洞桩法地铁车站边桩结构受力机制的模型试验设计

为了方便学生更形象地理解洞桩法地铁车站边桩结构的受力机制,该文以广州地区某洞桩法地铁车站工程为依托,设计了一种简化的洞桩法车站边桩结构模型试验。基于该试验方法,演示分析了边桩结构在洞桩法车站开挖过程中的施工力学行为规律,并对比研究了不同桩型布置参数下的桩后土压力、边桩结构的力学和变形规律。通过该试验,为学生展示了洞桩法边桩结构模型的设计、制作、试验具体操作及数据监测的全过程,从而让学生更好地掌握洞桩法车站边桩结构力学行为演变规律,以及采用不同边桩布置型式的力学行为差异。

密贴下穿既有地铁车站的新建通道拆撑影响分析

依托成都地铁8号线倪家桥站零距离密贴下穿既有地铁1号线倪家桥车站工程,采用数值模拟方法对比分析“先施作二衬再拆撑”和“先拆撑再施作二衬”对既有和新建结构的力学差异,并基于“先拆撑再施作二衬”工况进一步分析拆撑方案,最后通过实测现场实施的“先施作二衬再拆撑”工序下的既有车站底板沉降数据验证相关结论。研究结果表明:“先施作二衬再拆撑”既有车站弯矩及沉降、新建通道初支弯矩及二衬沉降变化不明显;“先拆撑再施作二衬”对于既有车站及新建通道影响则较为显著,一次性全部拆撑后既有及新建结构弯矩沿断面分布形态变化明显,在结构沉降方面,拆撑后既有车站及新建通道初支最大沉降突变量分别达4.86,7.30 mm;“先拆撑再施作二衬”工况下,采用顺序拆撑与跳仓拆撑,最不利部位出现在下穿通道纵向中部,跳仓拆撑引起新建通道初支沉降量大于顺序拆撑,但其施工效率更高,具体拆撑方式应根据施工安全控制标准及经济性要求合理选择。

不同加固方式下的软硬过渡段隧道基底受列车动载影响规律

在高速铁路列车动载作用下,隧道穿越软硬岩过渡段时易使隧道结构发生损害,而对于此类工程的动力研究及相关减隔振措施还鲜有涉及。鉴于此,依托广湛铁路相思山隧道工程实例,采用数值计算方法,对比分析无加固以及不同桩板结构加固下隧道穿越软硬岩过渡段时结构的动力响应特性。研究结果表明:在列车荷载作用下,位于交界面软岩侧隧道结构的加速度、动位移和动应力响应与硬岩侧隧道结构的动力响应差异很大,导致隧道交界面附近过渡效果较差,不利于结构的稳定。经三种不同桩板结构加固后,软岩段的隧道结构的动力响应有所减小,且与硬岩段隧道结构的动力响应更接近,过渡效果十分显著。在对比之下,桩板结构1(即承载板+托板+钻孔桩)的减振作用与过渡效果最佳。

TBM滚刀贯入度对破岩效能的影响规律研究

合理设置TBM贯入度参数对于特定地质条件下的掘进效率至关重要。为研究TBM盘型滚刀在不同贯入度下的破岩效果,采用自主研发的滚刀破岩缩尺试验平台,在不同边界条件下对花岗岩开展盘型滚刀线性切割试验,通过使用FEM(finite element method)和SPH(smooth particle hydrodynamics)相耦合的数值模拟方法重现相关试验以验证模型的合理性,并在此基础上建立原尺双滚刀回旋破岩三维数值模型,研究TBM盘型滚刀不同贯入度下对花岗岩的破岩效果。研究结果表明:有侧限条件下滚刀受力和岩碴体积往往更大,且相邻贯入度之间的法向力和岩碴体积增长幅度随着贯入度的增大而减小,但无侧限条件下的破岩效率更高;滚刀破岩过程是阶跃性的,岩碴的产生主要集中在滚刀荷载跌落阶段,无论刀侧是否存在限制,刀下岩石均被碾压至极细的粉末,刀侧岩石崩出,且岩碴的大小与滚刀荷载跌落幅度正相关;刀下岩石破坏区域近似呈“V”形,随着贯入度的增大,滚刀间的“V”形破坏区域持续向安装半径内侧倾斜;滚刀破岩效率随着贯入度的增大先提高后减小,针对试验岩样,最佳贯入度为2~4mm;本研究所采用滚刀破岩缩尺试验与FEM-SPH数值模拟相结合的方法可以很好地重现花岗岩破裂过程,且两者切削力相对误差均在10%以内,可以为后续TBM滚刀破岩研究提供一定参考。

硅藻土地层隧道基底钢管桩加固前后结构动力响应

依托飞凤山隧道工程,采用数值模拟方法研究了列车动荷载作用下硅藻土地层隧道基底微型钢管桩加固前后的动力响应特性,并引用经验公式预测了隧道长期沉降。结果表明:基底加固前后,列车动荷载作用下隧道结构振动加速度响应峰值均依次为仰拱>墙脚>拱顶>拱肩>边墙,动位移响应峰值均依次为仰拱>墙脚>边墙>拱肩>拱顶;采用钢管桩加固后,隧道结构振动加速度和动位移响应程度都得到明显控制,仰拱处的振动加速度响应峰值和动位移响应峰值分别减小了14.46%和30.58%;硅藻土地层隧道车致长期沉降主要发生在运营期前两年,钢管桩加固基底可有效减少隧道长期沉降。

近距离重叠隧道盾构施工的纵向效应及对策研究

上下重叠隧道施工时,后挖隧道施工过程对先建隧道是一种"卸载"作用,受此影响,先建隧道的衬砌管片将朝后挖隧道方向变形,但这种影响作用是暂时的。以深圳地铁3号线老街站-晒布路站区间重叠隧道工程为背景,采用三维有限元数值计算和室内离心模型试验相结合的手段,对上部隧道(后挖隧道)施工引起的下方已建隧道纵向变位进行了研究。结果表明,后挖隧道施工引起的先建隧道不均匀沉降主要出现在约掌子面前方3.5D(D为隧道直径)到后方3D的范围内。基于此,探讨了应对这种暂时纵向效应的对策措施,主要包括临时压重和临时内撑。在先建隧道位于掌子面后方(0～1)D、(1～2)D、(2～3)D范围内分别设置20t/3m、20t/6m、20t/9m的临时压重,且在掌子面前方4D和后方4D范围内为先建隧道设置临时内撑,可以较好地减小由于后挖隧道施工引起的先建隧道附加不均匀变形。

城市隧道近接建筑物施工的影响与对策分析

研究目的:为探讨新建隧道从不同距离、不同部位邻近既有建筑物施工的影响强弱程度,采用数值模拟方法,基于隧道与建筑物之间的夹岩应力状态变化趋势,建立隧道近接建筑物施工的影响分区,并在影响分区的基础上提出对策分级。研究结论:(1)基于摩尔-库仑准则,可按隧道开挖后的夹岩应力状态"全部进入屈服、全部出现应力集中但并未全部进入屈服、开始出现应力不变或应力反而改善"三种情况,对新建隧道近接既有建筑物施工划分强、弱、无3个影响分区;(2)基于本文计算参数的影响分区划分如下:在0°方向,强、弱影响分界为隧道距离建筑物基础边界1.0d(d为隧道跨度,下同),弱、无影响分界为3.0d;在30°、45°、60°、90°方向,强、弱影响分界为隧道距离建筑物基底中心1.5d,弱、无影响分界为3.0d;(3)针对强、弱、无影响分区,可相应采取"超前加固措施、仅加强掘进参数控制,按常规地段施工控制"等对策分级措施;(4)该研究成果对隧道近接建筑物施工的精细化管理具有一定的指导意义。

隧道分部开挖的围岩松动区演变分析

以乌蒙山二号四线铁路隧道为工程背景,通过数值模拟手段对比研究分部开挖与一次成洞的松动区形态和大小差异,再结合现场测试结果,分析隧道分部开挖的松动区演变规律。结果表明:一次成洞松动区范围要普遍大于多部开挖的最终松动区范围,最大径向松动深度高出12.6%,最小径向松动深度高出41.2%;在松动区分布形态上,一次成洞表现为左右基本对称,多部开挖具有一定的不对称性,且多部开挖基本是从拱顶到边墙部位依次减小,而一次成洞则呈"拱顶>拱脚>拱肩>边墙"的分布形式。多部开挖时,先挖部分的松动区随着后续开挖部的推进有所增加,后挖部对先挖部的影响表现为:"上下关系"强于"左右关系";另一方面,左右对称位置后挖侧松动区略大于先挖侧,说明先挖部对后挖部亦有劣化作用;其最终松动区是各开挖部相互影响和发展的结果,体现过程相关性。

小净距隧道夹岩力学特征分析

以深圳地铁3号线老街站—晒布路站区间盾构隧道为背景,针对小净距双孔盾构隧道中间夹岩的复杂三维受力状态,引入基于Mohr-Coulomb剪切屈服准则与拉伸屈服准则的屈服接近度函数,采用数值模拟计算和离心模型试验相结合的手段,对上下重叠和水平并行两类小净距隧道中间夹岩力学特征进行了深入研究。研究结果表明,无论是重叠还是并行隧道,其夹岩的中间部分屈服接近度值均大于两侧部分,即中间比两侧相对稳定,但两者的原因侧重点不同,前者侧重于减小应力圆"半径",而后者主要是通过应力圆"圆心"外移来相对改善夹岩中间部分的受力状态;对于城市浅埋隧道,在同等静力学条件下,上下重叠隧道夹岩的受力优于水平并行隧道。计算结果可为今后类似工程的设计、超前注浆孔的合理布置提供指导。

富水砂卵石地层土压平衡盾构带压换刀技术

成都地铁1号线的盾构掘进表明，在砂卵石地层中开挖刀具的磨耗非常严重，平均120～150m需全面更换一次刀具。结合成都地铁1号线盾构3标项目，对浅埋富水砂卵石地层条件下的土压平衡盾构带压换刀技术进行了有益尝试并获得成功，从而形成了相关成套技术。主要包括带压换刀工作气压值的经验计算公式，膨润土泥浆的配合比和制备流程，以及按“到达预定换刀地点前”、“到达时”、“换刀结束后的恢复掘进”三阶段控制的施工工艺。

新建隧道近接既有建筑物施工的破坏模式研究

地下工程近接施工影响最本质的原因是由于新建工程的施工引起围岩应力状态再次重分布,从而导致一系列的力学行为变化。文章引入强度折减法,通过数值模拟手段,对新建隧道近接既有建筑物施工的破坏模式进行了研究。研究结果表明:当新建隧道与既有建筑距离较远时,仅是隧道本身的单独失稳,不会波及建筑物;当两者距离较近时,夹岩破坏。在此基础上,根据破坏模式的差异提出两者有无近接施工影响的若干判据如下:(1)在隧道埋深不变(0°方向)的情况下,基于强度折减法的安全系数趋于定值可作为新建隧道施工对既有建筑物有无影响的判据;在隧道埋深变化(非0°方向)的情况下,安全系数达到峰值即可作为上述判据;(2)基于剪切应变增量显示的滑移带是否贯穿隧道与建筑物加载面之间的夹岩,可作为新建隧道施工对既有建筑物有无影响的形象直观判据。研究成果可为控制此类近接工程的安全风险提供理论基础,也为进一步建立影响分区、制定相关规范指南提供理论支撑。

系统锚杆的非均衡支护研究

文章以乌蒙山二号四线铁路车站隧道为工程依托,采用数值模拟手段,对多部开挖隧道系统锚杆的非均衡支护进行了研究。结果表明:在均衡支护条件下,系统锚杆轴力呈现"拱肩(1、2部)>拱脚(4、5部)>边墙(6、7部)>拱顶(3部)"的分布,部位不均衡性显著;拱脚、边墙部位的锚杆轴力左右不对称现象也很显著,具体表现在先挖侧大于后挖侧;拱顶的锚杆轴力很小,几乎未起作用。通过分别改变锚杆长度、间距和直径,进行系统锚杆非均衡支护分析,并与均衡支护工况相比,单环节省锚杆用量分别为37%、36%和36.93%,经济效益显著。

大跨度四线铁路隧道的围岩稳定性分析

采用理论分析和数值模拟手段,开展跨度对围岩稳定性的影响规律研究。结果表明,在开挖后仅出现弹性二次应力状态条件下,单纯的增加隧道开挖跨度而不改变断面形状对围岩应力状态影响不大,但若开挖后形成塑性区,则即使不改变断面形状,单纯加大开挖跨度也会大大增加塑性区半径,影响围岩稳定。通过对乌蒙山2号四线铁路隧道深、浅埋工况毛洞破坏模式的对比分析,建议浅埋工况支护以刚度要求为主,减小释放,控制沉降,深埋工况支护以强度要求为主,适当释放,变形可控。

小净距城市浅埋隧道夹岩力学特征的数值模拟研究

小净距隧道的中间夹岩处于复杂的三维受力状态。基于单轴抗拉或抗压强度为基础的围岩力学评价指标已显不足,Von-mise等效应力虽同时考虑了三个主应力的影响,但局限于剪切屈服。为此,引入基于Mohr-Coulomb剪切屈服准则与拉伸屈服准则的屈服接近度函数用以描述夹岩应力危险程度。文章主要对上下重叠模式和水平平行模式的两类小净距隧道中间夹岩力学特征进行了研究。研究结果表明,无论是重叠还是平行隧道,其夹岩的中间部分比两侧部分相对稳定;对于城市浅埋隧道,在同等静力学条件下,上下重叠隧道夹岩的受力优于水平平行隧道。计算结果为今后类似工程的设计、超前注浆孔的合理布置提供了指导。

城市地铁盾构施工引起的地表沉降分析

地层损失是盾构施工产生土体变形的主要原因。以成都地铁1号线某盾构区间隧道为工程背景,根据现场前期监测结果,提出了基于地层损失概念的"约束—释放"法来模拟土压平衡盾构开挖过程,运用三维有限差分模型对不同地层损失量下的地表沉降横向分布和地表土层水平横向应变进行了研究。结果显示,最大地表沉降值与地层损失量基本呈线性关系;地表土层水平横向应变存在拉压分区,其拉压分界正好与横向沉降槽的反弯点吻合;且不同地层损失量下沉降槽的反弯点不变;结合现场监测结果,认为地层损失量取1%的计算值与实测值较为吻合。

多部开挖系统锚杆轴力分布特点研究

本文以乌蒙山二号四线铁路隧道为工程依托,采用数值模拟和现场测试手段,开展多部开挖系统锚杆功效及轴力分布特点研究。研究结果表明:基于依托工程施工工法和计算条件,系统锚杆轴力呈现"拱肩(①②部)>拱脚(④⑤部)>边墙(⑥⑦部)>拱顶(③部)"的分布;拱顶锚杆轴力甚小,基本未起作用;拱肩部位锚杆轴力最大,作用明显。通过跟踪相应路径的围岩变形深表比,可以得出锚杆受力与锚杆施作后实际捕获的围岩相对变形(深表比)密切相关,从某种意义上来说,锚杆轴力大小表现为"施作部位(空间)"和"施作先后(时间)"的乘积关系,施作部位决定可能的相对变形,施作时间决定实际捕获的有效相对变形,只有当两因素同时起正面作用时,锚杆轴力才会显大。现场实测锚杆轴力分布特点与数值模拟结果较为吻合,实测最大值为58.1kN。

用MATLAB工具箱优化铁路四线隧道断面设计

借助MATLAB优化工具箱对尚未具有标准图的四线铁路隧道断面设计进行优化。轨面以上隧道断面采用三心圆形式,选取轨面以上净空面积S为目标函数,以描述断面形状的参数R1,R2,φ1,φ2,a,b,c为设计变量,通过调用MATLAB优化工具箱中的功能函数fm incon搜索目标函数的最优值。

基于开挖影响线的隧道分部开挖拱顶沉降分析

隧道的开挖从力学上来说也是一种荷载,掌子面移动的过程可以看作是荷载移动的过程。借鉴结构力学中影响线的概念,定义隧道工程的"开挖影响线"为某一考察指标与掌子面位置的关系曲线。相比结构力学简支梁影响线,隧道工程开挖影响线的主要特征表现为影响范围是局部的,且呈非线性,考察指标的最大响应并非掌子面到达考察断面。基于依托工程的隧道拱顶沉降开挖影响线表明(6)部开挖引起的A点沉降最大,约占其总沉降的21.5%。开挖体量约占总开挖量40%的(9)(10)部开挖由于是在二衬的保护之下进行,其引起的A点沉降仅占总沉降的2.1%。从影响线形态可以看出影响A点沉降的开挖范围大部分集中在到达A点前5m和通过后15m,且以掌子面通过考察断面时影响最为剧烈。

工程结构可靠度计算的Matlab实现

从基本原理和相关算例分析两方面,阐述利用功能极其强大的科学和工程计算数学软件系统Matlab的优化工具箱和随机数发生器实现工程结构可靠度的多种计算方法。

“先房后隧”与“先隧后房”的力学差异研究

文中通过数值模拟方法,对比分析了先建房后挖隧和先挖隧后建房两种不同施工顺序的力学行为差异。研究结果表明:(1)在围岩全程弹性条件下,"先房后隧"和"先隧后房"两种工序下的考察点位移轨迹线大体呈平行四边形闭合,建房和挖隧对变形的影响简单叠加,终态相等;而弹塑性条件下,两种工序的终态变形不同,且第二步的变形增量均比弹性计算显著增大;(2)在围岩全程弹性条件下,两种工序下的主应力均表现为第二步的应力重分布受第一步作业的影响明显,但终态相等;当围岩出现塑性时,两种工序下的终态主应力差异略大于弹性状态,但仍然能基本"闭合"。从终态最大变形来看,"先房后隧"要相对优于"先隧后房"。从弹塑性计算的B点莫尔应力圆变化情况来看,无论是"先房后隧"还是"先隧后房",相对更不利的施工步都是开挖隧道。