围岩和支护结构的受力更加均匀；在施工阶段适当减小仰拱曲率半径后，隧道已处于相对平衡状态，流变效应对隧道的应力状态影响不大。     

浅埋膨胀土隧道围岩抗剪强度与支护结构受力特征关系研究

膨胀土吸水后产生的膨胀问题,导致隧道支护结构承受复杂的膨压应力。为研究浅埋膨胀土强度衰减和膨胀效应对隧道支护结构的影响,文章以呈贡隧道工程为背景,首先利用室内直剪试验方法,探明膨胀土的抗剪强度与初始含水量的变化关系;然后基于室内试验结果,采用ABAQUS三维有限元分析模拟软件,研究膨胀土吸水膨胀对隧道支护结构的影响,揭示不同埋深下膨胀土膨胀效应对围岩变形和支护结构内力影响规律。研究结果表明:(1)摩擦角和粘聚力均随含水量的增大而下降,粘聚力受到的影响较大,膨胀土抗剪强度与含水量的关系可采用二次抛物线表征;(2)膨胀土围岩吸水后受到支护结构约束,产生较大的膨胀压力,导致围岩出现破坏,造成隧道仰拱隆起量和边墙水平收敛增大;(3)围岩膨胀后,初期支护结构轴力均匀增加,拱腰处弯矩增加较小,墙脚处弯矩增加较大,使支护结构处于不安全状态;(4)埋深对膨胀变形产生很大的影响,但达到某一极限埋深后将不发生膨胀变形。     

分离式套拱加固带裂缝衬砌的变形规律试验研究

文章基于1∶10的相似比制作拱顶带单条纵向裂缝且裂缝深度为原衬砌厚度1/3的隧道二次衬砌模型,采用弹簧模拟地层抗力,进行了分离式套拱加固衬砌(原衬砌与新增套拱之间增设防水板)的径向加载试验,得出了带裂缝衬砌经分离式套拱加固后的变形规律与破坏模式。结果表明,在松动荷载作用下,分离式套拱加固结构的受力过程分为"初期加载—预制裂缝径向贯通、预制裂缝径向贯通—套拱拱顶裂缝径向贯通、套拱拱顶裂缝径向贯通—试件破坏"三阶段,破坏荷载由原衬砌拱腰截面控制,关键部位破坏顺序为拱顶开裂—拱腰断裂—拱顶破坏,整体破坏性质为脆性破坏。     

白山隧道塌方处治技术及其监测结果分析

白山左线隧道施工中,针对塌方发展过程和塌方机理,实施了一套基于"地表排水、围岩注浆、衬砌增强、基底防降"的塌方综合治理方案。文章分析了方案实施后的地表沉降、拱顶下沉、拱腰和边墙水平收敛的位移变化规律,以及初期支护背后水压力、初期支护与围岩的接触应力、锚杆轴力、型钢拱架应力及二次衬砌混凝土应力的发展趋势。结果表明:在软弱围岩地段,拱墙二次衬砌的施作显著改善了初期支护与围岩的接触应力,有效地减小了地表沉降及隧洞周边位移;同时,拱墙二次衬砌能有效地分担锚杆和型钢拱架的的部分荷载,改善仰拱二次衬砌的受力状况;塌方综合治理方案效果较好,保障了该隧道剩余塌方段的安全施工。     

多心圆拱隧道支护结构内力反演分析的理论研究

在施工环境下对多心圆拱隧道支护结构的内力分布特征进行研究,是保证隧道施工安全的关键措施之一。文章采用弹性地基曲梁理论,基于初参数法和现场围岩量测压力,从理论上推导了多心圆拱隧道支护结构内力计算的反演表达式,并结合集呼高速旗下营隧道某断面围岩压力的实测数据,反演了隧道衬砌结构的内力分布情况,对衬砌结构的薄弱部位进行了安全性评价。结果表明,隧道BG弧段衬砌结构弯矩和剪力较大,在施工过程中应加强该部位的现场监测工作;隧道拱顶部位混凝土可能出现弯拉造成的开裂现象,应注意加强观测。     

中承式梁拱组合桥梁空间静力计算分析

文章以某绕城高速公路上跨分离式立交桥为工程背景,采用空间有限元分析法,对中承式连续梁拱组合桥进行施工阶段及运营阶段静力计算,分析钢管混凝土拱肋与预应力混凝土连续梁及吊杆内力、应力及位移随工序进程的变化规律。计算结果表明,该梁拱组合桥型能够充分利用各自构件的受力特性形成互补,同时拱梁的组合呈现美观的造型又兼具较好的技术经济指标。     

公路隧道穿越浅埋断层破碎带工程处理技术

成(都)简(阳)快速路龙泉山一号隧道进口段施工穿越浅埋断层破碎带时揭示围岩破碎、地下水较发育,施工期间发生了喷混凝土掉块、钢架扭曲变形、拱部下沉、地表开裂等危害,严重影响了隧道结构质量及安全运营.针对发生的初期支护变形及沉降的主要原因,设计中采用了微台阶开挖工法,以及加大预留变形量、设置大拱脚、围岩注浆加固、拆换原支护等处理措施,取得了良好的施工效果.     

大跨度钢管混凝土劲性骨架拱圈外包混凝土浇筑过程力学行为研究

为研究单工作面浇筑对拱圈外包混凝土施工过程的影响,文章依托某在建大跨度钢管混凝土劲性骨架拱桥,利用有限元计算程序MIDAS Civil建立全桥分析模型,对拱圈外包混凝土分环分段浇筑过程中的外包混凝土应力、主弦管钢管应力及拱圈变形情况进行研究。结果表明:单工作面浇筑下拱圈外包混凝土应力总体为逐渐增大,局部位置有突变:由于拱架和外包混凝土的联合作用,以第一环外包混凝土合龙为分界点,弦管钢管未包的最大应力为先增大后减小;拱圈变形表现为“上下交替”出现,,反拱”现象,但整体上随外包混凝土浇筑呈增大趋势。     

大断面黄土隧道初期支护与围岩相互作用机理研究

依托已修建并投入运营的郑西高速铁路,针对开挖面积达170m2的大断面黄土隧道,进行了不同钢架形式作用机理的研究,明确了型钢拱架和格栅拱架的适用条件;采用现场对比试验等研究手段,在浅埋老黄土隧道中分别设置了型钢钢架、格栅钢架对比试验段.试验结果表明,两种钢架初期支护变形相当;两种钢架的应力均在允许值范围之内,但格栅钢架应力较小;格栅钢架的围岩-初期支护接触压力分布较均匀;两种钢架组合支护在控制大断面黄土隧道拱顶下沉方面无明显差异,水平收敛基本相等.另外,基于混凝土早期强度试验,采用围岩-结构法,根据组合支护与围岩的特征曲线,研究分析了围岩与组合支护的相互作用机制,最终得出了格栅钢架在大断面黄土隧道中的适用条件,以及在不同围岩条件下初期支护的设计参数.     

对《JTGD70-2010公路隧道设计细则》结构计算部分条文的修改意见

隧道结构问题的复杂性决定了目前隧道设计依然是以经验类比法为主,结构计算分析为辅。由于隧道的荷载和结构计算原理的研究难度较大,比较复杂,导致《JTGD70-2010公路隧道设计细则》中结构计算方面存在的一些问题没有得到及时发现与修正。文章针对细则中深埋连拱隧道围岩松散压力计算方法、初期支护与二次衬砌计算模型的拱脚约束方法、钢拱架与喷射混凝土进行强度校核时弯矩仅由钢拱架承担等方面存在的问题,进行了分析与探讨,并提出了相应的修改意见,建议在下一版细则修订时,使其更加完善,从而更好地用来指导隧道结构计算与设计。