考虑衬砌截面协调变形约束的既有隧道受盾构下穿施工影响的Fourier能量变分解

目前关于新建盾构开挖诱发既有地铁隧道变形的理论研究,大多将既有隧道简化为不含接头的Euler-Bernoulli梁,而忽视了衬砌截面的剪切变形与管片接头的局部刚度削弱。此外,既有地基模型理论较少考虑衬砌管片与接触土体的协调变形约束。首先,采用Loganathan-Polous公式计算盾构开挖诱发的土体自由位移场,并将既有隧道视为考虑剪切变形的Timoshenko梁,基于沿轴线变化的抗弯与剪切刚度函数来描述管片接头的局部削弱作用;然后,结合能量变分原理与连续弹性体Mindlin解,建立考虑衬砌截面协同变形约束的隧道位移控制方程,将盾构开挖诱发的附加荷载施加于既有隧道,并使用Fourier级数方法求解既有隧道纵向变形;最后,将Fourier能量变分解与3组工程实测数据进行对比验证,取得了较好的一致性。此外,考虑隧道抗弯刚度、剪切刚度、接头刚度削弱作用、土体参数与隧道空间位置等因素的共同影响,使用抗弯系数、剪切系数及接头系数进行敏感性分析。结果表明,考虑截面变形协调约束的理论解更为符合实际,不考虑变形协调约束所得隧道位移结果偏大;衬砌接头局部刚度的削弱作用将造成隧道弯矩沿轴线在接头处发生明显锯齿状突变;抗弯系数与剪切系数的增长均导致隧道结构所受弯矩降低;剪切系数由低到高的增长将导致隧道变形模式发生“弯曲控制-弯剪混合-剪切控制”三阶段变化;隧道变形模式进入“剪切控制”阶段的过程中,抗弯刚度的变化对隧道内力影响逐渐降低;接头系数的增长将造成隧道所受弯矩降低,但隧道抗弯刚度较大时其影响逐渐减弱。

深埋高地应力TBM隧道岩爆倾向性影响因素分析

研究目的:岩爆灾害在深埋高地应力硬岩隧道建设过程中最为突出,因此明确影响岩爆发生的主要因素对岩爆灾害的预测和防治有重要意义。本文以西南地区某新建山岭TBM隧道为工程背景,在对岩爆发生条件总结分析的基础上,基于FLAC3D软件建立TBM隧道掘进数值模型,分析地应力和围岩强度对岩爆倾向性的影响;然后采用博弈组合赋权-灰色关联分析的方法确定不同因素对岩爆倾向性的影响程度。研究结论:(1)高储能脆性岩体、足够能量来源和工程开挖卸荷为隧道岩爆的产生条件;(2)岩爆倾向性随着埋深的增大逐渐增加,侧压系数<1.0时,边墙处岩爆倾向性最大;侧压系数>1.0时,拱顶(拱底)处岩爆倾向性最大,随着侧压系数的增大,拱顶和拱肩处岩爆倾向性逐渐增加,边墙处岩爆倾向性逐渐减小;(3)岩爆倾向性随着黏聚力的增加呈小幅增大,内摩擦角较小时,随着内摩擦角的增加岩爆倾向性逐渐增大,但内摩擦角越大其对岩爆倾向性影响越小;(4)不同因素对岩爆倾向性的影响程度为:埋深>内摩擦角>侧压系数>黏聚力;(5)本研究成果可为高地应力隧道岩爆预测的影响因素确定提供支撑,同时也可为岩爆灾害防治提供借鉴。

断层错动下非连续管道的力学响应分析

断层错动诱发上覆土体破坏对跨越断层的埋地管道结构安全构成巨大威胁,是复杂环境地下管线设计中不可忽略的场地因素。既有成果较少涉及正断层和逆断层错动影响下的解析解分析,且针对断层-管道相互作用的理论研究一般将管道结构视为连续管道,较少考虑管道接口的影响。首先,在简化SSR(静止区stationaryzone,剪切区shearingzone,刚体区rigid body zone)土体变形模型的基础上,结合erf函数和erfc函数,得到了正断层和逆断层错动影响下的土体位移曲线;其次,引入双参数Pasternak地基模型,对管道微元进行受力分析,借助有限差分法求解得到埋地管道结构的变形和内力;最后,将理论解析解和已有的试验结果及数值模拟结果进行对比验证,获得了较好的一致性。此外,针对断层倾角、断层与管道交点位置和接口转动刚度等关键物理特征参数进行了敏感性分析。结果表明:断层倾角会改变管道位移曲线和轴向应力曲线位置,但其位移最大值和轴向应力最大值基本一致,而断层与管道交点位置不仅会改变管道位移曲线和轴向应力曲线形状,其轴向应力最大值也将发生改变;随着接口转动刚度增大,管道最大轴向应力值随之增大,当接口转动刚度足够大时,可将非连续管道视作连续管道进行计算。

基于极限分析上限法的地震作用下分层地基盾构隧道开挖面稳定性研究

目前针对盾构隧道开挖面稳定性的研究还较少考虑土体分层特性和地震作用的耦合影响,因此构建了一种在分层土体中考虑地震作用的开挖面三维对数螺旋破坏模型进行研究。首先,将地震引起的动态响应通过拟静力法简化为水平和竖直两个方向上的惯性力作用;其次,在均质土体中的三维对数螺旋破坏机制的基础上,将其改进为适用于分层土体的三维对数螺旋破坏机制;再次,根据上限定理,在虚功率方程中引入地震惯性力所做功率,得到考虑土体分层特性和地震作用条件下的盾构隧道开挖面支护力的上限解;最后,将上限理论解与三维数值模拟结果和既有模型试验结果进行对比,得到了较好的一致性。此外,针对水平地震加速度系数和地层厚度对关键物理特征进行了影响因素分析。结果表明,当比例系数ζ>0时,极限支护力随水平地震加速度系数的增大显著增大;当ζ<0时,极限支护力随水平地震加速度系数增大而增大的趋势减弱。当水平地震加速度系数kh=0时,即在无地震作用情况下,归一化极限支护力不随ζ的变化而变化;在上硬下软土层中,下部土层厚度比的增大会引起极限支护力的增大,在上软下硬土层中,下部土层厚度比的增大会引起极限支护力的减小。

波流耦合影响下分层海床隧道周围砂土渗流孔压及液化分析

目前针对波浪作用下海底盾构隧道周围渗流场的既有理论研究一般将衬砌考虑为不透水介质,较少考虑隧道衬砌的渗透性,尤其是较少考虑波浪与海流共同作用对隧道的影响。此外,既有理论一般将海床视为均质且各向同性工况,忽略了实际情况下分层海床的影响。首先,基于波流共同作用下的海床表面的动力边界条件,采用传递-反射矩阵法得到波流共同作用下自由分层海床的孔压响应;其次,采用镜像法建立了由于隧道存在引起的砂土摄动压力控制方程,并利用砂土与衬砌间渗流连续条件获得了该方程的Fourier级数展开解析解;接着,采用叠加原理得到了波流共同作用下分层海床中隧道周围砂土的渗流压力响应及液化判定解答。最后,将理论解析解与数值结果及已有的试验结果进行对比,获得了较好的一致性。此外,针对海床渗透性和隧道衬砌渗透性进行了影响因素分析。结果表明:海流顺流会增大海床中的孔压和液化程度,逆流会减小海床中的孔压并抑制海床的液化,且流速相同时海床对逆流响应的相对差异总体上也大于顺流;当分层海床上层渗透系数较大时(k+s>1×10^(-2)m/s),海床整体孔压较大,且第一次分层处孔压变化明显;当隧道衬砌渗透系数较小时(k+l<1×10^(-6)m/s),隧道对超静孔隙水压在海床内传播“阻挡”效应明显。

在役岩溶隧道衬砌水压分布及预警控制标准研究

随着强降雨天气的频发,在役岩溶隧道衬砌开裂、渗漏水及失稳破坏事故日益增多。地表降雨补给下衬砌背后积聚高水压力是岩溶隧道发生水压灾害的主要原因,对在役岩溶隧道开展监测预警是避免灾害发生的重要手段。以郑万线岩溶隧道为依托,开展了相似模型试验及渗流数值模拟,研究了不同岩溶形态下衬砌背后水压分布规律及衬砌隆起位移,制定了岩溶隧道运营监测预警控制标准。结果表明:当地表降雨补给超过隧道排水能力时,衬砌背后将形成“地表补给+洞内排水”的动水压力,仰拱底部极易积聚高水压力;地层中存在岩溶管腔和溶蚀裂隙带时,地表降雨将会导致衬砌水压局部增高,衬砌承受偏压荷载,并使仰拱受力进一步劣化;以隧道仰拱中心水压力和隆起位移作为控制基准,将岩溶隧道运营监测预警等级划分正常运营、临时补修、限速整治和封闭整治。研究成果可为岩溶隧道的结构设计优化及监测预警提供借鉴。

深埋高地应力TBM隧道岩爆发生机理研究

为分析高地应力隧道岩爆发生机理,以西南山区某新建TBM隧道为工程背景,通过室内岩石力学试验分析围岩基本力学特性,然后基于弹性力学理论建立板裂屈曲岩爆的力学失稳模型,最后通过离散元UDEC软件对隧道岩爆演化过程进行分析。结果表明:①隧道围岩满足发生岩爆的岩性条件,岩爆倾向性为中等~强烈;②拱顶板裂屈曲岩爆可视为围岩板裂结构在水平切向应力作用下断裂失稳所导致,劈裂岩体厚度为岩爆主要影响因素;③隧道开挖卸荷后洞壁围岩开裂剥离弹射破坏主要是张拉破坏造成。为保障隧道施工安全提供理论依据。

寒区隧道空气幕保温技术效果分析

为研究寒区隧道空气幕保温技术的保温效果,以某隧道为设计背景,应用相似理论和量纲分析法,首次搭建由外界环境控制装置、棚洞模型、空气幕射流控制装置和温度测试装置4部分组成的模型试验系统。试验采用控制变量法分析不同工况下空气幕保温技术的效果,研究结果表明:空气幕保温技术的最优射流角度为30°~40°;当外界温度为-10℃,外界风速为2 m/s时,一道空气幕墙可以满足隧道的防寒保温需求;空气幕射流速度应根据隧址处的自然环境变化,才能有较好的防寒效果;寒区隧道空气幕保温技术的保温原则为以加热为主、隔风为辅;当串联多道空气幕共同工作时,最佳串联间距为30 m。模型试验填补了寒区隧道空气幕保温技术试验的空白,结果可为我国寒区隧道工程建设提供思路和参考。

基于改进TOPSIS-GRA模型的岩爆倾向性预测

准确的岩爆预测对保障地下工程施工安全具有重要意义.针对此提出了一种基于改进TOPSIS-GRA的岩爆倾向性预测模型.在综合分析影响岩爆发生的主要因素以及现有的岩爆评价指标体系后,从地应力、岩性和岩体结构方面选取应力系数σθ/σc、脆性系数σc/σt、弹性能量指数Wet和完整性系数Kv等4个指标构建岩爆评价预测体系.分别选用层次分析法和CRITIC法求得主客观权重,并通过距离函数确定主客观权重的偏好系数以此得到组合权重.以国内外17组典型岩爆工程实例为样本,引入相对熵和灰色关联度对TOPSIS评价法改进,从而对岩爆烈度等级进行评价预测.最后通过冬瓜山铜矿等工程对模型的准确适用性进行验证.研究结果表明:改进模型的岩爆预测结果和实际情况一致,预测准确率为88.9%,相比传统TOPSIS岩爆预测法,改进模型的工程应用前景更加广阔.

基于天然骨仿生的骨组织工程设计综述

骨组织工程可以在骨缺损治疗前期提供匹配缺损的支架,引导新生骨形成,并提供活性因子、种子细胞等促进骨组织再生,在骨修复中有广泛的应用。良好的骨组织工程设计至关重要。受天然骨组织自身特性的启发,骨组织工程支架与仿生科学之间的联系越来越密切,成分、结构和功能仿生成为制备骨组织工程支架的重要方法。本文根据天然骨组织固有性质,对不同仿生方式,如成分仿生、结构仿生及功能仿生进行简要介绍,并对其在骨组织工程中的应用进行综述,旨在为骨组织工程的设计提供新的思路与方法。

寒区隧道洞口空气幕温度场理论分析

为研究寒区隧道洞口空气幕保温技术的可行性,采用流体力学原理、叠加原理和贝塞尔特征函数等方法,构建完整的寒区隧道洞口空气幕温度场的理论体系。通过数值模拟,验证该保温技术的可行性,总结该保温技术的保温原则。结果表明:理论计算结果和数值计算结果较为接近,空气幕保温技术可有效防止隧道冻害;空气幕保温技术的保温原则可总结为加热为主,隔风为辅。研究成果可为今后的工程实践提供理论基础。

高烈度活断层地区隧道结构抗震的综合措施

以地处高烈度活断层地区的敦煌—格尔木铁路阔克萨隧道为背景工程,采用地震动力仿真模拟方法,探讨采用注浆加固圈、减震层和超挖法等不同措施时隧道结构的抗震机理与效果。计算结果表明:采用无注浆加固,以及全环间隔注浆、全环接触注浆和局部注浆3种注浆加固方式时,隧道结构的位移以及二次衬砌的振动加速度均基本相同,但最大应力的降低较明显,其中采用全环间隔注浆方式时,隧道二次衬砌最大应力的降低幅度最大;设置减震层后,隧道衬砌的拉应力大幅度减小,但对衬砌的位移和振动加速度响应影响较小;采用超挖法施工时,施作1层衬砌就能满足抗震的要求,但应预留施作2层衬砌的空间;适合于高烈度活断层地区隧道结构抗震的综合措施为采用全环间隔注浆加固方式,其夹层围岩间隔距离为1m、加固圈厚度为3m;横向减震层厚度为150mm,纵向衬砌节段长度为8m;选用超挖法进行施工。

新建铁路隧道下穿既有铁路施工引起的地表沉降控制标准研究

新建铁路隧道下穿既有铁路施工时引起地表沉降,这时对既有铁路运营安全的影响主要受控于轨道的前后高低差。采用ANSYS二维有限元方法,对新建铁路隧道下穿既有铁路工程建立数学模型,模拟计算不同最大等效应力、地质条件、隧道埋深、隧道结构形式等96种工况下的地表沉降量。并利用Peck公式回归分析得到96种工况下的沉降槽宽度系数。对模拟结果和回归结果进行数据分析,推导出沉降槽宽度系数与隧道埋深的关系式,以及地表最大沉降量与地层弹性模量、最大等效应力、隧道埋深的关系式。在此基础上,根据地表沉降曲线的正态分布规律、沉降槽宽度系数的数学意义和轨道的前后高低差管理值,推导得到新建铁路隧道下穿各等级既有铁路时的地表沉降控制标准。

有限地层三孔并行海底隧道渗流场解析研究

研究目的:目前对海底隧道渗流场的研究大多基于半无限空间的单孔隧道,考虑实际工程常采用三孔并行的排布方式,且实际工程中隧道下方常存在相对不透水层或基岩等不透水边界,本文以渗流力学为基础采用镜像法和竖井理论推导有限厚度地层海底隧道渗流场解析解,将公式进行退化和数值验证,并对不透水边界距离、三孔隧道埋深、间距及注浆参数进行分析。研究结论:(1)隧道下方不透水边界对涌水量影响较大,当不透水边界距隧道中心为25r1时,对涌水量基本没有影响;(2)三孔并行隧道间渗流场存在相互影响,且随隧道间距的增加影响逐渐减弱,当隧道间距大于30r1时,涌水量基本没有影响;(3)三孔并行隧道涌水量随埋深增大呈现出先减小后增大趋势,埋深为2r1时涌水量最小;(4)三孔并行隧道涌水量随注浆圈厚度增大和渗透系数减小而减小,实际工程中应注浆密实度和注浆厚度并重;(5)本研究成果可为相关海底隧道工程的设计与施工提供参考。

超小净距隧道爆破振动现场监测及动力响应分析研究

以南京地铁超小净距隧道为工程背景,结合国内外现有研究成果和规范,研究确保小净距先行隧道安全稳定的后行隧道爆破施工控制技术。以现代信息化施工理论为依据,充分运用现场监控量测,对先行隧道爆破质点振动速度进行监测分析和施工中爆破采用减振和隔振两方面控制技术;最终现场监测结果表明,优化后的循环进尺、段最大装药量与分段爆破差等爆破参数设计合理,该爆破设计在施工中未对先行隧道安全产生较大影响;同时,通过三维数值模拟计算,得到先行隧道壁面的质点振动速度随时间的变化规律,所得最大振速符合规范要求,也再次验证了优化后的爆破设计是合理的。通过数据分析得出隧道边墙的切向和径向振速比拱脚相应振速大,爆破面前方先行洞衬砌受爆破振动的影响稍大于后方衬砌,临近爆破点的左线隧道衬砌表面振动大于远离爆破点的衬砌表面振动。该研究成果为本工程施工提供了科学依据与技术指导,也可为类似隧道工程的爆破掘进工程在理论和施工方法上提供参考借鉴。

基于正交试验的盾构隧道下穿单桩影响因素敏感性分析

为探究盾构隧道下穿单桩时各影响因素的影响力大小,采用正交试验和数值模拟方法,并考虑桩顶荷载的作用,以桩顶沉降和桩顶水平位移为评价指标,探讨盾构下穿单桩的主要影响因素影响力大小,并对最主要影响因素进行进一步分析;考虑到单桩承载性状不同,分析了桩端到隧道拱顶净距变化时,盾构隧道正下穿摩擦型单桩和端承型单桩桩顶沉降的不同。结果表明:桩轴线到隧道轴线的水平距离为最主要影响因素;随着单桩与隧道水平距离的增加,桩顶沉降逐渐减小,而桩顶水平位移先增大后减小,在单桩与隧道间距达到2 D时桩顶水平位移达到最大值;当桩端与隧道拱顶净距小于3 m时,随着竖向净距的减小,端承型单桩比摩擦型单桩的桩顶沉降增量更加明显,且发生突变。

泥石流堆积体隧道基底加固方法及稳定性分析

兰渝铁路仓园隧道穿越结构松散、含水率高的泥石流堆积体,最小埋深仅14 m,隧道基底稳定性差、地基承载力低。在隧道基底常用处理方法比较分析基础上,采用树根桩进行隧道基底加固;采用数值试验模拟隧道施工过程力学行为特性及基底加固处理效果,并分析不同列车振动荷载频率下隧道基底在有、无树根桩情况下列车动载对隧道基底工后沉降和振动的动力响应规律;结合现场监测数据分析,提出了泥石流体隧道施工变形控制和基底加固方法,供类似工程设计和施工参考。

泥石流堆积体隧道围岩加固及施工方案优化研究

研究目的：兰渝铁路仓园隧道穿越结构松散、含水率高的泥石流体，隧道最小埋深14m，基底稳定性差、地基承载力低，施工难度及风险很大。采用三维数值模拟，确定穿越泥石流堆积体隧道围岩加固范围、合理施工方法及台阶参数，为本工程施工提供科学依据与技术指导，并为类似工程设计和施工提供参考。研究结论：（1）采用地表帷幕注浆、大管棚超前支护及洞内掌子面加固相结合，对控制泥石流堆积区隧道施工大变形及改善结构受力效果最佳，特别是加固好掌子面地层，对隧道周边位移控制效果非常明显。（2）为了保证施工安全及工期，采用地表地层和掌子面注浆注浆加固、大拱脚及隧道基底树根桩加固等施工辅助措施后，通过多施工方法比选，最终选择采用三台阶七步开挖法。（3）三台阶合理的台阶参数为：台阶长度取4m左右较合适，不宜超过6m；上、中、下各阶台阶高度取3．5m；错台长度确定为2～3m；台阶开挖进尺不宜大于0．6～1．2m。（4）研究成果可用于穿越泥石流堆积体地层及类似的松散地层的各类隧道工程。

立体交叉隧道爆破动力响应和安全范围研究

研究目的:目前矿山法在隧道施工中非常普遍,在交叉隧道施工中,隧道爆破施工对既有隧道的影响是近些年人们非常关注的问题。因此,研究常规爆破方式爆破对立体交叉隧道动力响应规律,确定安全振速标准及不同影响程度的安全范围。研究结论:(1)新建下穿隧道施工至交叉位置时,既有隧道拱底和拱脚峰值振速较断面环向其他位置大,对爆破振动相对敏感,为薄弱环节,需重点关注;(2)爆破作用下位移对既有隧道的运营安全和结构安全都不会产生影响;(3)以振速作为评判标准,对新建隧道爆破施工下穿既有隧道全过程中既有隧道受到的结构破坏、影响运营和关注围岩等三种不同程度的影响范围进行了定量划分,并确定了相应程度的安全范围;(4)本研究成果可为立体交叉隧道爆破荷载作用下的抗震设计提供指导。

浅埋偏压连拱隧道的施工优化及支护受力特征分析

用岩土工程专用分析程序FLAC3D,对铜黄高速公路汤屯段富溪浅埋偏压连拱隧道进口段采用的施工过程进行了三维快速拉格朗日差分方法分析,比较了先开挖浅埋侧主洞与先开挖深埋侧主洞两种开挖施工顺序,获得了浅埋偏压连拱隧道在采用不同开挖顺序施工时各阶段隧道变形、中隔墙及支护结构的应力和位移等变化情况,通过对比、分析,从而使得实际隧道施工顺序得到优化,结果与现场监控量测资料相比较,得出的结论可为富溪浅埋偏压连拱隧道施工提供科学依据与技术指导。