通透肋式拱梁隧道结构分析

 基于对浅埋傍山隧道稳定性控制因素以及传统设计方案缺陷的分析,提出一种全新的隧道结构——通透肋式拱梁隧道,该隧道由拱顶山坡横向管棚支护体系和肋式拱梁结构有机组成,形成了完整的承力体系,最大程度地避免了山坡切削,无需通风采光系统,综合体现了工程安全、环保、节能和景观协调的统一。结合实际工程,对通透式拱梁隧道设计原理和结构特征进行分析,并采用数值模拟方法对其变形受力特征和整体开挖加固方案进行了系统研究,确定隧道围岩的松弛范围,制定拱顶山坡横向管棚注浆的加固方案,并通过不同开挖方案的对比分析,提出“先暗后明”的总体建设方案。最后,以施工监测数据及其工程实践的成功实现,验证分析成果的合理性和通透肋式拱量隧道建设方案的可行性。     

陡倾岩层隧道开挖力学特性研究

陡倾岩层隧道由于层状结构的存在,在开挖过程中,围岩的破坏机理与方式、围岩与结构的变形、受力等特征明显不同于其它岩体隧道。本文在陡倾岩层隧道开挖破坏机理探讨的基础上,通过三维数值模拟,对不同陡倾角条件下围岩与结构的变形、受力特征进行了计算,分析了隧道开挖力学特性与倾角的关系,提出了陡倾岩层隧道设计施工建议。计算结果表明:倾角越大,隧道发生顺层滑移破坏的概率越大,地表沉降、拱顶位移、围岩主应力随倾角的增大而增大,但拱脚位移、围岩剪应力、喷射混凝土内力与倾角并非一致性关系。     

波纹板隧道支护结构分析方法与承载特征

波纹板结构相比钢筋混凝土结构其力学、耐久性能更好,且施工工期更短。将其应用于隧道支护领域具有重要的理论意义和工程价值。本文通过有限元数值模拟,建立梁、壳两种单元组合成的波纹板结构模型,并对不同荷载模式下的承载力进行了计算。研究表明:梁、壳单元模型应力、位移相差不大;波纹板结构在以竖向荷载为主导时,隧道拱顶位置受力及沉降最大;而在水平荷载主导下隧道边墙位置受力、外扩最大。其中梁、壳单元模拟的波纹板结构整体几乎均受压,且结构波峰主要承担外侧围岩荷载,波谷主要承担结构变形挤压所产生的力;波纹板结构在集中力荷载作用下,作用于拱顶时结构应力、位移较小,作用于拱腰时结构位移较大,作用于拱脚时结构应力较大。该波纹板支护结构的应用可以为隧道支护领域提供更多的选择,具有良好的工程应用前景。     

隧道围岩破坏过程数值模拟方法研究

从理论上分析了隧道围岩渐进性破坏机理,以江西某隧道Ⅴ类围岩为背景,基于离散元理论,模拟了隧道围岩的破坏过程,并与现场结果进行了比较分析,PFC模拟结果与现场基本一致,结合数值计算的结果,提出了围岩动态压力拱的概念,研究成果对隧道塌方事故的预防及治理的研究提供了参考。     

隧道围岩的复合结构特性及其荷载效应

 基于地层岩土体的结构性和工程扰动特点,建立复合隧道围岩结构模型,提出围岩结构稳定性及其荷载效应的计算方法,实现荷载结构模型与地层结构模型的耦合。隧道施工引起的应力释放伴随着应力的转移,通常是由围岩中的压力拱实现传递的,表现出围岩的渐进破坏特点,按其稳定性特点可将围岩分为浅层围岩和深层围岩;深层围岩破坏的不连续性和阶段性本质上是由其分组特性所致,而每一组围岩则呈现同步或几乎同步运动的特点,并且一组围岩的失稳随即在其外侧形成一组新的岩层结构,用以维持其外部围岩的稳定,表现为随时空转化的复合拱结构模式;每组深层围岩通常是由“结构层”和“荷载层”构成,其中分层厚度较大、强度和刚度相对较高的岩层作为结构层控制着整组围岩的稳定性,通常位于围岩组的内侧,而厚度较小、强度和刚度也较低的岩层则作为荷载层而作用在结构层上。揭示结构层的失稳机制并给出相应的判据;明确提出复合隧道围岩结构的荷载效应是由浅层围岩的给定荷载和深层围岩的形变荷载组成,给定荷载取决于浅层围岩范围和性质,而形变荷载组取决于对结构层控制位态和传力岩层的刚度条件。     

浅埋偏压隧道进洞施工力学特性研究

隧道进口段围岩常常具有浅埋、偏压、风化严重等特点,若施工处理不当,极易造成洞口边、仰坡滑动和洞内塌方等事故,从而影响隧道正常施工和人员安全。结合具体工程,对浅埋偏压隧道进洞施工开展了三维数值模拟,并结合监测数据分析了施工对围岩和支护结构力学特性的影响,主要结论如下:围岩变形具有非对称性,浅埋侧围岩变形量要小于深埋侧;随着隧道的逐步开挖,隧道深埋侧拱脚和浅埋侧拱肩处围岩易于发生剪切破坏,而且围岩的塑性区也主要位于这两个区域,并逐渐向拱顶上方贯通;初期支护结构的受力状态受偏压地形影响显著呈非对称性,而超前支护受偏压影响较小;现场实测围岩变形与计算结果较为吻合,且变形在22天后达到稳定状态。     

变埋深下软弱破碎隧道围岩渐进性破坏试验与数值模拟

 以一定范围内埋深(25～60 m)的3车道公路隧道软弱破碎围岩(公路隧道IV级)为研究对象,研制相似模型材料和配套试验设备,再现开挖后围岩的渐进性破坏全过程,分析不同埋深下围岩的应力场特征。通过模型材料室内试验获取岩体相关计算参数,引入弹塑性损伤本构模型对试验工况进行有限元数值模拟,计算结果与模型试验吻合较好。综合模型试验和数值模拟结果,可以得出以下结论：(1) 围岩破坏区是隧道塌落荷载的来源,主要集中在拱顶上方区域,在两侧边墙下方和拱底也有局部存在;(2) 隧道埋深对围岩破坏区域大小有重要影响,随着埋深的增大,围岩破坏区域呈渐进扩大趋势;(3) 围岩内的周向应力在隧道开挖后先升高而后逐渐降低,其最大值所在位置即对应压力拱位置,且该位置随着破坏区域的扩大而不断向围岩内部移动,形成动态压力拱现象;(4) 通过对围岩内部周向应力最大值的测试来获取隧道压力拱范围,并进而确定围岩塌落荷载大小,这在理论上是可行的。     

公路隧道喷射混凝土套拱加固结构力学特性

为研究喷射混凝土套拱加固前后二次衬砌与混凝土套拱的受力状况,依托陕西汉中至留坝段八里关隧道,运用有限元软件建立隧道混凝土结构套拱加固分析模型,并通过现场监测获取二次衬砌与套拱间的接触压力、套拱格栅拱架钢筋应力、套拱混凝土应力,将数值模拟结果与现场测试结果相结合,得出套拱结构的一般受力变化规律。结果表明:套拱加固前衬砌结构的最不利荷载位置位于施工缝附近的拱顶、拱肩与拱脚处; 由于衬砌局部变形与温度应力的影响,套拱混凝土应力变化呈现反复“上升-下降-上升”最后趋于稳定的特点; 套拱的作用是控制二次衬砌的进一步变形,套拱施作后所承受荷载较小,套拱反作用力远小于围岩作用于衬砌的应力,在应力计算中不应将衬砌与套拱作为整体计算; 套拱结构数值模拟所得的结果与现场测试套拱结构内力(轴力、弯矩)的大小及分布相似度高,但在衬砌裂损严重部位,数值模拟所得结果误差较大,应以现场测试结果为准。     

Investigation of mechanical performance of prestressed steel arch in tunnel

In the traditional tunneling method, the steel arch are often adopted to support surrounding rock to ensure the structural stability. If the steel arch is prestressed in time, tunnel support can effectively prevent the development of rock crack, thereby increasing the overall strength of tunnel support and suppress the deformation of the surrounding rock. Based on the mechanical model of steel arch established in this paper, the stress distribution of steel arch is investigated via the numerical simulation method, and the impact on surrounding rock is also analyzed. Through a field test, the rules of the arch strain distribution are observed and discussed. The results show that the prestressed steel arch structure can provide effective support and the stress gradually decreases from stress point to another arch springing. Furthermore, the stress distribution applied by the prestressed steel arch on the surrounding rock is uniform in a certain extent, and it is suggested that this construction method utilizing the prestressed steel arch to squeeze surrounding rock is feasible from a theoretical view.     

白卡纸双联拱隧道模型承载力试验

双联拱隧道在特殊地质及地形条件地区的公路建设中应用广泛。依据第四届全国高校城市地下空间工程专业大学生模型设计竞赛题目,以巴西白卡纸为原材料制作双联拱隧道结构模型,采用理论计算、模型试验和数值模拟相结合的方法,对双联拱隧道模型进行设计及优化,得到模型结构的承载能力和变形特性,模型极限承载力和破坏形态可为结构优化与局部加固提供参照,对地下空间模型结构设计竞赛和实际隧道的设计具有一定借鉴意义。