高速公路隧道明洞合理回填坡率与厚度分析

结合某高速公路隧道工程实例,以隧道进出口拱形明洞为研究对象,分析了明洞各典型截面在不同回填坡率、不同回填厚度下的内力变化规律及差异,并以拱顶截面安全系数为标准分析总结了各回填坡率下最大回填土厚度,计算结果具有一定普遍性。无特殊构造要求的明洞结构,洞室形状尺寸与该工程类似的均可根据洞顶回填坡率确定最大回填土厚度。     

覆土波纹钢板拱桥施工过程的受力分析

基于一座实际的覆土波纹钢板拱桥,利用有限元方法建立了三维空间受力分析模型,采用现行公路规范的方法计算了不同覆土施工阶段的土压力荷载,对该桥覆土的施工过程进行了模拟,计算分析了覆土回填过程中关键截面变形和内力的变化规律。计算和分析结果表明,波纹钢板拱桥的各关键截面变形和内力随覆土回填过程发生较大变化,覆土初期拱两侧受到填土压力的挤压而下挠,同时拱顶处出现了反拱现象,且随覆土高度的增加拱顶处反拱逐渐增大,各截面的应力也均逐渐增大;覆土回填至拱顶之后,随覆土高度的增加拱顶处的反拱逐渐减小,同时拱顶拉应力也明显减小,整个拱圈趋于受压状态。因此,施工中应严格分层对称回填、压实,并应特别注意覆土回填至拱顶附近时结构的位移和应力变化。     

波纹钢板拱桥应用与设计施工技术研究

通过刚度等效的原则将波纹钢板简化为平钢板,利用大型通用有限元程序ANSYS对波纹钢管拱桥在其两侧及顶部土体回填的各个阶段进行了计算和分析。研究结果表明,波纹钢管拱桥在施工过程中,两侧交错回填土体高差不宜过大,应尽量对称回填、尽早压实,以避免拱体发生不均匀挤压现象;拱顶位移和应力的最大值发生在土体回填即将覆盖拱顶的施工阶段,因此,施工过程中应密切关注和监测覆土即将盖过拱顶时结构的位移和应力。     

不同应力场软弱围岩公路隧道结构安全性数值分析

针对目前隧道衬砌结构在运营中出现较多病害的现状,运用数值计算手段,建立三维有限元数值模型,对不同应力场软弱围岩公路隧道结构安全性进行了评价,详细研究了衬砌结构在不同应力场作用下出现裂缝时的应力和变形,研究结果表明:不同应力场,隧道衬砌结构均先在拱脚处出现裂缝;随着侧压力系数的增大,衬砌结构承载减小;拱脚处应作为隧道结构长期安全性应力监控的重点;另外,在λ为0.5、1.0的应力场中,边墙处压应力值也较大,而在λ为1.5的应力场中,拱顶处的压应力值较大;隧道结构在长期安全性变形的监控中,在λ为0.5的应力场中,边墙、拱顶处应重点监控;在λ为1.0的应力场中,拱肩、拱顶处应重点监控;在λ为1.5的应力场中,拱腰、拱顶处应重点监控.     

海底隧道施工缺陷对衬砌安全性影响研究

根据厦门翔安海底隧道的施工缺陷记录,分析了施工缺陷对衬砌安全性可能造成的影响。采用三维非线性有限单元法,对海底隧道衬砌背后空洞及衬砌厚度不足两种病害进行了数值模拟分析。研究结果表明,不同位置及程度的衬砌背后空洞均会对衬砌整体安全造成影响,拱顶背后空洞不会改变裂缝分布位置,拱腰背后空洞会使衬砌裂缝分布位置发生变化并产生新的裂缝。不同位置及程度的衬砌厚度不足,均只对衬砌厚度不足截面附近位置结构安全产生较大影响;拱顶衬砌厚度不足将会导致拱顶及拱腰产生裂缝,拱腰及边墙衬砌厚度不足不会使衬砌出现新的裂缝。     

TBM豆砾石回填灌浆密实度对支护效果的影响研究

双护盾TBM(tunnel boring machine)采用预制管片、回填豆砾石和灌浆的方式进行施工,使管片、回填层与围岩形成整体的支护结构。豆砾石回填灌浆的密实度是影响TBM隧洞工作性能的重要指标,但实际工程中回填灌浆的密实度往往较低。为了研究不同回填密实度对围岩变形、屈服状态及衬砌受力等的影响,基于多雄拉隧洞掘进的数值仿真,提出一种随机单元模型,用于模拟不同的回填灌浆密实度,对豆砾石回填灌浆的密实度与围岩、管片支护结构的力学状态的关系进行分析,并根据对围岩变形的影响将回填灌浆密实度划分为A～E 5个等级,同时给出相应的回填灌浆密实度建议。此外,对顶部和侧部局部不密实对支护效果造成的影响进行模拟和分析。通过分析可知:回填灌浆密实度过低,会导致管片应力分布不均匀且产生较大拉应力,也会产生较大的围岩变形和屈服区分布;对于Ⅲ类围岩及以上围岩,建议回填密实度在70%以上,对于比Ⅲ类围岩质量差的围岩,建议回填密实度在80%以上。另外,通过计算可知顶部回填不密实的风险大于侧部,且当回填不密实比例为1/6时应力分布最不均匀。研究成果可为类似工程提供密实度评价及为补灌处理提供借鉴。     

偏压荷载对箱型明洞受力影响及设计要点

为研究偏压荷载对箱型明洞结构受力影响，为该类明洞结构的设计提供理论依据，以某道路开孔箱型明洞工程为例，采用ANSYS有限元数值模拟方法进行计算分析,综合研究结果表明： 1）偏压回填箱型明洞靠山侧墙底部和外侧墙顶部受力较大，设计配筋时需要加强； 2）靠山侧墙背回填土侧压力对明洞结构受力影响较大，改善回填材料内摩擦角大小可以有效降低明洞结构内力，当内摩擦角增大到47°时最为经济； 3）可以通过在明洞洞顶回填EPE的方式减轻洞顶冲击荷载，降低明洞内力，最优回填厚度为0.9 m。     

基于围岩浸水的黄土公路隧道衬砌开裂分析

针对甘肃省境内某黄土公路隧道的衬砌开裂现状,采用统计分析的方法对隧道衬砌裂缝的分布特征进行了系统研究;通过有限元数值模拟,详细分析了多种围岩浸水工况下隧道结构的变形规律和应力特征,并将数值模拟结果与隧道现场裂缝分布特征进行对比,给出了围岩浸水恶化条件下衬砌结构开裂的原因、规律和特征。研究结果表明:地表水通过土体裂缝入渗是衬砌开裂的主要原因,衬砌裂缝主要分布于拱部和边墙;围岩发生浸水后,浸水范围内的土体强度降低,失去承载力,隧道上部围岩下沉,挤压衬砌结构;随着围岩浸水范围的扩大,隧道结构的受力与变形状态逐渐恶化,结构呈压扁趋势且产生偏压,引起拱部内表面被拉裂,边墙内表面由于局部压应力过大产生开裂;拱部开裂先于边墙且开裂情况最为严重,隧道上下行线相邻两边墙衬砌开裂情况较另外两边墙严重,数值模拟结果与现场衬砌裂缝特征基本吻合;在相似工程条件的黄土隧道设计时,应加强隧道拱部结构的抗拉性能和边墙结构的抗压性能。     

高地温隧道荷载模式及二次衬砌安全特性研究

为解决高地温隧道衬砌结构受力特性不明晰问题，以川藏线桑珠岭超高地温隧道为工程依托，采用现场试验和热-力耦合数值计算手段，研究二次衬砌在高地温环境下的力学特性和安全特性，提出高地温隧道荷载设计方法。结果表明： 高地温隧道二次衬砌施作后10 d内应力变化较大，20 d后趋于稳定；最大拉应力位于拱顶处，最大压应力出现在边墙处；高地温隧道荷载修正系数可表示为围岩初始温度的多项式关系；衬砌内外侧压应力均随围岩温度升高呈现出增大趋势，但各点增大速率存在一定的差异，拉应力值随温度呈波动增长；最小安全系数出现在拱顶，随围岩温度的升高而降低，当温度高于60 ℃时，存在被破坏的可能性；二次衬砌最大裂缝宽度位于拱顶处，随着温度升高，裂缝宽度增大。     

浅埋偏压小净距三洞并行隧道合理开挖顺序、工法与明洞施工研究

为研究浅埋偏压小净距三洞并行隧道的合理开挖顺序、施工工法及明洞施工影响，基于甬舟公铁路中公路涨茨隧道与铁路洋山隧道并行段，建立三维偏压山体与三洞并行模型，对不同开挖顺序与工法下围岩、支护结构受力变形展开比选研究，并对明洞施工的作用效果及合适施作时机展开研究。(1)铁路隧道与公路左线拱底隆起区、与公路右线拱顶沉降区产生贯通，且公路隧道塑性区集中于近铁路隧道中下侧；隧道开挖导致自身洞周变形加速，相邻隧道拱顶、地表隆起，近侧拱腰扩张、对侧拱腰收敛。(2)公路左线拱顶、地表在相邻隧道施工时会出现隆起，且先开挖左线隆起时间最短，先开挖左线的工法中顺序3(公路左线-公路右线-铁路隧道)在围岩支护体系受力变形最优。(3)考虑施工速度及减小偏压隧道工法导致围岩扰动，提出三洞采用CD-二台阶-反向CD的新工法。该工法能进一步减小结构受力变形，并对铁路隧道拱腰收敛改善效果显著。(4)左线明洞施工回填土处未发生塑性破坏，且可以改善支护结构受力数值及不均匀(初支在左拱腰、二衬在右拱脚受力较大)的情况；左线明洞-左线暗洞-右线为最佳明洞施作时机，减小了支护体系的受力变形以及铁路隧道与右线的拱底隆起，并对右线左拱...     

连拱隧道衬砌厚度不足对结构安全性的影响研究

为解决因衬砌厚度不足而诱发的连拱隧道结构裂损及安全问题，针对整体式曲中墙连拱隧道，通过相似模型试验，重点研究衬砌厚度不足条件下连拱隧道围岩压力特征、衬砌内力分布以及裂损演化规律。研究结果表明： 1)连拱隧道中墙墙角部位的弯矩最大，中墙墙角外表面产生裂缝,内表面结构压溃，裂损程度最为严重，为最不利位置。 2)衬砌厚度不足部位的边缘是衬砌薄弱截面，左线左拱肩存在衬砌厚度不足时，厚度不足位置右边缘的衬砌内侧开裂；左线左边墙存在衬砌厚度不足时，厚度不足位置上边缘的衬砌外侧开裂。 3)连拱隧道中墙顶部与拱腰接触部位出现较大的拉应力，衬砌厚度不足位置的改变对中墙顶部衬砌受力造成一定的影响，厚度不足位置对侧隧道中墙右上角部位的裂缝出现晚于拱顶裂缝，是连拱隧道结构破坏的重点区域。     

特长公路隧道通风竖井施工阶段稳定性分析

结合某隧道2#通风竖井施工项目,采用数值模拟的方法,分析了竖井及风道的施工对围岩衬砌稳定性的影响。研究结果表明：竖井开挖初期,衬砌压应力、壁座拉应力和位移量均随着竖井的开挖逐步增大,最大值分别为8.1 MPa、1.03 MPa和2.62 mm。开挖到第五步和第六步时对衬砌的应力和位移影响最为不利,应采取相应的保护措施。风道开挖后拱底上抬、拱顶下沉,拱底衬砌最大位移量为3.2 mm,临近竖井部位衬砌拉应力值达到3.76 MPa,可能对初期衬砌造成局部破坏。竖井和风道连接部位衬砌和围岩均出现拉应力集中,最大拉应力值分别达到3.8 MPa和1.6 MPa,围岩最大上抬位移为2.66 mm,竖井和风道连接部位出现局部破损,在实际工程的施工中需予以加固。     

运营公路隧道局部换拱效果及其工程影响

通过对运营公路隧道换拱工程试验段衬砌荷载和温度的现场监测,并将之与新建隧道衬砌荷载分布规律进行对比,评价换拱工程中新施作衬砌的承载性能。通过采用数值计算分析的手段,对换拱过程临近结构附加影响进行研究。结果表明:换拱工程与新建隧道工程衬砌荷载分别在荷载曲线形态和达到峰值的时间这2个方面存在明显差异;结合衬砌温度变化规律,揭示了换拱工程的新施作衬砌基本不发挥承载作用,现场监测所得荷载主要是由温度应力引起的;分析换拱过程中,邻近结构在卸荷作用下产生一定的附加沉降和附加应力。综合换拱工程衬砌承载效果及对临近结构的影响,提出了在运营隧道衬砌病害处理过程中,宜优先采用非破坏性防护措施,慎用局部换拱方案的工程建议。     

昔格达地层隧道围岩及初期支护变形规律研究

为探明昔格达地层隧道开挖过程中初期支护背后空隙注浆的时机以及预留变形量的大小,以成昆复线铁路昔格达地层隧道为背景,采用现场实测与统计分析的方法对昔格达地层隧道围岩和初期支护的变形规律以及预留变形量进行深入分析。研究结果表明:1)昔格达地层隧道上台阶开挖后初期支护与围岩间存在初始空隙,拱顶围岩与初期支护间的差异沉降为1~2 mm,受地质、埋深及施工等因素影响,中台阶开挖较易引起隧道塌方,建议中台阶开挖前对拱部初期支护背后的空隙进行注浆回填。2)昔格达地层隧道预留变形量可根据掌子面施工揭示围岩情况调整,若施工揭示的昔格达组以页岩为主,建议预留变形量设置为24~30 mm;若施工揭示的昔格达组以砂岩为主,建议预留变形量设置为118~123 mm。     

富水大断面公路隧道水压模型试验及衬砌结构力学行为研究

为研究隧道衬砌在围岩压力及外水压力综合作用下的受力特征、结构安全性及破坏过程，采用自制的均匀水压模拟加载装置及隧道地层复合试验台架，实现对围岩压力及外水压力的分别控制加载，完成在深埋条件下不同外水压力作用下衬砌结构受力模型试验。运用ANSYS有限元软件分阶段计算衬砌在水土压力作用下的受力特征，计算各部分安全系数，并与试验结果对比分析。研究表明：采用抽真空的方法模拟外水压力时，外水压力值越大，试验结果越接近真实情况，当外水压力达到150 kPa时，其差值可控制在5%以内；在外水压力及围岩压力的作用下，墙脚及拱底分别受最大正弯矩及最大负弯矩作用，且安全系数较其他位置小；随着外水压力的增大，衬砌所受的轴力及弯矩持续增大，且增大速率基本呈线性，其中墙脚位置增长速率最快；随着荷载的增大衬砌结构墙脚最先发生破坏，墙脚裂缝发展导致衬砌结构应力重分布，最终引起拱底开裂；墙脚的裂缝导致墙脚处承受的正弯矩不断减小，拱底承受的负弯矩不断增大，安全系数不断减小；当墙脚的裂缝宽度发展至1.5~2.0 mm时，试验数据及数值模拟结果计算所得拱底安全系数降低至1.5左右，拱底不再满足承载要求，与试验中衬砌的开裂行为相吻合。所提出的模型试验方案可为类似模型试验提供参考，研究成果可为富水大断面公路隧道的设计及安全评估提供依据。     

薄基岩顶板隧道爆破施工围岩稳定性分析

为更有效地进行薄基岩顶板条件下隧道施工安全控制,以某高速公路隧道为工程背景,运用数值模拟的方法,分别研究不同顶板厚度下隧道爆破施工引起的围岩振速分布特征及其对围岩的损伤情况,并进行围岩稳定性分析。结果表明:1)当顶板厚度在5 m及以上时,围岩是稳定的;2)当顶板厚度为3 m时,最危险横断面上基岩顶板内开始产生严重的拉伸裂缝及一些径向裂缝,将形成超挖;3)当顶板厚度≤2 m时,径向裂缝贯穿顶板岩体,围岩稳定性较差,在掌子面后1 m内可能发生塌落、掉块等事故。     

矿山法隧道拱部装配式衬砌结构设计研究

为解决矿山法铁路隧道施工拱部常出现的衬砌背后脱空、二次衬砌厚度及强度不足等质量缺陷问题，提出矿山法隧道拱部采用装配式预制管片结构的新思路，并基于时速350 km双线铁路隧道，采用数值计算分析研究拱部装配式衬砌结构的系列设计参数。主要研究结论有： 1）提出拱部装配式衬砌环向不分块的整体预制形式，综合考虑理论计算结果、行车安全分析、机械设备运输及拼装能力、拱部衬砌承载能力等，确定拱部管片环向弦长8.6 m、纵向幅宽2 m、衬砌厚度50 cm的结构尺寸及配筋设计参数； 2）提出拱部预制管片之间环缝采用螺栓连接、拱部预制管片与现浇边墙采用“L”型榫接头的接头形式及其设计参数； 3）为保证拱部管片的顺利安装，“L”型榫接头应考虑一定的施工误差，同时拱部预制管片与初期支护间应预留安装空间，后期通过管片背后纵向注浆填充密实。隧道拱部装配式衬砌技术成功应用于重庆胡家沟隧道，总体实施效果较好。     

粤赣高速公路龙祖山隧道洞口浅埋段施工

粤赣高速公路龙祖山隧道左、右洞上陵端浅埋且为软弱的全风化花岗闪条岩地段,施工采取了明、暗挖方案,洞外采用套拱、护拱、钢花管注浆加固岩体以及对洞前边坡、洞口仰坡采用钢花管注浆加固措施,洞内采用多台阶短开挖、加强支护、改变传统砂浆锚杆为注浆锚管等施工技术,这些措施控制了全风化花岗闪长岩遇水崩解坍塌的地质病害,成功地开通了浅埋软岩地段,至今山体稳定,隧道结构安全。     

漳龙高速公路扩建隧道围岩力学特性三维有限元分析

为分析隧道扩建过程中围岩的力学特性,确保施工期间围岩的稳定性,以漳龙高速公路后祠隧道扩建工程为依托,建立了反映实际地形的三维有限元模型,对后祠扩建隧道施工期间地表沉降、拱顶下沉、周边位移的特征以及拱脚和拱顶的应力变化规律进行计算分析。计算结果表明： 原位扩建隧道位移变化规律不同于普通新建隧道位移变化规律,隧道原位扩建施工过程中,地表沉降曲线表现出了明显的非对称性; 隧道掌子面前方12 m及掌子面后方24 m范围内变形较为迅速,为非稳定变形段; 根据隧道拱顶位移曲线,提出了针对扩建隧道位移空间变化规律的公式,该公式能预测后祠隧道的变形,从而为施工提供建议和指导; 隧道拱脚表现为压应力集中区,随着开挖的进行,拱脚主应力逐渐增大,而拱顶主应力逐渐减小并向拉应力过渡,最终拱顶呈现出较小的拉应力。