截面型式及槽宽比对高填明洞土压力影响分析

利用离散元软件PFC2D,考虑到土体的离散性与不均匀性,通过分析洞顶平均竖向土压力、内外土柱相对沉降差以及颗粒间接触力链的变化规律,探讨截面型式(矩形、1/4拱形、1/2拱形)及槽宽比(B/b=1.5∶1,2∶1,3∶1,4∶1)变化对高填黄土明洞土压力的影响,结合顾安全公式,分析高填明洞沉降差与土压力间的函数关系,并修正该函数,使其可以适用与不同的截面型式与槽宽比下的高填明洞。结果表明:(1)B/b确定,明洞采用矩形截面时,接触力链在洞顶分布,平均土压力更大,明洞采用拱形截面时,平均土压力更小,但拱顶存在局部应力集中现象;(2)明洞截面型式一定,随着B/b的增大,洞顶平均竖向土压力与沉降差均随之增大,当B/b较小时,边坡作用增强,外侧土柱沉降降低,对内土柱的作用力变小,从而导致明洞顶竖向土压力更小;(3)内外土柱沉降差与附加土压力呈线性相关,相对于矩形截面,拱形截面下较小的沉降差会产生相同的附加土压力,更有利于结构的稳定。

大断面隧道“楔形掏槽+高能孔”布设方法研究

在大断面隧道爆破中,由于掏槽孔的位置布置不合理,导致掌子面中间岩体时常出现“鼓肚”现象。为解决大断面隧道爆破“鼓肚”现象,提出了一种“楔形掏槽+高能孔”的炮孔布设新方法。以云南省鲁巧高速共和村隧道为工程背景,采用有限元软件LS-DYNA建立“楔形掏槽+高能孔”的数值模型,研究了炮孔底部有效应力和岩体动态损伤,并与现场隧道掏槽爆破方案进行对比,同时结合现场爆破试验对所提新方法进行验证。研究结果表明:现场实验验证了“楔形掏槽+高能孔”炮孔布设方法可有效消除“鼓肚”现象,减少掏槽孔和数码电子雷管数量,确定了该方法的合理性以及适用性;主掏槽孔底部测点1、2和3产生的应力值较小,当高能孔爆炸后,应力急剧上升至454.9 MPa,可对主掏槽孔爆破后遗留的中间保留岩体进行有效破除;采用改进后的爆破方法,掘进效率提升16.9%,炮孔平均利用率达到91.5%,炸药单耗降低19.7%。提出的大断面隧道“楔形掏槽+高能孔”布设方法在保障施工安全的同时,达到了降低成本提高施工效率的效果,为大断面隧道爆破方案优化设计提供借鉴。

不同岩性与断面形状的深部硬岩隧洞板裂失稳试验

为探究岩性与断面形状对深部硬岩隧洞板裂失稳特性的影响,开展板裂失稳室内真三轴试验。首先,选择以大理岩和花岗岩为主的2种硬岩试样以及高边墙城门洞形和曲墙拱形2种实际应用中的典型断面形状试样;然后,从板裂失稳形态、剥落岩板(片)特征及板裂特征应力3方面入手,对比分析不同岩性与断面形状影响下的不同破坏特征;最后,利用数值模拟探究围岩板裂裂纹发育扩展过程中相应的位移及应力分布特征,进一步揭示深部硬岩隧洞的板裂失稳特性。结果表明:试验过程中,对于板裂失稳形态,与花岗岩相比,大理岩试样岩板剥落及张开破坏现象更为显著;与高边墙城门洞形相比,曲墙拱形试样板裂破坏涉及的断面轮廓范围更小。对于剥落岩板(片)特征,不同岩性产生不同的剥落岩板形态;与高边墙城门洞形相比,曲墙拱形试样对应的近外层剥落岩板更趋细长。对于板裂特征应力,与大理岩相比,花岗岩试样在板裂开始时的应力门槛值更高,板裂失稳演化进程更快;与曲墙拱形相比,高边墙城门洞形试样从开始出现板裂直至发生明显板裂破坏的特征应力均更高。数值模拟中的位移较大区域集中在孔洞侧壁处,距离侧壁越远,位移相对越小;切向应力集中是导致板裂发生的主要原因。

超大断面异型隧道台阶法施工工法优选研究

为保证超大断面异型隧道的施工安全,依托某超大断面异型隧道建设工程,利用FLAC3D软件对超大断面异型隧道采用四台阶九步法、三台阶七步法、三台阶五步法的位移、应力、安全系数进行了研究。研究结果表明:(1)四台阶九步法所引起的拱顶沉降与收敛值均最小,分别为3.563 mm、0.765 mm、1.715 mm、2.785 mm、2.060 mm,位移控制效果最佳且满足工程规定值;三台阶七步法次之,而三台阶五步法各项收敛值均最大;(2)四台阶九步法最大主应力和最小主应力均小于其他两种工况应力值,且应力分布较为均匀;(3)四台阶九步法最小安全系数最大,为3.98,满足规范要求;推荐该工程使用四台阶九步法进行施工。研究成果可为类似异型隧道施工工法选取提供参考。

大跨度钢箱桁组合连续梁桥涡振性能研究

主梁的大幅涡振一直是困扰跨海连续梁桥的主要病害之一,但对箱桁组合断面主梁的涡振研究较少。拟建的澳氹第四跨海大桥为一座变截面非对称钢箱桁组合连续梁桥,主梁宽度近50 m,且桥面附属结构呈非对称分布,气动外形极为复杂。该文采用1∶70缩尺比的跨中主梁断面节段模型风洞试验研究了澳氹四桥的涡振性能,对比分析了风攻角、紊流度、桥梁阻尼比、附属结构气动外形等因素对主梁断面涡振性能的影响。并通过将外侧栏杆、电缆箱、供水管、风障及防撞栏杆等桥面附属结构拆解,探讨了主梁涡振的原因。进一步比较了中跨跨中(L/2)及三分之一跨(L/3)两种不同断面的涡振性能差异。研究表明:宽幅钢箱桁组合梁断面容易在负攻角下发生大幅涡振,且不同位置两种断面涡振性能差异显著,高耸桁架的遮挡效应对该类桥梁涡脱特性影响较大;非对称横断面形式对涡振性能影响较大,减小外侧栏杆透风率以及采用布置位置合理的下扰流板可有效减小涡振幅值。基于风洞试验数据识别了涡振尾流振子模型的气动参数,准确重现了涡振幅值-风速关系曲线。

基于变形分级的挤压性围岩铁路隧道断面形状优化设计

针对较大形变压力作用下挤压性围岩隧道断面形状优化的问题,在时速200 km客货共线铁路隧道建筑限界的基础上拟定单线和双线铁路隧道断面形状,通过结构安全性评价,提出不同变形等级条件下单线和双线铁路隧道较经济、安全的断面形式。研究结果表明:1)随着变形等级的增加,围岩压力显著增大,结构安全系数明显降低,从建筑限界出发拟定的最经济的隧道断面不能满足结构安全性要求。2)拱脚及墙脚是隧道结构受力薄弱部位,通过优化断面曲率实现拱部与边墙、边墙与仰拱的圆顺衔接,可有效改善结构受力状态,提高结构安全性。3)对于单线铁路隧道,Ⅰ级变形条件下推荐采用单线断面A(与常规单线铁路隧道断面相衔接),Ⅱ级变形条件下推荐采用单线断面B(在单线断面A的基础上对断面曲率进行优化),Ⅲ、Ⅳ级变形条件下推荐采用单线断面E(圆形)。4)对于双线铁路隧道,Ⅰ、Ⅱ级变形条件下推荐采用双线断面C(在常规双线铁路隧道的基础上优化断面曲率),Ⅲ、Ⅳ级变形条件下推荐采用双线断面E(圆形)。5)工程实践中,隧道断面优化应综合考虑结构安全、区段衔接和施工便利性,综合确定各区段隧道断面形状;在Ⅳ级变形条件下,应加强注浆加固,并采用多层支护及应力释放等技术措施保证隧道结构安全。

断面形状对隧洞围岩位移和应力的影响分析

采用FLAC3D软件分析了圆形断面、矩形断面、直墙式断面和曲墙式断面形状隧道开挖在III级围岩中的位移和应力集中分布规律。圆形断面隧洞围岩位移最小,应力集中系数最小,塑性区厚度最小,应力集中系数最大点距洞面的距离最大,即支护结构受到的围岩压力最小;与圆形断面隧洞相比,曲墙式隧洞围岩位移、应力集中程度和塑性区仅次于圆形隧洞,曲墙式断面是合理的隧洞断面形式;矩形隧洞围岩位移、应力集中程度和塑性区最大;直墙式隧洞围岩位移、应力集中程度和塑性区仅比矩形隧道略小,与矩形一样,直墙式断面是不利的隧洞断面形式。

坑道截面形状对化爆冲击波传播规律的影响程度分析

为了弄清坑道截面形状对化爆冲击波传播规律的影响,采用LS-DYNA动力有限元软件对不同形状坑道内化爆冲击波的传播过程进行数值模拟和对比分析.研究表明:采用合理的有限元模型可以有效地模拟坑道中化爆冲击波的传播过程;化爆冲击波在不同截面形状坑道内的衰减规律基本一致,但冲击波超压峰值有显著差异;圆形坑道内化爆冲击波超压峰值最低,是直墙圆拱形坑道内的60%左右,正方形坑道内超压峰值最高,是直墙圆拱形坑道内的300%左右;工程设计时,必须考虑坑道截面形状对冲击波的影响,宜尽量采用圆形坑道.

断面形状对隧洞围岩稳定性的影响分析

采用ANSYS软件分别对圆形断面、矩形断面、直墙圆拱形断面、蛋壳形断面形状的水工隧洞开挖进行了有限元分析计算。通过各种断面隧洞开挖后的位移、应力和塑性区的分析,对四种断面形状进行了优选。结果表明:圆形断面隧洞洞顶出现的沉降量最小,洞周应力分布均匀,出现的最大拉应力最小;矩形隧洞洞周围岩的沉降值和最大拉应力最大,应力集中程度和塑性区范围也最大;蛋壳形隧洞的洞周位移应力值和塑性区范围仅次于圆形隧洞。综合考虑隧洞的使用空间、造价等因素后,认为蛋壳形断面是最合理的隧洞断面形状。

阻塞比对地铁隧道烟气流速及温度分布的影响分析

采用FDS模拟技术研究地铁隧道截面阻塞比和隧道截面形状对临界通风速率、临界通风下顶棚最高温度分布及列车周围温度分布的影响。结果表明:阻塞比增加,圆形截面隧道的烟气流速增大,矩形隧道的先增大后减小,且圆形的大于矩形;阻塞比增加,临界通风速率减小,且当阻塞比相同时,圆形截面的临界通风速率大于矩形截面;在临界通风速率下,阻塞比对隧道顶棚温度的影响主要集中于列车着火位置上部,且随着阻塞比的增加,隧道顶棚最高温度升高。

隧道检测中运动式激光扫描数据的处理和应用方法

结合上海轨道交通1号线上海南站隧道的现场扫描试验,总结了采集数据的处理和应用方法。回顾了数据采集系统的构成及工作流程,详细分析了采集的数据在移动轨迹分析、Y轴数据重建、数据质量检查、数字特征分析以及空间点云重建等方面的处理方法。最后,总结了3D云数据应用于隧道截面形状分析和墙面湿渍检测与湿渍计算方面的试验结果。

高水压下隧洞合理断面形状研究

对某隧洞工程在高水压作用下的受力情况进行了分析,为了取得合理的受力断面,对五种断面形状进行了有限元建模计算。并分别以孔边最大的切向应力(绝对值)最小和塑性区面积最小为准则对五种断面进行了优选。两种准则得出相同的最佳断面形式为蛋壳形。此外对隧洞注浆加固圈的性质也进行了分析研究,并以蛋壳形断面形状为例,对不同的注浆加固圈厚度进行了计算,得出隧洞所需的最小注浆加固圈厚度为一倍洞径长度。

黄土隧洞衬砌断面的优化设计

西安市黑河引水（二期）见子河渠道工程引水隧洞是较典型的黄土隧洞，其断面形式为马蹄形断面，对于黄土隧洞来说具有普遍的适用性，通过介绍其设计，分析了这一断面形式的安全性，经济性以及合理性，可为同类工程的设计提供参考。

岩石掘进机关键技术展望

经过5个阶段的发展,TBM在我国的应用正在不断推广,应用前景十分光明,挑战也十分严峻。简要总结我国TBM研究与应用的5个发展阶段和应用前景,分析TBM施工面临的6大挑战:地质多样化带来更多的地质风险;应用领域亟待拓展;设备技术发展赶不上施工需求的变化;施工进度不均衡;施工环境越来越严苛;存在不合理的施工合同。从TBM设计制造及施工应用的9个方面提出展望:核心部件国产化;提升各种地质条件下的破岩能力;提高出渣能力及可靠性;提升初期支护及超前加固性能;研发异形断面TBM;圆形断面TBM开挖隧道的空间合理利用;大力推动TBM周转使用和再制造TBM应用;研究极端恶劣地质条件下TBM施工技术;促进国产配套施工设备研发应用。只有不断深入研究TBM设备与施工的关键技术及前沿技术,有效解决设备设计制造和施工过程中遇到的难题,才能不断提升我国TBM设备与施工技术水平,避免陷入关键技术受制于人的窘境,促进我国TBM事业持续健康发展。

基于车载激光扫描点云的铁路隧道横断面提取

针对三维激光扫描技术在铁路隧道限界分析和收敛分析等应用中的关键的点云横断面的快速提取问题,提出了适应马蹄形铁路隧道的断面快速提取方法。该方法利用铁路钢轨来确定隧道横断面的方向,并利用RANSAC方法完成隧道断面点云的分类,完成铁路隧道边墙断面的提取。通过实际铁路隧道的车载Lidar点云对提出的方法进行试验。实验结果表明:该方法能够快速完成铁路隧道横断面快速提取,并验证了所提取的断面在隧道限界分析和收敛分析中的实用性。

坑道截面形状对爆炸冲击波传播规律的影响

为研究坑道截面形状对爆炸冲击波传播规律的影响,设计了4种截面积相等但形状不同的坑道结构,利用有限元仿真软件对5 kg TNT球形裸装药在坑道内爆炸产生的冲击波传播过程进行了数值模拟,得到了圆形坑道内冲击波的传播规律以及不同截面形状对冲击波参数的影响规律。圆形坑道内冲击波超压峰值和比冲量的初始值最大,衰减最快;随着传播距离的增大,冲击波的比冲量趋近于线性衰减,在距离爆心2 m后,方形坑道内比冲量整体大于直墙圆拱形坑道,半圆拱形次之,圆形坑道内的比冲量最小;炸药在圆形和方形坑道内爆炸较直墙圆拱形和半圆拱形内更容易形成稳定的平面波。研究结果能够对地下空间结构和激波管的设计和优化提供参考。

任意形状深埋隧道地震响应解析解

考虑地层-结构相互作用的拟静力法广泛应用于隧道抗震设计和分析,而以拟静力法为基础推导出的解析解则更是备受工程设计人员所青睐,但现有解析方法仅适用于圆形或矩形隧道。以均质地层中的任意形状深埋隧道为对象,将衬砌简化为均质地层中的壳体,并考虑隧道内部中隔墙的影响,建立了远场剪切波作用下隧道结构和地层各自的控制方程,结合地层与结构之间不滑移和全滑移两种典型接触边界,运用复变函数及保角映射方法,推导出均质地层中任意形状深埋隧道地震响应的解析解。通过与有限元基准模型在相同计算条件下的结果对比,验证了本文解析方法的正确性。最后应用该解析表达式开展多工况参数化分析,揭示了地层–结构相对刚度比和中隔墙厚度等因素对不规则断面隧道结构的地震响应的影响规律。结果表明:隧道结构内力响应随地层-结构相对刚度的增大而增大,而位移响应则相反;不滑移条件下隧道的内力响应要大于全滑移条件的内力响应,而位移响应相比全滑移条件则较小;与不考虑中隔墙的隧道相比,当中隔墙厚度大于隧道衬砌厚度1.5倍时,中隔墙的存在将显著增大衬砌的最大内力响应。

基于LiDAR点云的铁路隧道横断面提取

针对三维激光扫描技术在铁路隧道限界分析和收敛分析等应用中关键的点云横断面的快速提取问题,本文提出了适应马蹄形铁路隧道的断面快速提取方法。该方法利用铁路钢轨来确定隧道横断面的方向,并利用RANSAC方法完成隧道断面点云的分类,并完成铁路隧道边墙断面的提取。通过实际铁路隧道的Lidar点云对提出的方法进行试验。实验结果表明,该方法能够快速完成铁路隧道横断面提取,并验证了所提取的断面在隧道限界分析和收敛分析中的实用性。

大断面异形盾构隧道弯矩传递系数原型加载试验研究

由于异形盾构隧道特殊的结构断面型式,管片设计暂无相关规范可循,故基于原型三环管片力学加载试验对异形盾构管片环向接头弯矩传递系数进行研究,研究结果表明:1)随埋深增加,异形盾构管片结构整体刚度提升,但由于各接头刚度与相邻管片结构刚度比随埋深增加变化规律不一致,异形盾构管片接头弯矩传递能力呈部分减弱部分增强的现象;2)同埋深条件下,随着侧压力系数的增加,除右拱腰处接头外,其余接头弯矩传递能力随着接头刚度与相邻管片结构刚度比的增大而逐渐增强;3)随着埋深增加,各接头弯矩传递能力对侧压力系数的敏感程度逐渐减弱;4)极限破坏后,异形盾构管片内外弧面裂缝的分布规律证明了明显的弯矩传递现象。

横截面形状和坡度对隧道火灾烟气分布影响研究

通过数值模拟建立了7种不同横截面形状的全尺寸跨座式单轨隧道模型,研究隧道横截面形状和坡度对隧道火灾烟气蔓延的影响。研究发现长方形隧道顶部温度普遍较高,其次为带有拱顶的隧道,正方形隧道顶部温度普遍较低,圆形隧道底部温度最低。在大火源功率条件下,坡度对临界风速的影响较小。离火源较远的位置,坡度对排烟效果的影响更加明显:随着坡度增加,上坡向控制风速明显降低,下坡向控制风速缓慢提升。