峨汉高速隧道排水系统结晶规律室内模拟试验

【目的】为探索隧道排水系统在地下水渗流作用下排水管道内结晶堵塞分布规律,提出峨汉高速隧道排水系统结晶规律室内模拟试验。【方法】依托峨汉高速廖山隧道工程,建立1∶5隧道排水系统室内模拟试验,同时结合现场取样地下水分析结果配置相同离子成分的试验溶液开展室内试验。【结果】结晶堆垛方式主要是大量堆垛,属于同分异构晶体类型,主要成分为方解石型碳酸钙;随着水流量增加,结晶量提高,结晶速率越快,其中横向排水出口的266.8 mL/s水流量工况下的累积结晶总量最高;缓和的排水管坡度有利于隧道排水管道内结晶物的生成;排水管接头处结晶总量（30%）>横向排水出口（27%）>横向排水管（19%）>纵向排水管（15.2%）>环向排水管（8.3%）,隧道排水系统中结晶堵塞的关键位置是排水系统接口处和横向排水管出口处。【结论】研究有效分析出了排水管道内结晶堵塞分布规律,对保障隧道排水系统通畅有效运行具有重要意义。     

浅埋隧道局部存水冻胀作用机制与安全性评价

为揭示寒区隧道局部存水冻胀作用机制并提出有效的衬砌结构安全评价方法, 设计了三维地质力学模型试验, 通过设置3种积水范围冻胀试验工况, 观测冻胀过程中裂缝开展和衬砌结构受力等情况; 改进了局部存水冻胀数值计算方法, 建立了基于岩体力学法并耦合冻胀力和围岩荷载的冻胀数值模型, 对比了不同存水位置、不同局部存水厚度和不同存水范围下隧道冻胀力和结构内力的变化规律, 进一步揭示了局部存水冻胀对隧道受力的影响机制, 评判了衬砌结构的安全性。分析结果表明: 局部存水冻胀具有显著的区域性特征, 衬砌冻胀开裂发生在局部存水与非存水交界处, 冻胀力大小取决于交界处冻胀产生的应力集中效应, 衬砌裂缝多为纵、斜向裂缝; 衬砌局部存水冻胀最不利位置由优到劣依次为拱脚、边墙、仰拱、拱腰和拱顶, 衬砌受力随局部存水厚度的增大而增大, 局部存水范围的增大有利于衬砌受力均匀化; 不同部位局部存水冻胀条件下衬砌结构容许压应力比均小于1, 满足抗压检算要求; 拱顶、拱腰和仰拱容许拉应力比均大于1, 不满足抗拉检算要求, 实际工程应针对上述部位采取适当的防冻胀措施予以处治; 揭示的隧道局部存水冻胀作用机制和建立的衬砌结构安全性评价方法为寒区隧道冻害防治提供了一定理论依据。      

基于隧道火灾损伤的衬砌安全性分析与评价

基于某隧道火灾过火段的结构安全性分析和评估,从衬砌结构变形及应力方面入手,通过工程类比、理论和数值分析等手段对特征隧道断面进行加固整治前后的二次衬砌结构安全性验算,验算指标包含衬砌抗压强度、抗拉强度和结构安全系数。结构安全性验算的主要特征断面选择在Ⅳ级围岩、Ⅴ级围岩和紧急停车带上,主要验算工况包含火灾前工况、火灾后拱圈不同剥离深度工况和加固施工后工况。安全性分析与评价表明,部分隧道过火段存在不同程度的衬砌结构失稳风险,加固施工后衬砌结构的位移与受力状态得到明显改善,各验算指标限值满足规范要求。     

超高边坡开挖对既有隧道衬砌结构安全影响分析

以某临近既有隧道的道路改建高挖方边坡工程为研究对象，利用有限差分软件模拟分析了边坡逐级开挖过程中隧道衬砌结构变形与主应力的变化规律，计算了衬砌结构安全系数进而评价隧道结构稳定性，并结合现场测量数据分析验证仿真模拟的可靠度。结果表明：随着超高边坡逐级开挖，隧道衬砌结构各部位变形均增大，最大主应力从压应力变为拉应力而最小应力均表现为压应力；安全系数大幅度降低，Ⅲ阶段右拱腰存在局部破坏风险，Ⅳ阶段拱顶与左边墙易受拉破坏；模拟值高于实际值，减少边坡爆破施工可确保隧道运营阶段的安全性，可为相似工程提供一定参考价值。     

不同滑带角度滑坡作用下隧道衬砌结构受力特征

随着越来越多的隧道工程穿越滑坡区，滑坡与隧道相互作用过程的研究尤为重要. 为研究不同滑带角度滑坡对隧道衬砌结构受力的影响，以大（同）准（格尔）铁路南坪隧道为例，采用室内模型试验、数值模拟的方法，对0°、10°、20°、30°、40°、50°不同滑带角度条件下滑坡推力作用下隧道衬砌结构受力的影响特征及变化规律进行研究. 研究结果表明:滑带角度越小，隧道变形越大，作用在隧道衬砌结构上的弯矩、剪力及土压力越大，并在拱脚处出现最大值，形成隧道拱结构左右受力不对称特征，呈现偏压现象；通过计算隧道拱结构左右两侧的竖向偏压应力比显示，在拱肩位置且滑带为0时，偏压应力比为1.17，随着滑带角度的增大，隧道衬砌拱结构左右应力差越来越小，趋于平衡拱；在拱脚位置，偏压应力比随滑带角度的增大而逐渐增大，隧道衬砌拱结构左右两侧所受应力差越来越大，趋向于偏压隧道，最小偏压比和最大偏压比分别为1.08、1.87.      

考虑隧道围岩蠕变的复合式衬砌受力规律

将锚杆作用力视为体力作用于围岩内, 将初期支护与锚杆锚固范围内的围岩视为围岩加固体, 建立了围岩力学模型, 基于统一强度理论分析了隧道蠕变条件下的围岩应力与变形规律, 推导了复合衬砌应力与变形表达式, 分析了隧道围岩蠕变过程中支护结构受力特点及不同初期支护强度下二次衬砌受力变化规律。分析结果表明: 当初期支护按照“初期支护应与围岩共同受力且能保证施工阶段安全”的原则进行设计时, 在围岩蠕变作用下, 锚杆与喷射混凝土最大受力分别为48、286kPa, 与开挖阶段相比分别增大了57.5%、13.7%, 且超过支护结构最大承载力, 说明在进行初期支护设计时, 仅满足隧道开挖过程中围岩稳定而不考虑蠕变产生的附加应力影响, 可能造成隧道运营过程中初期支护结构破坏, 不利于隧道稳定; 当二次衬砌厚度由300mm增大至500mm时, 二次衬砌最大受力增大了40.5%, 荷载分担比由25.2%增大至36.2%, 而增大初期支护强度后, 二次衬砌受力减小了14.5%, 荷载分担比由25.2%减小至22.3%, 说明二次衬砌荷载随初期支护强度增大而减小, 而随自身强度增大而增大, 应重视初期支护与二次衬砌支护强度的协调配置, 实现围岩压力的合理分配; 在软岩地质条件下, 应保证隧道施工过程中围岩稳定并避免围岩蠕变过程中发生结构破坏, 以实现初期支护与二次衬砌共同承担蠕变引起的附加应力。      

主应力方向对软岩隧道稳定性影响的试验研究

为探明高地应力场主应力方向对软岩隧道围岩稳定性的影响规律,采用自主研发的"隧道三维应力场模拟试验系统"开展了大型三维地质力学模型试验,研究了最大水平主应力与隧道轴线平行和垂直两种工况下软岩隧道的围岩稳定性.研究结果表明:最大水平主应力与隧道轴线平行时,拱顶沉降和拱脚收敛的最终值分别为-0.221 m和-0.454 m,拱顶、左拱脚、右拱脚和仰拱处的围岩压力分别为0.478、0.361、0.416 MPa和0.261 MPa;最大水平主应力与隧道轴线垂直时,拱顶沉降和拱脚收敛的最终值分别为-0.309 m和-0.548 m,拱顶、左拱脚、右拱脚和仰拱处的围岩压力分别为0.579、0.652、0.593 MPa和0.327 MPa;两种工况下,围岩压力的最小值均出现在仰拱处、最大值均出现在墙脚处,围岩的径向应变增量均为拉应变增量,切向应变增量均为压应变增量,说明隧道开挖导致洞周围岩径向应力减小、切向应力集中.      

浅埋软弱围岩隧道施工技术

随着我国公路建设日新月异．隧道建设项目日益增多。在隧道施工建设中常会遇到浅埋地层松散软弱,破碎围岩带等不良地质段。由于浅埋地层埋藏较浅,大都是风化破碎的隧道围岩,受力复杂,导致围岩和支护应力分布和变形非常复杂．尤其是在地形起伏较大的丘陵地带,在隧道施工中．面临更为复杂的围岩应力分布和衬砌受力变形状况,增加了设计和施工难度。     

河道蓄水工程上跨既有高铁隧道流固耦合效应分析

对于顶部存在天然河道的既有隧道,河道蓄水工程实施过程及长期蓄水后,由于周边地层渗流条件和围岩特性的改变,影响既有隧道结构安全.以天水市籍河生态环境综合治理二期工程上跨宝鸡至兰州客运专线高铁隧道为工程背景,按蓄水工程与隧道的空间交叉关系建立三维有限元模型,基于流固耦合作用进行数值分析,分别计算河底清淤整修、中隔墙施做、河道蓄水等不同工况下隧道周边地层应力场、位移场、渗流场、隧道结构主应力及隧道安全系数,在河道蓄水工况下,重点比较了水平防渗和垂直防渗对既有隧道的影响,结果表明:在该地层条件下,河底清淤整修、中隔墙施做等施工作业对既有隧道均有不同程度影响,河道蓄水后,隧道周边孔隙水压力增加,进一步引起隧道位移和结构应力增加,结构安全系数降低;水平防渗措施可减小隧道周边孔隙水压力、结构位移和应力,提高结构安全系数,可保证既有高铁隧道的防渗及结构安全要求.     

衬砌背后空洞对隧道结构安全影响的模型试验研究

隧道衬砌背后空洞现象是隧道建设与运营中主要病害之一,这会改变隧道衬砌与围岩的相互作用关系,引起隧道结构应力集中而破坏。采用物理模型试验方法,模拟了隧道衬砌背后无空洞、单空洞、多空洞等3种工况。通过对比分析这3种工况在上覆荷载的作用下围岩压力、衬砌轴力及弯矩变化规律,获得了以下主要结论:①隧道无空洞时,衬砌与围岩接触良好,围岩压力、衬砌轴力及弯矩均随上覆荷载的增加而增大;②隧道衬砌背后存在空洞时,空洞范围内围岩压力无法传递到衬砌结构上,导致围岩压力、衬砌轴力及弯矩均随上覆荷载增加而减小,但衬砌结构因偏心距增大容易发生开裂破坏;③衬砌背后空洞对衬砌拱顶安全系数的影响最大,空洞数量越多安全系数降低越明显,但未改变安全系数在隧道横断面内的分布规律。     

岩溶隧道排水系统堵塞影响因素分析

鉴于岩溶区隧道普遍存在排水系统堵塞问题,调研工程实例并探讨岩溶隧道排水系统结晶发育有关影响因素的作用机理就显得尤为重要。研究结果表明,可以依据岩溶隧道排水系统堵塞的原因将堵塞的类别划分为非结晶堵塞和结晶堵塞两方面。研究指出隧道排水系统非结晶堵塞主要与施工和设计的缺陷有关,针对部分不足之处提出了一些建议和解决思路;隧道排水系统结晶堵塞则主要与CO2分压、pH值、温度、水动力因素有关,除此之外由于支护混凝土溶出物导致的排水系统结晶发育以及支护结构耐久性降低等问题也不容忽视。现阶段相关问题的治理措施并不理想,应加强隧道施工和设计阶段排水系统结晶堵塞的预防工作。     

软弱岩体双连拱隧道施工力学响应分析

在软弱岩体环境下,针对大跨度双连拱隧道施工过程中衬砌、中隔墙及围岩等结构受力状态复杂、变化频繁等特点,以某大跨径双连拱隧道为实例,对隧道施工开挖全过程进行了数值模拟计算,系统分析了隧道围岩、中隔墙随隧道的开挖和支护过程的应力及塑性区的发展、变化规律,得到了采用侧壁导洞法施工时,隧道施工力学行为的变化规律,对同类隧道设计及施工具有参考意义。     

空气动力学效应作用下高速铁路隧道细观力学数值模拟

在隧道衬砌压力变化规律研究的基础上,从混昆凝土细观力学的角度出发,建立了含初始孔隙的混凝土细观力学模型,对在高速列车运行条件下隧道中截面衬砌拱顶混凝土的力学特性进行了模拟计算,获得了不同时间点x方向应力图和第一主应力图,研究表明:高速铁路隧道空气动力学效应对高速铁路隧道衬砌的细观力学特性和耐久性有重要影响.     

连拱隧道二衬结构受力优化设计

连拱隧道由于其中墙结构型式的不同,其二衬结构型式也各不相同。为了准确反映不同中墙型式的二衬结构受力特性,建立平面有限元"荷载-结构"模型,对不同中墙连拱隧道的二衬结构受力特性进行了分析,明确了整体式中墙与二衬开裂的原因,并提出了连拱隧道合理的衬砌结构型式及不同二衬结构的设计要点。     

浅埋富水地层防水型铁路隧道衬砌结构力学特性分析

运用荷载-结构法,计算分析了不同地下水位线对浅埋富水地层铁路隧道衬砌结构轴力、弯矩峰值大小及位置的影响。计算分析结果表明:随着地下水位的降低,衬砌结构轴力峰值不断减小;衬砌结构弯矩峰值呈现出不同程度的波浪形增大;轴力在衬砌横断面上呈“鸡蛋”式分布。当地下水高于拱顶时,隧道衬砌结构轴力和弯矩值都比较大,设计时应将水荷载作为浅埋富水地层隧道结构受力的主要荷载之一。     

寒区隧道冻胀效应测试与分析

为研究寒区隧道冻胀力随时间和空间的分布规律, 基于温度场变化定义了测试冻胀力, 通过衬砌压力和钢架应力间接反映真实冻胀力的变化规律; 提出了冻胀力简化测试方法, 研发了温度场-冻胀力同步测试系统; 以四川省省道215线鸡丑山隧道为例, 布置5个测试断面开展大规模现场测试, 并选取典型断面K117+700 (简称700断面) 和K117+600 (简称600断面) 分析了隧道环境温度、围岩温度、衬砌压力与钢架应力; 以围岩冻结(12~次年2月) 和未冻(7~9月) 时对应的衬砌压力和钢架应力差值为测试冻胀力, 结合温度场分析了隧道周边各测点测试冻胀力; 采用现有冻胀模型计算理论冻胀力, 并与测试冻胀力进行了对比, 研究了寒区隧道冻胀规律。分析结果表明: 隧道环境温度随时间呈季节性正弦函数变化, 受环境温度影响, 围岩温度呈季节性正负温变化, 并出现季节性冻融现象; 当围岩为负温时处于冻结状态, 支护系统受到围岩压力和冻胀力的共同作用, 且温度越低冻胀效应越明显, 各断面测点应力峰值均出现在1月, 700断面衬砌和钢架最大应力分别为149kPa、31MPa; 当围岩为正温时处于未冻结状态, 支护系统仅受到围岩压力作用; 同一断面不同测点的测试冻胀力差值可达5.23MPa, 说明冻胀力除与围岩温度有关外, 还与富水条件和围岩级别有关; 最大冻胀力实测值比理论计算值小1.25MPa, 因此, 寒区隧道支护设计时建议考虑89.17%的冻胀力折减系数。      

千枚岩隧道施工变形与稳定性分析

以某高速公路千枚岩隧道为研究对象，采用数值模拟分析和现场监测两种方法研究了千枚岩隧道施工过程中初期支护的变形规律和二次衬砌的受力状态，并与现场实测数据进行对比分析。在开挖过程中隧道衬砌支护结构变形量大，完工后逐步趋于稳定；二次衬砌主要承受压应力，局部承受拉应力，但均小于极限应力值，衬砌结构稳定，相关研究结论对指导类似隧道施工具有工程实践意义。     

隧道地下水渗流场和水位的变化规律

基于数值模拟方法,研究了隧道开挖后有、无衬砌支护情况下地下渗流场和水位的变化,并分析了双孔隧道对渗流场的影响。通过分析,得出了不同工况下孔隙水压力的变化和渗流场的影响范围,并且得出了地下水位与时间的关系,为隧道的设计、施工以及隧址区环境的保护提供依据。     

衬砌裂缝对隧道稳定性的影响分析

由于地质、设计、施工以及运营管理等方面的原因,运营中的隧道常常出现一系列的病害,其中最常见的就是隧道衬砌裂缝,严重影响了隧道的交通运营安全。以重庆八一、向阳隧道的病害治理工程为背景,运用有限元软件ANSYS对隧道衬砌裂缝受力性能进行数值模拟分析。结果表明:衬砌裂缝的存在导致衬砌应力集中,严重时甚至影响隧道结构的稳定性;裂缝深度越大,隧道结构位移、应力越大,裂缝尖端的应力集中现象越明显,最终应力达到材料的强度极限,从而导致隧道的失稳破坏。     

基于温度比拟法的隧道衬砌水压精细化模拟分析

为验证温度比拟法在隧道衬砌水压计算中的精度与可行性,在隧道开挖未支护、施作衬砌以及围岩注浆3种工况下,将该法的计算结果与理论解析法轴对称解、流固耦合法进行对比.针对高速公路典型双车道马蹄形断面建立含有隧道防排水系统的精细化模型,研究衬砌外水压力在隧道横断面和纵断面上的分布规律.结果表明:施作衬砌后,衬砌外水压力明显增大,围岩注浆则可在围岩和衬砌之间形成水压过渡缓冲区,使衬砌外水压力减小;衬砌外水压力在纵向排水管以上呈周期性分布,在排水节间中部最大,在环向排水管处最小;横断面水压则呈现倒葫芦形,在拱脚处最小,在拱顶和仰拱处较大;在既定的计算假设下,温度比拟法与轴对称解的最大误差为0.3%,与流固耦合法的最大误差为14.8%,满足工程精度要求.