地表临时堆载诱发下既有盾构隧道纵向变形分析

违规临时地表堆载将引起地层附加应力,对既有盾构隧道产生不利的影响,严重者将导致隧道结构破坏。现有方法多是将隧道简化为搁置于Winkler地基的Euler-Bernoulli梁,不能考虑隧道的剪切变形和隧道埋深对基床反力系数的影响。针对既有研究的不足,提出考虑隧道剪切效应和隧道埋深的地表堆载下既有盾构隧道变形和受力的简化解析解。将既有盾构隧道简化为搁置于Winkler地基的Timoshenko梁,地基反力系数考虑隧道埋深的影响。通过三维有限元模型和已发表工程案例的实测数据,验证所提方法的正确性及适用性。通过参数分析发现,在荷载中心与隧道中心距离较近情况下,浅埋盾构隧道将发生较大的沉降变形;提高等效抗弯刚度和基床反力系数可以减少隧道沉降变形。而增大等效剪切刚度对隧道的沉降变形贡献较小,但是可以明显减小管片之间的错台变形。该研究成果可为合理预测地表堆载对既有盾构隧道的影响提供一定的理论支持。     

深埋隧道地质构造发育段围岩压力的特点

以龙厦铁路象山特长隧道地质构造发育、埋深大于500 m段围岩压力及围岩变形的现场测试资料为依据,对大埋深隧道地质构造发育段围岩压力的特点、变形压力的形成机制等进行了研究。研究表明：大埋深隧道,结构面或褶曲、逆断层发育,但地下水不发育的地段,即使围岩强度较高,隧道开挖后仍可能出现较大的变形;围岩较大变形主要是由于在自重应力和残余构造应力作用下被挤密的结构面在隧道开挖后因侧向限制消除而张开、扩容引起的,受其影响,初期支护将受到较大的围岩变形压力。上述地段围岩压力具有下列特点：（1）地下水不发育区段的围岩压力比地下水发育区段的大;（2）隧道纵向发育向斜的区段,拱顶至拱腰段围岩压力最大,越趋向于向斜核部,拱顶围岩压力越大;（3）发育褶曲的断面,与褶曲轴线垂直方向的围岩压力较大;（4）发育逆断层的断面,与断层倾向相反侧的围岩压力较大,该侧断层面附近的围岩压力最大,对侧断层面附近的围岩压力最小;（5）下台阶的围岩压力比上台阶的小,两者的相对差随上、下台阶施工间隔时间的延长而增大。     

地下结构地震破坏静-动力耦合模拟研究

地下结构地震破坏过程模拟是研究地下结构抗震性能的有效手段,通过人工边界条件设置将围岩土体的自重应力作为动力响应模拟的初始状态,实现了地下结构地震响应静-动力耦合数值模拟。基于有限元分析软件ABAQUS,将极限剪应变作为破坏标准,采用生死单元法模拟了地下结构的地震破坏过程,通过结构埋深考虑了初始地应力对地下结构抗震性能的影响。模拟结果表明,地下结构的抗震性能存在一个最不利埋深,即最容易地震破坏的埋深,当结构的埋深超过最不利埋深时,结构的极限抗震能力增强,若结构产生地震破坏,则结构埋深越深即初始地应力越高其破坏程度也越强。     

地层条件对超大断面隧道软弱破碎围岩施工影响过程规律的数值模拟分析

兰渝铁路两水隧道地质条件复杂,围岩软弱破碎,沿线地形起伏,隧道埋深变化大。根据埋深等地层条件的变化,在不同的区段选择合适的施工方案,控制隧道围岩变形是隧道安全控制的关键所在。结合该工程的勘察和设计资料,采用大型有限差分软件FLAC3D建立三维数值模型,系统地研究不同埋深条件下开挖进尺对隧道变形的影响。从变形角度揭示了埋深对开挖进尺的影响规律,确定了不同埋深条件下最利于变形控制的循环进尺,为工程的施工决策提供技术指导和理论支持。     

隧道洞口浅埋偏压段两种围岩注浆措施的抗震效果分析

为进一步提高隧道洞口浅埋偏压段的震时安全性,依托某铁路隧道洞口段工程,利用有限差分数值计算软件对两种围岩注浆抗震措施的抗震效果进行了研究,对比分析了围岩采用接触注浆与间隔注浆两种抗震措施对隧道衬砌结构位移以及内力的影响。研究结果表明:围岩采用接触注浆抗震措施后,二衬结构横向及纵向位移分别减小了86.7%、38.1%,轴力及弯矩平均减小了45.12%、64.20%,最小安全系数平均提高了61.36%;围岩采用间隔注浆抗震措施后,二衬结构横向及纵向位移分别减小了49.3%、23.8%,轴力及弯矩平均减小了39.42%、44.90%,最小安全系数平均提高了43.11%;围岩采用接触注浆抗震措施的抗震效果优于间隔注浆抗震措施。研究成果可为隧道洞口段抗震技术的发展提供参考。     

考虑埋深与剪切效应的基坑卸荷下卧隧道的形变响应

基坑卸荷将对下卧既有隧道产生附加荷载。结合工程实际,提出考虑隧道剪切效应及埋深效应的基坑开挖下卧隧道形变响应的半解析解。引入能考虑隧道埋深的修正基床反力系数,再由Mindlin解给出基坑卸荷对下卧隧道产生的附加荷载。视既有隧道为埋置于Pasternak地基上的Timoshenko梁,将附加荷载施加于隧道并计算其响应,提出可考虑隧道埋深及剪切效应的下卧隧道在基坑卸荷下的响应解。与三维有限元数值模拟、杭州地铁一号线九寨河基坑的测量结果的对比,验证了所提方法的准确性。针对隧道等效抗弯刚度、等效剪切刚度对隧道内力及变形的影响进行系统的敏感性分析。结果表明,采用Timoshenko梁模拟隧道可更好地分析隧道的力学响应;当提高隧道抗弯刚度,隧道的位移值、弯矩值和剪力值会显著下降,但其分布范围会增大;隧道最大正弯矩及最大剪力所在位置保持不变,不受隧道抗弯刚度值的影响,但最大负弯矩所在位置会随抗弯刚度的增大向隧道两端移动,当隧道剪切刚度超过抗弯刚度的20%时隧道位移、弯矩、剪力几乎均不再受剪切刚度的影响。所得结论可为类似工程提供一定理论支持。     

考虑埋深与剪切效应的基坑卸荷下卧隧道的形变响应

基坑卸荷将对下卧既有隧道产生附加荷载。结合工程实际,提出考虑隧道剪切效应及埋深效应的基坑开挖下卧隧道形变响应的半解析解。引入能考虑隧道埋深的修正基床反力系数,再由Mindlin解给出基坑卸荷对下卧隧道产生的附加荷载。视既有隧道为埋置于Pasternak地基上的Timoshenko梁,将附加荷载施加于隧道并计算其响应,提出可考虑隧道埋深及剪切效应的下卧隧道在基坑卸荷下的响应解。与三维有限元数值模拟、杭州地铁一号线九寨河基坑的测量结果的对比,验证了所提方法的准确性。针对隧道等效抗弯刚度、等效剪切刚度对隧道内力及变形的影响进行系统的敏感性分析。结果表明,采用Timoshenko梁模拟隧道可更好地分析隧道的力学响应;当提高隧道抗弯刚度,隧道的位移值、弯矩值和剪力值会显著下降,但其分布范围会增大;隧道最大正弯矩及最大剪力所在位置保持不变,不受隧道抗弯刚度值的影响,但最大负弯矩所在位置会随抗弯刚度的增大向隧道两端移动,当隧道剪切刚度超过抗弯刚度的20%时隧道位移、弯矩、剪力几乎均不再受剪切刚度的影响。所得结论可为类似工程提供一定理论支持。     

拉张盆地不同埋深复合地层中隧道围岩变形破坏数值模拟研究

不同埋深的软硬岩层叠置复合地层变形破坏形式复杂而使得软岩大变形和硬岩岩爆位置相关关系不够明确。在拉张盆地中自重应力为主,侧压系数一般较小且多数在1.0以内。本文以在水平和铅垂叠置复合地层中TBM开挖圆形断面隧道为例,采用有限差分程序FLAC3D对拉张盆地中不同埋深、不同叠置型式复合地层中TBM开挖后的三维弹塑性位移变形、主应力和塑性破坏分布变化特征展开数值模拟研究。模拟结果表明,围岩变形主要发生在软岩层地层中,埋深超过800 m后沿隧道轴向软岩大变形藕节状分段开始显现;随埋深增加,硬岩稳定性变差,顶拱位移增加尤其明显;随埋深增加,软岩和硬岩地层之间主应力差异变小,硬岩中储能明显;埋深越大塑性区分布范围越大;埋深较小时岩层以拉张破坏为主,埋深较大时以剪切破坏为主,两种状态的转换埋深(临界深度)约为800 m。由此对拉张盆地中深埋界限值给予了理论验证。     

盾构隧道掘进引起上方已建隧道的纵向变形研究

城市地铁隧道施工中经常遇到新建隧道下穿上方已建隧道的例子,如何提前预测已建隧道的纵向变形是目前工程界普遍关心的问题。基于能够考虑土体变形连续性的Kerr地基梁理论,分别将已建隧道简化为欧拉伯努利梁和铁木辛柯梁,将新建隧道对已建隧道的作用简化为高斯分布荷载,建立了新建隧道施工对上方已建隧道影响的解析分析方法;并利用离心机试验结果进行了验证。分析了地层损失率、荷载形状参数和隧道与土体相对抗弯刚度对已建隧道纵向变形的影响。探讨了隧道剪切刚度对隧道纵向变形的影响。研究发现,当隧道剪切刚度趋于无穷大时,Kerr地基上的铁木辛柯梁退化为欧拉伯努利梁;对于抗弯刚度较大的隧道（如抗弯刚度大于7.54×106 kN?m2）,Kerr地基梁具有较好的适用性;已建隧道的剪切刚度对其纵向变形何纵向曲率产生显著影响;当隧道等效剪切刚度有效系数≤1/4时,必须考虑隧道剪切刚度对隧道纵向变形的影响。将所提分析方法应用于上海盾构隧道穿越工程中,并与现场实测结果进行对比,验证了方法的合理性。     

物理信息双驱动的长距离盾构隧道结构纵向力学性态智能诊断方法

针对目前盾构隧道纵向结构安全诊断面临的瓶颈,提出了一种物理信息双驱动的隧道纵向结构力学性态智能诊断方法。通过将表征隧道纵向结构力学性态的物理方程嵌入物理神经元中,利用实测数据作为信息神经元综合构建了物理信息双驱动的神经网络（physics-informed neural networks,PINNs）模型,可实时更新反演盾构隧道结构参数、周围地层参数以及荷载分布规律,继而正演求解隧道的纵向结构力学性态。将反演得到的参数进一步用于其他隧道段的分析,以实现长距离盾构隧道结构纵向智能诊断。算例与工程实例应用表明,提出的PINNs模型能有效求解隧道结构纵向问题,且相较传统的纯数据驱动的深度神经网络（deep neural network,DNN）模型,PINNs模型表现出了显著的泛化能力与鲁棒性,具有十分可观的工程应用前景。     

西安地铁正交地裂缝隧道的模型试验研究

以西安地铁二号线穿越地裂缝的区间隧道为对象,通过几何相似比尺50:1的物理模型试验,开展了地裂缝活动条件下地铁隧道骑缝（变形缝与地裂缝一致）正交穿越地裂缝时衬砌结构与围岩相互作用机制的试验研究。结果表明,在地裂缝发生各级错动位移条件下,不同围岩应力场的围岩土压力、衬砌结构应力及其不均匀沉降位移变化规律相似;上下盘内的衬砌结构之间具有明显的错断位移,下盘内衬砌结构的沉降量越小,上盘内衬砌结构的沉降量越大,均呈渐变趋势;上盘内衬砌结构应力、围岩土压力随地裂缝错动位移的增加而减小,下盘衬砌结构应力和围岩土压力随地裂缝错动位移的增加而增大,围岩土压力和衬砌结构应力的增量峰值均发生在地裂缝附近。模型试验研究研究结果对于分析地裂缝活动区间地铁隧道工程的运营及维护具有重要的理论与实际意义。     

爆破地震波作用下既有圆形隧道衬砌动应力集中系数分析

将爆破地震波进行合理近似简化,采用波函数展开法,推导出无限岩石介质中爆破地震波作用下隧道围岩和衬砌动应力集中系数的表达式。结合具体算例,分析隧道不同位置上爆破地震波主频、隧道几何参数和隧道围岩和衬砌物理力学指标对动应力集中系数的影响。分析结果表明,爆破地震波主振频率对隧道围岩和衬砌中的动应力集中系数（DSCF）影响较大,隧道不同位置和不同方向应力的动应力集中系数随主振频率的变化趋势不同,低主振频率引起的动应力集中系数较大,不利于隧道的抗爆破振动;隧道几何参数对隧道围岩和衬砌内侧切向应力动应力集中系数影响趋势不同;隧道衬砌弹性模量对隧道结构动应力集中系数影响较大,泊松比次之;泊松比较大的隧道围岩具有一定的抗爆破振动作用,但效果有限。     

隧道斜交穿越地裂缝的模型试验研究

西安地区由北向南间隔分布有十多条近东西走向的地裂缝,建设中的多条地铁线路与地裂缝呈斜交状态。为了揭示地铁隧道斜交穿越地裂缝时受地裂缝活动而产生的力学性状变化,采用50:1几何相似比尺的物理模型试验仪,在合理模拟围岩地层、衬砌结构、应力条件、地裂缝与洞轴线交角及其错动位移基础上,开展了斜交地裂缝活动条件下隧道衬砌结构与围岩相互作用的物理模型试验研究,并与正交地裂缝活动下的测试结果进行了对比分析。表明斜交地裂缝活动对地铁隧道的影响范围更大,各变形缝均有明显的沉降差发展;邻近斜交地裂缝的衬砌结构易处于“悬臂梁”受力状态,衬砌结构不均匀沉降使其产生旋转位移,围岩土压力变化使衬砌结构内力产生显著变化;随着地裂缝错动位移的发展,上盘内拱顶和下盘拱顶、拱底出现围岩作用的加强,而上盘拱底出现围岩作用的松弛。与隧道正交穿越地裂缝的情况比较,斜交穿越地裂缝时围岩土压力和衬砌结构内力变化更大,易出现拉裂破坏。     

隧道开挖对下伏水平薄煤层采空区地层的扰动及衬砌受荷特征

为探明下伏薄煤层采空区地层中隧道施工对地层的扰动以及衬砌结构受荷特性,采用离散元颗粒流软件,从细观角度对隧道开挖引起的地层应力变化特性进行了模拟分析,同时在室内开展模型试验量测了下伏煤层采空区地层隧道衬砌背后土压力以及二次衬砌结构内力（轴力、弯矩）,分析了特定围压下间距对土压力和二次衬砌受力的影响。结果表明,下伏煤层采空区地层因隧道开挖引起的围岩松动区呈“O”形分布,隧道下伏围岩颗粒接触力反而小于隧道上覆围岩;洞周允许位移越大,颗粒接触力链间断区域越大;间距越小,颗粒接触力链间断区域越大,当间距大于2.0D（D为隧道跨度）时,下伏采空区对隧道围岩颗粒接触力影响逐渐消失,降低了地基反力,间距越小,降低程度越高;二次衬砌内力分布有一定的离散性,二次衬砌裂缝最先出现在拱底,是隧道主体结构的薄弱环节。     

爆炸地震波作用下盾构隧道动力响应分析

盾构隧道衬砌由于各种类型接头的存在而与整体式衬砌的力学特性存在较大差异。将盾构隧道衬砌结构看作由弹塑性铰链连接的刚性管片组成,考虑围岩介质的黏弹性,提出了爆炸地震波作用下盾构隧道动力分析的简化计算方法。采用该方法对南京地铁盾构段典型横断面进行了动力分析,研究了爆炸地震波入射角度、围岩介质特性及管片厚度对结构受力与变形的影响规律。分析结果表明:波入射角度对盾构隧道有很大影响,斜入射时结构的动力响应要大于垂直入射时结构的动力响应;围岩介质等级越高,围岩对隧道结构的约束越强,隧道的抗爆性能越好;管片厚度的增大会增大结构的内力,合理设置管片厚度有利于提高盾构隧道抗爆性能。     

正削式隧道门围岩和衬砌应力计算及设计方法研究

对无明显墙式结构的正削式隧道门,现行规范没有现成的设计方法及结构检算模式。采用三维有限元数值分析方法,针对两种在洞口段的不同施工方法（明挖工法和暗挖工法）,对隧道门洞口段的力学特性及设计方法进行了研究。研究结果表明：洞口段长度取42 m进行整体设计比较合理;在洞口28 m范围内的浅埋段,拱顶围岩压力随着埋深的增大而逐渐增加,且暗挖工法产生的围岩压力最大,铁路规范计算结果次之,明挖工法产生的压力最小;采用明挖工法施工时,在纵向上,洞口段42 m范围内衬砌拱顶表现出纵梁弯曲特征,部分仰拱处于弯拉状态,内力呈空间效应,均需要对横、纵向内力进行结构检算;采用暗挖工法施工时,只需进行横向内力检算即可。在成洞条件允许的情况下,建议使用暗挖工法进行隧道洞口段施工,可有效改善隧道洞口段结构受力。     

The Hyperstatic Reaction Method for the Analysis of the Sprayed Concrete Linings Behavior in Tunneling

Hyperstatic Reaction Method considers the interaction between the shotcrete lining and the rock mass modelling half tunnel section by beam elements connected by nodes, which can develop bending moments, axial forces and shear forces. The interaction between ground and support is represented by Winkler type springs in the nodes of the numerical model, in the normal and tangential direction. 1944 analyses were developed considering three different tunnel radius values (2.0, 4.5 and 7.0 m), three different rock types (RMR = 40, RMR = 60 and RMR = 80), three different stress ratios acting on the linings (\(K = 1, \,K = 0.5\) and \(K = 0\)), three different lining thickness values (0.1, 0.2 and 0.3 m) and three values of the average elastic modulus of the shotcrete (6000, 9000 and 12,000 MPa). Besides, also two different stiffness values of the tangential springs at nodes were considered. Results show that the lining thickness and the elastic modulus of the shotcrete have a strong influence on the bending moment values which develop inside. The maximum axial force is not practically influenced by the lining elastic modulus and thickness. Both maximum bending moments and maximum axial forces increase in a linear way with the vertical load value; tunnel radius, \(K\) and RMR values of the rock mass have also a great influence on the maximum bending moment and axial force. Besides, it is possible to note how the absence of shear interaction between the lining and the rock mass causes bending moment values in the lining higher with respect to the case where the stiffness of the tangential springs at nodes equals to half the stiffness of the normal springs. For this reason, the neglectance of the shear interaction between the lining and the tunnel wall leads to an overdesign of the SC lining.     

京承高速公路新道沟连拱隧道的优化设计

本文以京承高速公路新道沟连拱隧道为实例,应用有限元数值方法对连拱隧道二次衬砌的围岩抗力、应力、变形及其稳定性等问题进行了模拟与分析。首先,基于连拱衬砌的结构型式,作者建立了该隧道的数值模型,并提出用弹性杆单元按作用力等效的原则模拟围岩抗力;根据数值模拟结果对隧道支护结构的承载能力进行了讨论,并基于规范对二次衬砌进行了结构强度校核。该研究结果为新道沟隧道支护结构设计的优化提供了科学依据。     

初始地应力对隧洞开挖爆生裂隙区的影响研究

隧洞开挖过程中控制爆炸对岩体的损伤,减小爆破裂隙范围,对保证工程安全具有重要意义。基于爆炸应力波作用下爆生裂隙形成机制的研究,采用摩尔-库仑准则及最大拉应力准则,研究了初始地应力对爆炸应力波作用下爆生裂隙区比例半径的影响。研究结果表明,初始地应力对爆生裂隙范围有显著影响。在压剪破坏模式下,爆生裂隙区比例半径随地应力的增大而减小,地应力侧压系数影响爆生裂隙区比例半径在洞壁圆周的分布。考虑围岩应力卸荷影响后,沿隧洞径向的爆生裂隙区比例半径比不考虑卸荷的小。拉伸破坏导致的岩体爆生裂隙区比例半径一般比压剪破坏模式下爆生裂隙比例小,爆炸应力波作用下隧洞围岩更容易沿结构弱面发生压剪破坏。     

高速公路连拱隧道中墙治理方案研究

针对某高速公路连拱隧道中墙混凝土强度不足问题,采用有限元数值计算方法对连拱隧道中墙进行了计算,发现中墙的安全性不能满足规范要求。为了保证隧道中墙的安全使用,分别对全部凿除中墙和部分凿除中墙的治理方案进行了研究。结果表明：采用分段部分凿除的方案对中墙进行治理时,对初期支护影响较小,未凿除的中墙内力略有增大,对隧道整体结构影响很小;而采用全部凿除方法对中墙进行治理时,对初期支护影响较大。对施工进尺长度的研究表明,在Ⅲ级和Ⅳ级围岩区段隧道中墙治理时,一次凿除长度分别取为12 m和9 m是较为合理的。修复后的连拱隧道中墙安全性满足规范要求。