分段管廊装载供水管道穿越地裂缝适宜性研究

在活动地裂缝影响下,供水管道拉裂、错断现象时有发生,并引发严重的次生灾害。本文以西安市西南郊水厂拟建球墨铸铁管道穿越地裂缝为工程背景,建立管道45°穿越活动地裂缝的数值模型,分析地裂缝影响下管道的内力响应与变形特征,结果表明:地裂缝作用会使管道接口偏转角过大而导致其防水失效。因此提出一种分段管廊装载供水管道穿越地裂缝的方法,建立分段管廊装载供水管道穿越地裂缝的数值模型,分析管道与管廊通缝、错缝两种工况、不同分段管廊长度、不同地裂缝位置、不同穿越角度下管廊与管道的内力响应与变形特征。得出管廊装载管道穿越地裂缝的最佳方案为管道与管廊通缝布设,采用单节长度为18 m的分段管廊,使地裂缝位于管廊的2/3处,并尽量以小角度穿越地裂缝。研究成果对城市供水管道穿越活动地裂缝的工程建设与灾害防治具有实际意义。

列车活塞风对寒区铁路隧道温度场的影响

研究目的:列车通过隧道会产生活塞风,活塞风会将寒区隧道洞外冷空气带入洞内,导致洞内温度场分布发生变化,若对这种影响认识不到位,会导致洞内抗防冻措施不合理造成冻害发生,影响隧道运营安全。鉴于此,采用理论分析和数值模拟等方法,分析列车活塞风对隧道洞内温度场的影响机制,研究列车活塞风对寒区特长铁路隧道洞内温度场的影响规律,为寒区隧道抗防冻设计提供技术支撑。研究结论:(1)冬季列车通过隧道后,活塞风会引起洞内温度场在短时间内显著变化,列车活塞风对洞内温度场持续影响时间较短,列车通过后,洞内温度场会逐渐恢复,特别是当列车频次较小时,基本可恢复到自然通风条件下状态;(2)行车频次导致洞内纵向负温长度增大或减小率均在1%左右;随着围岩温度的增大,隧道洞内纵向负温长度显著降低,且围岩温度越高,活塞风作用方向对洞内温度场影响越小;(3)考虑活塞风对寒区隧道防寒抗冻影响时,应重点考虑其对两侧水沟抗防冻的影响;由于局部衬砌会出现交替冻融现象,隧道结构设计时,应对衬砌耐久性做一定的考虑;(4)本研究成果可供寒区特长铁路隧道建设参考,特别是单向自然风条件下铁路隧道抗防冻设计。

考虑湿度应力的深部软岩隧道大变形控制研究

为探明深部高地应力软岩隧道大变形产生机理,制定适应大变形控制措施,以月直山隧道为工程依托,首先明确求解围岩形变压力与松动压力的Kastner与Caquot公式,基于岩体弹塑性力学与连续介质理论建立围岩湿度应力解析解,采用收敛-约束法绘制出3种围岩应力作用下围岩与初期支护特征曲线,分析断面变形过程中围岩与支护结构相互作用规律及3种应力占比演化规律。分别以混凝土与型钢钢架作为二衬支护结构对月直山隧道围岩稳定性进行计算分析,明确考虑湿度应力与松动压力条件下隧道二衬最优支护时机与支护参数,以支护结构安全系数FS评判出最优支护方案并对隧道软岩大变形进行治理。结果表明:当围岩径向位移达到550 mm时,仅考虑形变压力Pi时围岩对支护结构的压力P仅为0.813 MPa,考虑湿度应力Pw与松动压力Pa时P增大为1.372 MPa,湿度应力与松动应力总占比达40.7%,仅考虑形变压力而设计的支护结构不满足围岩稳定性要求;根据“卸压支护”理念,确定以“位移释放峰值upeak=0.325 m”与“间距d=0.7 m”作为增设第二层钢架的最佳支护时机与支护参数,现场二次钢架设置24天后使围岩变形收敛于50.8 mm,围岩大变形得到控制,研究成果可为今后相关隧道工程设计与施工提供参考。

寒区隧道防冻保温层隔热作用机理及其厚度影响因素研究

针对寒冷地区公路隧道防冻保温层表面铺设,共设置了21组计算工况,通过对年周期下隧道防冻保温层、衬砌结构和围岩沿径向温度场变化以及各工况所需的防冻保温层厚度进行数值模拟计算,研究隧道防冻保温层隔热作用机理及其所需厚度的影响因素。结果表明:防冻保温层隔热作用显著,主要体现在使隧道衬砌结构和围岩年温度振幅降低上,同时年平均温度也有一定升高;随着防冻保温层铺设厚度增大,隧道衬砌结构和围岩年平均温度和年温度振幅分别呈指数函数升高和降低,相应的年最低温度也呈指数函数升高,防冻保温层厚度越大,隔热效果越好,但是隔热效率不断降低;围岩导热系数越大,导温系数越小,防冻保温层隔热效果越显著;防冻保温层所需厚度随围岩导热系数和围岩初始温度升高呈指数函数减小,随围岩导温系数升高呈对数函数增加,随年平均气温和年温度振幅升高分别呈线性减小和增加,防冻保温层厚度应综合考虑以上各因素进行计算确定。

公路隧道二衬钢筋装配化螺栓的接头设计

针对公路隧道二衬钢筋现场焊接、绑扎效率低、质量控制难度大的弊端,基于直线型混凝土软化本构模型及钢筋应力应变关系,推导得到钢筋混凝土衬砌截面的极限承载力计算式.结合螺栓连接面极限承载力,以应力分布系数作为控制因素,将轴心压缩状态、大小偏心分界点以及纯弯状态时的最危险截面作为特征截面,控制钢筋混凝土截面极限承载力以及螺栓连接面极限承载力在特征截面处的大小,得到连接面处螺栓的设计方法 .选取某隧道隧址围岩参数及其断面尺寸、支护参数,运用得到的螺栓设计方法进行螺栓选型并设计连接面处的螺栓分布,给出钢筋预制节段的划分方案,通过数值模拟验证了二衬钢筋装配化螺栓的接头设计的合理性.研究结果表明:钢筋骨架采用螺栓装配化预制连接后,二衬结构的应力进行了重分布,应力与变形的增长速率放缓,并逐渐稳定.最终,左拱肩和左拱脚处的应力分别降低58%和53%,位移量同样有不同程度的降低;在拱底螺栓连接面,应力相较提高,但由于螺栓的高承载性能,隆起量反而有所降低,充分发挥了螺栓的性能,实现了结构优化.

基于地层变异性的大直径盾构隧道鲁棒性设计

大直径盾构隧道面临着复杂地层带来的挑战,传统的设计方法往往选择钻孔揭示的最不利地层断面或者采用平均化的地层,无法准确反映掘进面临的真实地层情况.因此,利用现有钻孔勘察信息建立耦合马尔可夫链模型,确定盾构掘进过程中最可能穿越的典型地层断面.采用不同设计参数展开数值模拟,以盾构隧道收敛变形相关指标的标准差作为鲁棒性指标,提出了一种基于地层变异性的大直径盾构隧道鲁棒性设计方法.研究结果表明,耦合马尔可夫链模型的最典型断面为盾构隧道提供了更准确的地层条件,使得鲁棒性设计更具适用性.最后,对现阶段常用的地层设计方法进行了优化,确保掘进过程中地层选择更接近实际情况,在有效降低隧道建设成本的同时,使得隧道具备更好的鲁棒性.

特长水下公路盾构隧道结构防火保护策略及关键参数研究

特长水下公路盾构隧道普遍设置独立排烟道进行顶部集中排烟。现有隧道工程防火技术“护顶不护墙”,顶部设有排烟道时,顶部防火保护施加在烟道板上,而烟道层拱顶管片及车道层两侧管片不施加防火保护,存在安全隐患。根据隧道结构实际可能受到的火灾高温作用,结合管片、烟道板结构相对重要性,提出了新的车道层侧墙管片、烟道层拱顶管片、烟道板结构防火保护策略,即车道层所有结构表面采用RABT火灾升温曲线,烟道层所有结构表面采用基于CFD模拟的火灾升温曲线,耐火极限均不小于2.0h,管片耐火极限由管片混凝土表面及距表面25mm处温度判定,烟道板耐火极限由烟道板的极限弯曲变形量和极限弯曲变形速率判定。基于所提出的防火保护策略,开展数值模拟及耐火试验研究,确定了防火保护技术参数。结果表明:车道层侧墙管片防火保护层等效热阻应不小于0.10℃·m~2/W;烟道层拱顶管片防火保护层等效热阻在排烟口处不小于0.10℃·m~2/W,且随距排烟口距离的增大逐渐减小,距离排烟口16m处减小为零;隧道侧墙常用装饰材料搪瓷钢板在火灾过程中易发生变形而脱落;无防火保护烟道板耐火极限大于2.0h,掺加PP纤维、钢纤维可提升烟道板的耐火性能。

地震荷载作用下新三义隧道地震反应分析

为探究隧道衬砌在地震荷载作用下的破坏机理,根据新三义隧道某区段建立Abaqus数值计算模型,分析地震波施加方法对衬砌动力响应的影响,研究不同地震波类型对衬砌地震动破坏的差异,总结地震灾害对隧道衬砌的破坏机理。研究结果表明:地震波的振动输入法会导致数值模拟结果明显失真,波动输入法计算精度较高。由于结构特殊性,拱顶与侧壁避车洞会出现应力集中现象,为衬砌破坏多发处。由于隧道围岩的物理特性,岩体隧道衬砌受周围岩体的影响在一定范围内随地震动而产生整体性震动,使得隧道衬砌没有产生大范围结构性破坏。集集地震灾害对隧道衬砌造成的破坏主要由S波引起;地震对衬砌破坏过程为地震波自下而上传递到衬砌,使衬砌发生整体性震动;避车洞周围由于结构特殊性而产生超过混凝土极限强度的应力,造成衬砌发生开裂、剥落等现象。

悬浮隧道地震动力响应及参数影响规律研究

为研究地震作用下悬浮隧道的动力响应问题,建立悬浮隧道二维截断有限元模型,基于Morison方程确定隧道管体和锚索上的水动力载荷,地震荷载的输入通过在锚索底部与海床铰接位置处输入地震加速度响应时程来实现,分别研究了不同地震类型、强度及双向地震动对悬浮隧道系统动力响应的影响,同时分析了隧道附加质量,结构阻尼与隧道、锚索拖曳力等参数对悬浮隧道系统响应的影响规律。结果表明:不同特性的地震动引发的隧道响应存在显著差异,能量较为集中的长周期地震动会引发较大的隧道响应,而能量较为分散的短周期地震动引发的隧道响应相对较小。当地震动引发隧道响应较小时,单向地震动单独作用仅能激发所对应方向的隧道响应;当地震动引发隧道响应较大时,水平方向地震动单独作用除了激发隧道的水平响应外还会激发一定的竖向响应,此时双向地震动作用下隧道加速度放大系数低于单向地震动单独作用,且放大系数随着地震强度的增大而减小。多数时间范围内,双向地震动的作用下锚索的张力波动稍大于单向地震动单独作用时的锚索张力;隧道附加质量、结构阻尼以及隧道、锚索拖曳力等参数均对隧道响应产生一定的抑制效果,但隧道附加质量会增大锚索张力。

变质岩隧道锚下穿隧道稳定性分析及工程应用

为研究特大桥隧道锚的承载能力,文中基于原位试验相关岩土力学参数,通过FLAC^(3D)对澜沧江特大桥隧道锚施工和运营时与主线隧道相互作用的稳定性进行研究,结果表明,缆力施加引起地表的最大位移约为0.35 mm,锚塞体的最大位移为0.97 mm;缆力施加后,锚洞围岩和索鞍支座围岩的点安全度均有降低,而索鞍支座下方围岩的点安全度降低更明显;隧道锚施工后,主线隧道塑性区范围明显增大;缆力的施加引起主线隧道二衬的最大变位和最大主应力值均较低,对主线隧道的稳定性影响较小。

基于案例推理的隧道洞门智能设计方法研究

为将以往隧道案例的经验应用到新建隧道设计中,以解决传统设计方法工作量大且效率低下的问题,提出基于案例推理的隧道洞门智能设计方法。结合隧道洞门工程特点,选取影响洞门设计的主要因素,将影响因素划分为12个属性单元来表征工程案例,运用三角模糊数的层次赋权计算方法对各属性单元权重进行赋值,借助相似度理论建立隧道洞门设计方案相似决策模型。基于GIS技术开发了隧道洞门工程案例库,实现对既有工程的存储管理,同时利用SQL查询语言及Python计算脚本实现案例的属性特征值计算与最相似匹配,进一步修正后可实现隧道洞门修建方案的设计决策。以某山区隧道为例对智能设计方法进行验证,结果表明:根据属性单元特征值计算结果,在案例库中比选得出与拟建隧道相似度最高的既有工程为凤凰山隧道,且相似度为0.707。因此,设定阈值为0.7时能加快案例库的检索速率与匹配准确率,该方法吸取了既有工程案例的经验,能应用于隧道洞门施工方案的决策设计,可供今后隧道洞门方案的智能化设计参考。

云南高寒山区二级公路隧道防冻设计

云南鲜有隧道工程需考虑季节性积雪、冰冻等冻害的影响。本文以地处云南高寒山区的香格里拉至维西二级公路工程为依托,针对海拔超过3300m位于雪线之上的高寒山区单洞双车道二级公路隧道,通过对香格里拉季节性冻土区受冻情况的分析,确定了抗冻设防长度,并从围岩加固、隧道衬砌结构、防排水设计等方面提出了综合性的隧道防冻措施。本项目隧道工程抗冻设防设计的实际经验,可供类似工程参考。

公路隧道泡沫混凝土减震层减震效果评价

近年来泡沫混凝土材料因优良的抗震性能逐渐被推广应用于隧道减震层结构,本研究分析了强震作用下公路隧道泡沫混凝土减震层的减震机理。使用ABAQUS有限元软件建立精细化隧道结构模型,其中泡沫混凝土减震层采用可表征泡沫混凝土受压行为的可压缩泡沫本构模型,用于分析强震作用下隧道二次衬砌结构损伤。结果表明,隧道结构在水平向与竖向地震荷载共同作用下的损伤比水平向荷载单独作用的情况严重,泡沫混凝土减震层虽不能从根本上改变隧道结构受力状态,但可显著降低二次衬砌的内力幅值。其次对比了不同厚度泡沫混凝土减震层的减震效果得出,对于穿越高烈度地震区公路隧道,当采用厚度为0.4 m的泡沫混凝土减震层时,其在强震作用下减震效能最高。

基于炮孔钻进参数的隧道掌子面围岩三维精细化分级方法

长进尺、大断面开挖条件下,隧道开挖掌子面-未支护段围岩三维稳定性具有更大挑战,围岩三维精细化分级是解决该问题的关键。基于现场收集的大量钻进参数样本,运用极端随机树算法,建立围岩智能分级机器学习模型;在此基础上,利用凿岩台车扫描定位系统及坐标系转换关系确定各炮孔钻进参数对应的三维坐标,并利用克里金空间插值技术构建开挖循环范围内钻进参数三维数据空间;结合隧道工程实际,进一步将钻进参数三维数据空间纵向分段、横向分块(分层、分区),利用围岩智能分级模型实现各尺度三维精细化分级,为制定、调整施工方案提供建议。研究有助于促进基于钻进参数的围岩智能分级的应用,提升施工阶段的围岩分级水平,为精细化设计奠定基础。

采空塌陷区隧道病害机理与防控研究现状与展望

我国是煤炭生产大国,煤炭开采造成了大量采空塌陷。随着公路铁路网不断加密,在山西等采煤大省,越来越多的交通隧道不得不穿越煤矿采空塌陷区。采空塌陷区岩层破坏剧烈、变形量大且持续时间长,是隧道工程建设与运营的重大安全隐患,系统研究采空塌陷区隧道灾变机理与防控技术是隧道工程建设与运营安全的重要保障。通过分析文献报道的工程案例,总结了采空塌陷区隧道的主要病害类型及其灾变机理,回顾了塌陷区采动岩体长期变形预测方法与隧道灾变预测方法,介绍了塌陷区采动岩体变形控制方法与穿越采空区隧道围岩处治方法。在此基础上,分析了采空塌陷区隧道灾变与防控技术研究中存在的突出问题,并对亟待研究的方向进行了展望。

穿越活动断裂带深埋隧道围岩地震响应分析

西南艰险山区道路和铁路隧道工程占比大,存在着埋深大、地质条件复杂、地震活动频发的特点,还存在隧道工程与活动断裂小角度穿越的工程问题,且近场地震对不同埋深的围岩影响不同,因而活动断裂近场地震对隧道工程顺利施工和安全运营存在显著不利影响。基于此,本文首先基于国内外发生的多次灾难性地震对隧道工程的影响,分析归纳了历史地震震级对穿越发震断裂隧道围岩(围岩埋深、岩性和级别)破坏的影响规律。其次,结合活动断层等特性,获取了能够反映区域断层特征和脉冲特性的地震动记录。最后,采用有限差分软件FLAC3D研究了活动断裂近场地震对深埋隧道工程围岩的影响规律。研究结果表明:隧道埋深的增加使得隧道围岩更加稳定,对于隧道围岩的塑性变形有抑制作用。不同地震动作用下的最大剪应力和最大主应力走势基本相同,断层段隧道围岩应力均大于普通围岩段。IV级及以下围岩在200 m埋深、PGA在0.3g以上时发生了较大的位移和应力响应。响应水平随着PGA的增大而增加,PGA从0.2g到0.39g的过程中有一个较大的增加,增幅接近50%,此过程是隧道产生塑性变形的主要过程,塑性区面积也随着PGA的增大而逐渐增大,因而在穿越活动断裂深埋隧道需认真考虑其近场地震的影响。研究成果可为隧道抗震优化设计提供技术支撑。

不同滑带角度滑坡作用下隧道衬砌与抗滑桩结构非线性受力特征研究

随着隧道滑坡体系支护研究的深入,隧道滑坡与抗滑桩支护之间的受力研究尤为重要。为研究在0°、10°、20°、30°、40°、50°共6种滑带角度影响下隧道衬砌结构与抗滑桩的受力特征,以大准铁路南坪隧道为原型,采取室内缩尺试验以及数值模拟的方法,对三者间受力变形规律进行研究。得到以下结论:随着滑带角度的增大,桩身与隧道衬砌结构变形逐渐减小,作用在隧道以及桩身的土压力、弯矩值逐渐减小;同时,滑带角度为0°、10°、20°、30°时滑坡水平推力对隧道衬砌结构受力影响较大,40°、50°时滑坡水平推力影响显著衰减,拱脚竖向荷载占比逐渐增大。当滑带角度小于30°时,应当主要考虑滑坡水平推力对隧道结构的影响,大于30°时主要考虑由滑坡体所产生的竖向荷载对隧道衬砌结构的影响,此时应当对隧道仰拱及靠近坡体处拱脚位置重点加固。所得试验、模拟结果为隧道与抗滑桩体支护施工提供一定参考。

基于多元线性回归原理的高海拔深埋隧道地应力反演分析

基于青藏高原东南地区某特长深埋隧道工程,建立了高精度的山体三维有限元模型。在横洞内钻取了岩芯试样,通过室内试验获得了岩石物理力学参数。采用水压致裂法测得该工程区的现今构造应力,测区现今主应力场以南西-北东向挤压为主。地应力数据转换角度后,通过多元线性回归的原理,得到构造应力的回归公式,回归公式和回归系数满足显著性检验。计算得到隧道工程区域的构造应力场,反演计算精度良好,计算结果符合实际隧道工程区域的构造特征。隧道轴线上的主应力分布规律表明:该隧道受到强烈的构造挤压作用,岩体内赋存较大的水平应力,最大水平主应力超过62 MPa。为避让大断层而选择的隧道走向与最大水平主应力小角度相交,这将有利于隧道围岩的稳定。隧道埋深较浅的里程地应力特征为S_(H)>S_(V)、S_(h),埋深较大的里程地应力特征为S_(H)>S_(V)>S_(h)。从应力角度初步统计出该特长深埋隧道的岩爆灾害等级,该特长深埋隧道全线路发生岩爆灾害的概率较大。

分层倾斜岩土大断面隧道新型让压支护结构支护效果:以兰州白塔山隧道为例

为解决分层岩土地层隧道中出现的应力及变形分布不协调的问题,提出了一种针对分层岩土地层的新型支护结构,并构建了常规支护结构和新型让压支护结构的数值计算模型,对两种支护结构的支护效果进行了对比研究。结果表明:不同地层中围岩压力变化均表现为快速增长-缓慢增长-趋于稳定3个变化阶段,最终围压和变形分布均呈现出“黄土侧大,岩石侧小”的分布形态;新型让压支护结构减弱了围岩位移分布向黄土侧偏移的效果,上部导坑的围岩竖向位移和水平位移也均小于常规支护结构;新型让压支护结构拱架受力和变形整体小于常规支护结构,且降低了两侧导坑的变形差异,而缓冲让压结构的设置使分层岩土界面处支护结构受力和变形减小,实现了缓冲让压支护效果。总体上,新型让压支护结构在分层岩土地层隧道中具有良好的支护效果。

寒区隧道防寒设计与研究现状及发展

近年来,随着我国“一带一路”的建设与交通网的西移,越来越多的寒区隧道在西部地区修建,但是由于寒区隧道冻害频繁发生,因此防寒保温是寒区隧道工程建设中亟待解决的难题。通过回顾典型寒区隧道工程案例,总结了寒区隧道冻害特点与成因,归纳了已有寒区隧道防排水措施和洞周、洞口保温措施,并对其合理性与适用性进行了评价,以期为未来寒区隧道的冻胀效应、防寒保温设计提供参考。