T BM 开挖隧洞管片衬砌结构 三维有限元分析及配筋计算

研究在高内水压力下,TBM开挖隧洞中管片衬砌能否承担内水压力作用且结构强度满足设计要求的问题,主要针对管片衬砌结构接缝对衬砌整体应力的影响。以某水电站长距离引水隧洞为例,采用有限元法建立三维模型,计算发现在内水压力作用下,管片分块衬砌受力规律不同于常规现浇混凝土衬砌,管片之间螺栓连接受力集中,接缝处产生了应力释放,使得管片其他部位应力降低,而且配筋量较同水头下整体现浇混凝土配筋量大大减少。     

水工压力隧洞内衬及围岩应力与变形数值计算

应用三维快速有限差分软件FLAC3D,对柏叶口水库泄洪发电隧洞进行了数值仿真计算,研究了开挖后高水压作用下洞室特别是泄洪洞与发电支洞交叉口位置管壁及围岩的应力场、位移场及其动态变化规律。结果表明:施加内水压力后,衬砌最大下沉和隆起量均有所减小;在0.78 MPa内水压力下,衬砌管壁局部产生较大的拉应力,将导致混凝土出现较大范围的裂缝;在内水压力下,泄洪洞和发电支洞交叉位置产生较大的拉应力集中,以两洞相交位置小角度一侧应力最大,将出现较大范围的拉裂缝。     

水工隧洞衬砌裂缝计算公式的推导和应用

在分析以往几个水工钢筋混凝土隧洞衬砌裂缝计算通用模型局限性的基础上，根据力的平衡条件和变形相容条件，推导出了可以同时考虑围岩弹性抗力，配筋量，钢筋直径，钢筋表面形状等因素的裂缝计算通用模型。该模型适用于较大的水压范围，可以应用于不同断面，不同地质条件，不同内水压力，不同配筋情况的衬砌结构设计。     

高压引水隧洞的有限元计算

钢筋混凝土高压引水圆型隧洞的设计与计算,其中一个重要的内容是用有限元模型正确模拟地应力,以判断在隧洞开挖后围岩的2次应力场中的应力是否仍大于内水压力在围岩中产生的主拉应力,围岩会不会出现水力劈裂现象?也就是说,要保证运行期间不发生水力劈裂,只有按内水压力作用下的三次应力场中不出现拉应力(或者拉应力远小于围岩的极限抗拉强度)来确定围岩的承载能力方能保证这一点.用变温应力场来模拟地应力能够获得合理的位移与应力计算结果.隧洞混凝土衬体的配筋是由裂缝开展宽度计算确定的.通过模拟钢筋的有限元模型的钢筋工作应力的计算结果来确定混凝土的缝宽,将能够较全面地考虑包括隧洞体型尺寸、围岩弹模与弹性抗力、混凝土标号、衬厚、配筋量以及高压固结灌浆的残余应力等诸因素的影响,合理地确定配筋量.     

均匀内水压力作用下圆形混凝土衬砌隧洞配筋设计探讨

基于对规范隧洞衬砌结构设计方法的分析探讨,考虑实际隧洞衬砌配筋应力状况,提出便于设计者进行均匀内水压力下圆形混凝土衬砌隧洞结构计算分析方法。按照此方法进行隧洞衬砌设计,计算过程简单清晰,设计分析结论明确,可以满足工程设计要求。     

涔天河水库扩建工程2~#泄洪洞衬砌结构设计简介

涔天河水库扩建工程2#泄洪洞洞身尺寸12m×12.5m,施工期根据该隧洞地质条件、变形观测成果,确定隧洞临时支护设计参数。混凝土衬砌结构设计时根据隧洞地质条件及排水措施,对围岩压力、外水压力等荷载合理取值进行分析,采用传统结构力学方法对混凝土的衬砌厚度及配筋进行计算分析,进行不同衬砌厚度及配筋组合计算,选取较为经济合理的衬砌厚度和配筋组合。     

巴贡水电站引水洞地应力测量及分析

为了评价马来西亚巴贡水电站引水发电洞衬砌方案的可靠性,在引水发电洞沿线3个不同部位采用水压致裂法进行了地应力测试,并结合地质条件进行了有限元回归分析,获得了隧洞沿线岩体初始应力分布。最后从地应力角度,论证了高压隧洞衬砌设计方案。结果表明：隧洞沿线岩体应力状态主要受地形控制,引水隧洞前段围岩最小主应力大于内水压力的1.3倍,满足围岩抗裂设计的要求,该洞段可采用钢筋混凝土衬砌。     

考虑钢筋滑移效应的高压隧洞衬砌配筋计算方法

在高压水工隧洞混凝土衬砌限裂配筋计算中,为获得满足限裂要求又经济合理的配筋方案,基于三维损伤有限元,采用钢筋混凝土组合力学模式,引入混凝土弹性损伤模型,建立考虑钢筋滑移效应的应力迭代计算方法,根据水工隧洞衬砌限裂设计原则确定配筋计算流程。将此方法应用于鲁地拉水电站引水隧洞的配筋计算表明,钢筋应力及配筋面积与实际较为吻合。     

高地温条件下深埋隧洞围岩温度—应力分析及施工对策

以位于西昆仑山区的齐热哈塔尔水电站引水发电隧洞高地温洞段为例,初步分析了工程区隧洞高地温洞段大地热流背景及其形成机理,针对隧洞围岩的高地温分布特征,建立典型高地温洞段地质模型,利用有限元软件模拟隧洞施工贯通通水后的围岩岩体温度场,并由此来推断热应力对于围岩稳定性的影响。结果表明,围岩温度90℃以上、空气温度50℃以上的高地温洞段,内外温差大于10℃(里低外高),若采用无衬砌和一次支护方案对高地温洞段围岩进行支护,该洞段内大部分区域的最大主拉应力将超过C25混凝土的抗拉强度,易产生整体拉裂破坏;若采用钢筋混凝土衬砌结构方案,则可以通过增加衬砌结构的配筋量来降低其最大主应力值,此时隧洞围岩及衬砌结构均未出现整体拉裂破坏。研究成果能够为保证该高地温隧洞的安全运行提供可靠的设计依据。     

抽水蓄能电站钢筋混凝土管道衬砌配筋计算研究

结合某抽水蓄能电站的工程实例,根据传统解析法和弹性有限元方法计算引水隧洞衬砌配筋情况,并在此基础上考虑混凝土开裂特征,进行衬砌混凝土非线性有限元计算,并以最大裂缝宽度为控制标准优化了衬砌配筋率。计算结果表明:结合混凝土开裂特征的非线性有限元计算,可以充分考虑衬砌与围岩间的联合承载能力,能够较为真实地模拟混凝土开裂后传递径向压力的能力,计算结果更符合工程实际;引水隧洞结构安全的关键在围岩,提高围岩变形模量将有效降低衬砌钢筋应力与混凝土裂缝宽度,而提高衬砌结构配筋率的效果不明显。     

非圆形压力隧洞考虑支护滞后过程的应力与位移解析解

基于平面弹性复变函数中的保角变换方法,考虑衬砌的支护滞后效应,并认为衬砌与围岩完全接触,提出了带有衬砌的非圆形水工隧洞在原始地应力和内水压力共同作用下的应力与位移解析解,且求解过程中采用幂级数法简化计算。以马蹄形隧洞为例,用ANSYS进行数值计算,并与解析解进行对比验证;计算隧洞围岩开挖边界和衬砌内外边界的切向正应力以及围岩与衬砌之间的接触应力;讨论在不同侧压力系数、位移释放系数和内水压力下围岩与衬砌的应力分布规律。结果显示:解析解与数值解吻合较好;位移释放系数和内水压力对衬砌及围岩的应力分布影响显著,当位移释放系数和内水压力较大时,在衬砌内边界将出现拉应力区。研究结果为非圆形水工隧洞的围岩与衬砌的应力与位移分析提供了可行方法。     

圆形压力水工隧洞在轴对称岩体应力作用下的弹性理论计算

深埋于地层之中的圆形压力水工隧洞,无论是坚硬围岩还是软弱围岩,以往多按普氏和太沙基山岩压力理论及弹性抗力假定,采用结构力学或与弹性力学相结合的计算方法设计衬砌结构,这在某些情况下,不符合实际情况。对于支护结构的合理设计,国内外都在不断地探讨新方法,目前采用《新奥法》进行支护设计就是其一。本文视压力水工隧洞的围岩和混凝土衬砌为不同的弹性介质,运用弹性理论,推导出在轴对称岩体应力和内水压力联合作用下,计算混凝土衬砌及位移的计算式为:     

隧洞支洞群施工及运行期围岩及衬砌结构应力变形数值分析

采用弹塑性D-P模型对缅甸太平江水电站引水发电洞支洞群稳定性进行了分析,探讨了在开挖及运行工况下围岩稳定性、衬砌混凝土结构的应力变形分布规律以及不同开挖顺序对围岩应力变形影响。结果表明:在施工及运行工况下,围岩稳定,运行工况下现有衬砌结构能够满足要求,不同开挖方案对围岩应力变形影响不大。分析成果为该工程设计及施工提供参考。     

高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌裂缝开度计算方法评析

针对在复杂工作条件下的高压水工隧洞衬砌裂缝宽度的计算问题,基于国内外现有主要裂缝计算方法理论基础,通过研究内水压力、隧洞半径、衬砌厚度、保护层厚度、围岩抗力、混凝土抗拉强度以及衬砌配筋率等参数对衬砌裂缝开裂特性和扩展规律的影响,结合某抽水蓄能电站高压水工隧洞工程案例,开展各裂缝计算方法的综合评析。结果表明:(1)对高压水工隧洞衬砌而言,衬砌裂缝宽度主要受内水压力、围岩抗力和钢筋应力参数的影响,其中内水压力的影响最为显著;(2)由于裂缝开展规律不同,基于一般混凝土构件建立的裂缝计算方法不适用于高压水工隧洞,并且计算结果明显与实际情况差别较大;(3)弹性地基梁方法对高压水工隧洞衬砌裂缝宽度计算较为合适。     

围岩温度对输水洞衬砌混凝土温度与温度应力的影响研究

为了研究围岩温度对隧洞衬砌混凝土温度应力的影响规律,确保长距离输水隧洞的安全运行,以某水电站无压输水洞为研究对象,采用三维有限元温度场与徐变应力场仿真计算平台,对20、40、60、80 ℃围岩温度情况下的输水洞施工期及运行期进行仿真模拟。分析围岩温度对输水洞衬砌混凝土温度场和徐变应力场的影响,并研究了浇筑温度对高围岩温度隧洞衬砌混凝土应力场和损伤程度的影响。结果表明：围岩温度对输水洞衬砌混凝土温度场和温度应力场影响均较大,围岩温度每升高1 ℃,则衬砌混凝土的最高温度平均升高0.5 ℃,最大应力增大约0.033 MPa;浇筑温度每降低1 ℃,则其最大应力值减小约0.07 MPa。衬砌混凝土底板与边墙的交界处以及顶拱与边墙的交界处为隧洞衬砌结构的易损伤部位。降低浇筑温度,可以有效减小衬砌混凝土的损伤量,改善其应力状态,抑制损伤的发展。此研究可为类似高围岩温度隧洞工程提供参考。     

基于数值分析的高压岔管衬砌配筋计算

针对当前广泛采用的岔管衬砌结构,提出了基于数值分析的内力求解和配筋方法。首先,给出了分析与围岩接触的复杂混凝土结构受力三维有限元方法。该方法对混凝土材料采用弹性计算,对围岩采用非线性迭代计算,可使数值计算成果符合规范的要求,直接应用于配筋设计。然后给出了确定内力求解区域的算法,可自动判断岔管衬砌结构的任意截平面内力求解区域和钢筋布设方式。给出了基于数值计算成果衬砌内力求解方法,可快速求解结构内力,从而适用规范进行配筋设计。最后将该方法应用于一抽水蓄能电站的岔管衬砌配筋,验证了该方法的有效性。     

天荒坪抽水蓄能电站高压隧洞充水试验实测资料分析

分析天荒坪抽水蓄能电站上游高压隧洞观测仪器在充排水试验过程中所记录的实测资料,讨论高压隧洞围岩承载、衬砌构造配筋、衬砌与围岩之间缝隙随内水压力增加而增加等隧洞渗透体积力理论概念,期望通过实测资料来进一步理解和说明高压隧洞渗透体积力理论,以便更好地指导设计。     

地下高压管道的联合承压计算

本文推导了地下高压管道中钢衬、衬砌混凝土和围岩在施加内压的各个阶段中应力和位移的计算公式，这些公式适用于不同层间缝隙以及衬砌混凝土与围岩存在不同径向裂缝的情况，亦可应用这些公式计算混凝土与围岩产生径向裂缝时的临界内水压力和裂缝的开裂区半径，与同类计算公式相比，其精确性更高，适用性更广。     

有压引水隧洞温度应力的三维有限元分析

结合有压引水隧洞工程实例,提出基于Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ仿真平台建立围岩和衬砌的整体有限元模 型,模拟对应工况下的材料性质、地质和环境条件。并分析该模型在有、无温度应力的条件下,衬砌的应 力和应变分布情况及相应的极值。研究结果表明:衬砌底部内侧出现拉应力最大值,拉应力较为集中分 布在底部与顶部,衬砌两侧出现压应力最大值。计算结果显示,温度降低产生的拉应力对衬砌结构稳定 性的影响较大,在设计衬砌和配筋时需充分考虑。     

丹巴水电站引水隧洞开挖期围岩流变分析

依托丹巴水电站引水隧洞开挖工程,考虑隧洞不同深度围岩的受力特点将围岩进行分区,把加载流变试验和卸载流变试验参数分别赋入,计算得到了隧洞围岩衬砌的弯矩与轴力分布,可作为衬砌厚度及配筋设计等方面的参考要素。给出了80%、85%预留量条件下的衬砌所受轴力,各向同性与横观各向同性本构计算出的最危险工况内力叠加,以便在考虑流变条件下的衬砌厚度选取。