火灾下盾构隧道衬砌管片结构变形理论分析

火灾高温会使盾构隧道管片衬砌的力学性能产生劣化,其受力变形也较常态下更为复杂。考虑到火灾下衬砌截面温度场的真实分布情况以及管片材料高温下力学性能的非线性,建立了高温下圆形衬砌变形的理论计算模型;针对盾构隧道管片衬砌,基于自由变形理论,得到了其高温下变形的解析解;根据具体算例得到了发生火灾时管片变形规律,为管片火灾下的防火设计提供了理论依据,并将计算结果与设计规范相对比,对灾后隧道内人员财产救援进行的时机给出了建议。

基于能量分析的落石对棚洞垫层冲击力学研究

基于能量分析的方法研究了落石对棚洞垫层的冲击力学行为。考虑缓冲垫层弹塑性对落石冲击过程的影响,研究了冲击过程中的成坑变形所需能量、垫层与落石之间相互摩擦所产生的内能以及棚洞自身耗能的影响,根据动能定理得到了冲击深度以及冲击压力的计算表达式;同时将本方法同已有的计算方法进行了对比分析。研究结果表明:用于成坑变形所消耗的能量占总能量比重最大,其值约为总冲击能量的50%;垫层与落石之间由于摩擦所产生的内能占比次之,其值约为30%并且随着冲击能量的增大而下降;棚洞结构自身耗能约占总能量的20%并随着冲击能量的增加而不断减少;在考虑了摩擦耗能以及结构自身耗能的影响之后,对落石冲击压力的计算结果同半理论半经验的日本道路公团方法以及基于实验数据的瑞士方法较为接近。

火灾时管片可靠度计算及优化研究

受火灾高温的影响,隧道衬砌结构可靠性降低。笔者通过自由变形理论,解析计算可靠度优化模型中的结构内力,明确了计算中的随机变量;从结构可靠度指标几何意义出发,基于优化思想确定了可靠度计算公式;考虑火灾下衬砌管片的损伤特点,提出了火灾下管片的功能函数,建立了管片高温下可靠度计算优化模型;最后通过案例分析并利用非线性规划求解优化问题,得到火灾下衬砌可靠度的变化规律,并对管片截面厚度进行了优化设计。研究表明,常规设计管片各处可靠度指标差异较大,隧道拱顶可靠度最低,10 min后失效概率大于0.023,通过优化设计可使火灾持续30 min后满足基本安全。

山子顶公路隧道软弱围岩施工方案优化研究

以山子顶软弱围岩公路隧道为依托,由于施工现场所采用的环形开挖留核心土法并不能保证隧道施工的顺利进行,故本研究基于ANSYS有限元方法,建立了系统锚杆+钢纤维喷射混凝土支护、长系统锚杆+加厚喷射混凝土支护、管棚+系统锚杆+喷射混凝土支护、扩挖支护+喷射混凝土支护共4种三维计算模型对施工方案进行对比分析优化。研究得出:扩挖支护是软弱围岩隧道一种相对优越的施工方案,且当扩挖支护厚度达到60 cm时初期支护的主压应力为16.4 MPa,主拉应力为0.486 03 MPa,满足其材料强度要求。为了进一步论证扩挖支护施工措施对初期支护结构受力特性影响的合理性、全面性及优越性并为上述结论提供理论支撑,本研究继续构建了扩挖支护厚度为0 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm共6种三维计算模型,进而较系统的分析了扩挖支护与初期支护力学行为。本研究结果可为其它类似工程提供参考。

新二郎山隧道通风系统局部结构优化研究

新二郎山隧道长13.4 km,采用四斜井三区段分段纵向式通风。为了降低隧道运营期间的通风能耗,通过数值模拟对隧道通风系统中的渐缩风道长度以及渐缩角度、渐扩风道长度以及渐扩角度、弯曲风道弯曲角度进行了优化;借鉴泥巴山隧道竖井自然风通道经验,增设自然风通道排水设施与风道控制风门,设计了新二郎山隧道的自然风通道;利用CFJZ6通风机综合测试仪对隧道通风系统渐扩段建成后的局部阻力损失系数进行了现场实测。根据优化结果推荐其渐缩段风道渐缩角度为10°,风道长度为6.8 m;渐扩段风道渐扩角度为10°,风道长度为24.1 m;弯曲风道弯曲角度80°。优化后渐扩段局部阻力系数为0.100 7远小于优化前的0.380 2。

考虑人员逃生公路隧道火灾控制风速研究

公路隧道火灾人员逃生与控制风速关系密切。本研究基于PHOENICS软件,建立了矩形、圆形及马蹄形断面下二、三及四车道9种计算模型,选取了大客车(20 MW)及无载重货车(30 MW) 2种火源释放率,选取了2.0 m/s、2.5 m/s、3.0 m/s、3.5 m/s及4.0 m/s的入口风速共计40种主要常见火灾工况,考虑了纵向通风对人体极限温度承受值的影响,采用了杨涛修正的动态火源释放率曲线及周勇狄修正的克拉尼公式,选用了适当的人员逃生条件,给出了每种工况8个特征时刻的10个特征点的温度值及曲线图,给出了燃烧5 min、12 min、30 min后火源处的纵横断面温度云图及中轴面烟气云图,给出了对应于火源燃烧位置上下游8个特征位置下人员逃生的忍受时间与逃离时间。研究得出:在基于人员逃生条件下矩形断面隧道在火源释放率为20 MW时二车道控制风速为3.0 m/s,三、四车道均为2.5 m/s; 30 MW时二、三、四车道控制风速均为3.5 m/s,圆形与马蹄形断面隧道在火源释放率为20 MW时二、三、四车道控制风速均为3.5 m/s,30 MW时二车道控制风速均为4.0 m/s,三、四车道均为3.5 m/s。在火灾发生1 min后,人员以1 m/s从火源上下游进行疏散均可安全逃生。

生命值与伤害值概念下的公路隧道火灾人员逃生安全风险研究

公路隧道发生火灾时,高温和烟气同时危及逃生人员和消防人员的生命安全。在已有的火灾烟气和高温下人员逃生条件的基础上,文章定义人员伤害值、生命值概念,提出了一种新的同时考虑高温和烟雾的隧道火灾人员逃生安全风险辨识条件。以某隧道大巴车火灾为例,建立数值计算模型模拟不同火灾工况下隧道的温度场以及烟雾场,依据建立的人员逃生安全风险判定条件得到了火灾时下游人员逃生动态过程的受伤害程度以及不同位置处消防人员受伤害情况。研究结果表明:适当提高通风风速有利于下游人员逃生;逃生过程中CO对人的伤害占主导作用;通风风速大于2.5 m/s时,上游消防人员有足够的时间进行灭火作业;通风失效时,消防人员灭火时长不宜超过360 s。