基于连续介质模型的隧道衬砌结构可靠性研究

基于连续介质力学模型,提出了一种简单易行的可靠性分析方法,该方法能利用现行通用的有限元程序,能得到显式的功能函数,但又不同于响应面法。以公路隧道圆形隧洞的开挖支护为例,采用此方法将围岩参数c (黏聚力)、E,? 和二次衬砌厚度D作为随机变量,采用有限元程序得到单一变量变化下的衬砌轴应力值,进而拟合出衬砌轴应力关于单一随机变量的关系式,并通过多元线性或非线性回归得到衬砌轴应力关于所有随机变量的显示表达式,再对圆形隧洞的衬砌结构进行了敏感性和可靠性分析,得到了一些有意义的结论。     

移动环形荷载作用下饱和土中圆形衬砌隧洞动力响应研究

基于Biot理论,研究了饱和土中带有衬砌的圆形隧洞在移动环形荷载作用下的动力响应。假定衬砌为弹性体,土体为饱和多孔介质,引入两类势函数来表示土体、孔隙水和衬砌的位移,使隧洞的控制方程解耦。结合边界条件及连续条件,通过傅立叶变换得到频率-波数域中衬砌和土体的应力、位移和孔隙水压力解答,最后用傅立叶积分逆变换得到时-空域中的数值解。计算并比较了3种隧洞模型（弹性土体隧洞、饱和土体隧洞和饱和土衬砌隧洞）的动力响应分析。数值分析结果说明：（1）移动荷载速度对3种隧洞动力响应均具有较大影响;（2）弹性土体隧洞和饱和土体隧洞的动力响应具有明显区别,所以在富水地区的隧洞动力响应中土体应该视为饱和土体;（3）衬砌对隧洞动力响应有较大影响,故隧洞的动力分析中不能忽略衬砌作用。     

高压引水隧洞衬砌的透水设计研究

国内大都采用荷载结构法及限裂设计的方法对水工高压隧洞的衬砌进行不透水设计。而实践证明,不透水设计并不适合于高压引水隧洞,它将导致过高的配筋量。目前,国内水工高压隧洞结构透水设计尚无适用的规范可循,因此,有必要寻求一种合理、安全的透水设计方法。针对水工高压隧洞,基于体力理论,提出一种对衬砌结构进行透水设计的有限元计算方法,并将其应用于某水电站工程。该方法可模拟隧洞的施工过程和运营检修工况,考虑渗流场和应力场的直接耦合作用,根据内力值计算衬砌裂缝的开展宽度以及相应的配筋量等。通过对比分析,说明在衬砌透水设计中隧洞满水状态为对其进行配筋的控制工况,且结果更符合工程实际,并能大大节省配筋量。     

水工压力隧洞结构配筋计算分析

四川地区某水电站引水发电洞压力隧洞结构受力情况复杂,隧洞衬砌结构配筋计算是工程的重要环节。运用三维有限元仿真技术进行模拟计算分析,选定衬砌结构配筋的参数。实践证明三维有限元仿真计算方法可靠工程运行多年,隧洞衬砌监测数据正常。     

半空间饱和土中圆形衬砌对弹性压缩波的散射

借助于Biot 波动理论和弹性波的传播理论,采用复变函数和多级坐标法,对半空间饱和土中圆形衬砌结构对弹性稳态压缩波的散射问题进行求解和分析。利用一个半径很大的圆弧来逼近半空间直边界,将待解问题转化为稳态弹性压缩波在一个大圆孔和一个弹性衬砌结构的散射问题。通过引入势函数,将饱和土的Biot波动方程和衬砌的弹性波动方程解耦成Helmholtz 方程,借助复变函数级数展开便可以预先写出该组Helmholtz方程的通解。然后,通过引用复变量,把饱和土和衬砌结构中的应力、位移及孔压用设定的势函数表示出来,再利用半空间饱和土和衬砌结构的连续性条件和近似直边界的圆弧边界和衬砌内边界的边界条件求解出该组势函数的特解。最后,利用势函数的特解,得到饱和土中的位移,应力和孔压及衬砌结构的位移和应力;变换不同的参数求解衬砌结构内外边界的动应力和孔压的集中系数,通过对算例结果的分析得出一系列有益的结论。     

水工隧洞钢筋混凝土衬砌外水压力取值方法研究

外水压力是隧洞衬砌承受的主要荷载之一,也是控制其建设与运行或检修过程中衬砌结构安全的关键因素。目前外水压力的取值仍然以经验公式为主,存在很大的局限性和不准确性。首先分析对比了衬砌外水压力的折减系数法、理论解析方法和数值分析方法几种取值方法,然后进行了不同渗透环境和衬砌支护条件下的衬砌外水压力计算。结果表明,随着围岩渗透性和衬砌厚度的增大,衬砌外表面的水压力越大;对于渗流数值计算,模型范围应取距离隧洞中心不小于30倍洞径;考虑渗流场的时间效应,开挖完成10 d后隧洞的渗流场趋于稳定,衬砌支护20 d后衬砌外侧水压力分布趋于稳定。     

可变径全圆针梁台车在TBM施工隧洞衬砌中的应用

TBM开挖隧洞,由于刀盘及刀具的限制,目前开挖完的隧洞为同一直径,为了保证后期衬砌施工中结构的强度,需要对不同的围岩类别采取不同的衬砌厚度。研究表明,采取可变径全圆针梁台车进行这方面的衬砌,具有明显的优越性。本文基于吉林引松供水工程项目,论述了可变径全圆针梁台车在TBM施工隧洞衬砌中的应用。     

随机有限元洁分析水工隧洞结构的可靠度

首次提出用平面等参随机有限元分析水工隧洞结构可靠度的方法，推导了有关公式，编写了计算程序。结合实例分析了衬砌和不衬砌隧洞的可靠度，并探讨了渗流场对隧洞结构可靠度的影响。     

随机有限元法分析水工隧洞结构的可靠度

首次提出用平面等参随机有限元分析水工隧洞结构可靠度的方法，推导了有关公式，编写了计算程序，结合实例分析了衬砌和不衬砌隧洞的可靠度，并探讨了渗流场对隧洞结构可靠度的影响。     

碳酸性水环境下隧洞衬砌结构劣化机制研究

不同于地上混凝土结构,隧洞衬砌结构会受到碳酸性水环境的影响,其劣化机制与大气环境中碳化作用存在明显的差异。为揭示碳酸性水环境作用下隧洞衬砌结构的劣化机制,开展了大气环境和碳酸性水环境下水泥砂浆室内加速侵蚀试验研究,研究结果表明：碳酸性水环境中水泥砂浆的碳化深度明显小于大气环境中的碳化深度,其碳化系数仅为大气环境中的0.18倍;大气环境下碳化作用导致水泥砂浆中孔体积减小,其单轴抗压强度和弹性模量均有明显提高,而碳酸性水环境加剧Ca元素流失,其碳化作用导致碳化层中Ca元素含量较低,从而破坏了水泥砂浆孔隙结构,导致水泥砂浆孔体积增加,最终碳酸性水环境导致水泥砂浆单轴抗压强度和弹性模量均降低,其中弹性模量降低幅度较大。研究结果揭示了碳酸性水环境会加速隧洞衬砌结构中Ca元素流失,造成孔隙增加而强度降低,最终导致隧洞衬砌结构劣化,从而影响隧洞衬砌结构长期安全运行。     

黄土隧洞支护结构设计方法探讨

采用ANSYS软件,对宝兰铁路二线码头隧道的双层模筑复合式衬砌试验断面进行建模分析,应用有限元强度折减法,求得隧洞的围岩的安全系数,应用有限元法按土体与结构共同作用原理求衬砌的安全系数。黄土隧洞设计须满足的两个要求：初步建议初期支护后土体围岩的安全系数不小于1.15～1.2,初期支护安全系数不小于1.3;二次支护后衬砌结构的安全系数大于2.0～2.4,确保工程施工与运行安全。对求得的围岩和衬砌安全系数进行评价分析,形成黄土隧洞支护结构设计的定量方法。     

非圆形隧洞衬砌支护下应力与位移的新解法

以往在利用平面弹性复变函数方法进行衬砌支护作用下非圆形隧洞的力学分析时,一般将洞室外域保角映射到象平面的单位圆外域,并认为可以利用同一个映射函数将衬砌截面映射到象平面的圆环域内。当衬砌厚度很薄时,这种方法是可行的,而当衬砌相对较厚时,利用同一映射函数所得到的衬砌截面形状发生严重失真。为解决此问题,本文引入两套映射函数,分别将洞室外域映射到象平面的单位圆的圆外域,衬砌截面映射到圆环域。这种方法可以适应于不同的衬砌厚度,利用这种方式获得的衬砌截面,在衬砌较厚时仍能保证衬砌厚度相对均匀。在求解解析函数过程中不再采用传统的幂级数解法,而是使用边界配点法,将两套映射函数结合,获得了该问题的应力解和位移解。本文以马蹄形隧洞为例,求解结果与ANSYS软件所得数值解吻合很好,分析了衬砌厚度对隧洞应力和位移的影响。根据本文解答可以方便、快捷地进行相近条件下隧道的初步设计。     

走滑断层错动影响下跨活断层铰接隧洞破坏机制模型试验

以滇中引水香炉山隧洞为背景工程,通过小尺度物理模型试验,对断层错动模拟过程中的隧洞上覆围岩破裂形态、衬砌破坏形态和裂纹发展、应变分布特征等关键响应特征开展试验分析,深入地研究了走滑断层错动影响下跨活断层铰接隧洞的破坏形式及破坏机制。在铰接隧洞抗错断设计参数作用机制方面,详细研究了衬砌节段长度、衬砌厚度、隧洞直径、隧洞轴线与断层带夹角、隧洞断面形式,衬砌材料力学特性等因素对铰接设计隧洞抗断性能的影响。研究结果表明:(1)当跨活断层隧洞不采用铰接设计时,在断层错动作用下隧洞破坏模式为剪切和弯曲组合破坏,衬砌破坏程度严重,存在剥离脱落现象。隧洞截面呈现椭圆化变形,整体坍塌趋势明显;在当前试验中,无铰接隧洞破坏范围达4W_f (W_f为断层带的宽度)。(2)当跨活断层隧洞采用铰接设计时,在断层错动作用下隧洞整体变形呈现S形,衬砌结构破坏形式为节段间的转动和错台,衬砌节段相对完整,破坏程度较轻;当前试验中,铰接隧洞破坏范围为2.14W_f,相较于无铰接隧洞减少48%,表明铰接设计可改变活断层错断作用下隧洞的变形破坏模式,并减小隧洞结构的...     

水工隧洞内水外渗耦合分析

在水荷载体力理论的基础上,引入钢筋应变不均匀系数和混凝土应变不均匀系数。计算衬砌渗透系数,引入反映钢筋混凝土衬砌与围岩有条件联合承载特性的充水夹层单元模型,采用等效耦合分析方法,对水工隧洞内水外渗条件下的衬砌钢筋应力和围岩应力状态进行了计算分析。计算结果表明,与考虑衬砌与围岩完全联合承载的耦合分析方法相比,钢筋应力有了较大幅度的降低,在一定程度上反映了钢筋混凝土衬砌高压隧洞运行过程中钢筋应力水平普遍较低的这一工程特性。     

南水北调中线穿黄工程隧洞结构设计

介绍了南水北调中线穿黄工程盾构法隧洞设计情况，包括隧洞衬砌结构计算分析，隧洞纵向沉降变形分析，隧洞防水设计的基本情况。     

马蹄形隧洞考虑支护滞后过程的应力分析

基于平面弹性复变函数中的保角变换方法,推导出带有衬砌的非圆形隧洞在原始地应力作用下的应力解析解。根据衬砌内边界的应力边界条件及围岩衬砌接触面上的应力和位移连续条件,获得求解围岩和衬砌解析函数的基本方程,计算了围岩和衬砌中的应力和位移。在求解过程中,考虑了支护滞后于开挖的力学过程,并认为围岩和衬砌之间紧密接触,不会相互分开和相对滑动。以马蹄形隧洞为例,获得了围岩开挖边界和衬砌内外边界的切向应力及围岩与衬砌接触面上的接触应力分布规律,并与ANSYS数值方法结果对比,算例表明两种方法的计算结果吻合很好。     

寒区破碎岩体隧道冻胀力室内对比试验研究

根据相似理论,以曲墙式、直墙式和圆形衬砌为例,通过模型试验方法研究了寒区破碎岩体隧道在不同约束条件和冻结深度下衬砌所受法向冻胀力(以下简称冻胀力)的量值和分布规律.结果表明:冻结深度越大,冻胀力越大;顶端约束越强,冻胀力越大.对于曲墙式和直墙式衬砌,顶端约束对拱部和仰供处冻胀力影响较大,对边墙处冻胀力影响较小;对于圆形衬砌,顶端约束对整个衬砌所受冻胀力影响程度相差不大;直墙式衬砌受冻胀力的量值最大,圆形衬砌受冻胀力量值最小.对于3种衬砌结构,最大冻胀力均发生在仰供脚处.试验数据与现场测试数据基本吻合,说明试验有较好的准确性.     

冲击弹性波法在衬砌质量检测中的应用

输水隧洞衬砌结构存在灌注质量缺陷及脱空区时会引起渗漏或塌方等一系列危害。探地雷达是混凝土衬砌质量检测的主要方法,当衬砌表层有致密钢筋网时,其对电磁波有较强的屏蔽作用,严重影响探测效果。为了实现该工况下对混凝土衬砌进行快速、高精度检测,笔者提出一种不受钢筋网屏蔽的冲击弹性波法。该方法利用冲击脉冲震源激发弹性波,在同一直线布置2个传感器接收,通过对弹性波时间域波形特征、主频频移特征以及瑞雷波速度谱进行分析,实现综合运用多参数对衬砌缺陷位置的精确定位。该方法在某泄洪隧洞衬砌质量检测应用中成功探测出衬砌钢筋网后部脱空区的位置与规模,验证了冲击弹性波法在衬砌质量检测中的有效性和准确性。     

地铁列车荷载作用下饱和土中圆形衬砌隧道和轨道系统动力响应分析

为研究地铁列车运行引起的轨道系统及饱和土体动力响应问题,采用解析法建立了饱和土全空间中圆形衬砌隧道和轨道结构耦合分析模型,用一系列符合列车几何尺寸的移动常荷载或移动简谐荷载模拟地铁列车,用无限长圆柱壳模拟衬砌,用Biot饱和多孔介质理论模拟土体,用Euler梁理论模拟钢轨、浮置板并组成两层叠合梁单元,结合轨道与衬砌仰拱处的力和位移连续条件,实现浮置板轨道结构与衬砌及周围饱和土体的耦合。通过算例对比了饱和土体模型和弹性土体模型动力响应的差异,分析了饱和土渗透系数、荷载移动速度和自振频率对轨道结构位移、饱和土体位移及孔压的影响。结果表明:当土体渗透性较差时,饱和土位移响应与相应的弹性土位移响应区别明显,土体模型对轨道结构响应影响较小;随着渗透系数的降低,饱和土体孔压增大;荷载移动速度和自振频率对轨道结构和土体动力响应影响显著。     

混凝土浇筑施工对穿黄隧洞衬砌垫层渗透性影响试验研究

在南水北调穿黄隧洞衬砌混凝土浇筑施工中有可能对衬砌垫层渗透性造成影响的因素主要有压力、混凝土塌落度、浇筑时间、振捣方式等。通过模型模拟试验方法,对衬砌施工工况下上述各因素的影响进行研究。结果表明,法向压力可使垫层土工织物渗透性降低并趋近于某一特定值;混凝土塌落度、浇筑时间对渗透性有一定影响,但不同塌落度、浇筑时间影响差别不明显,而不同振捣方式可使土工织物渗透性降低1～2个数量级。为克服以上因素的影响,推荐三维结构的排水土工网作为穿黄隧洞衬砌垫层材料。