浅埋高水位圆形隧道衬砌应力分析

浅埋高水位环境下隧道工程掘进安全问题一直是岩土工程领域关注的重点和难点。文章采用等效代换法,简化任意型隧洞为圆形隧道,构建高水位环境下的浅埋隧道力学模型。通过边界条件分别推导原岩应力场和仅有外水压力作用下的衬砌内力表达式,并进一步根据叠加原理求解浅埋高水位隧道的衬砌径向应力分量。最后,基于Barcelona Subway隧道施工参数计算隧道的应力,得到的衬砌径向应力值最大值为0.3080 MPa,该值小于材料抗压强度,评估衬砌结构安全,与工程实际相符。该方法为类似工程安全评估提供了思路。

不同水位下隧道排水管结晶堵塞引起的衬砌应力分析

为研究不同水位下隧道排水管结晶堵塞引起的衬砌应力变化规律,通过"以板代孔"法对排水管堵塞进行模拟,研究了5种堵塞工况与4种地下水位工况下隧道衬砌应力变化规律。结果表明:不同堵塞工况与不同水位工况下隧道衬砌应力变化规律是一致的;在同一堵塞程度下,随着原始地下水位的升高,隧道衬砌应力随之增加,隧道左右拱脚处衬砌最大主应力差值随之增加,最小主应力差值随之减小;在同一水位工况下,堵塞程度75%是隧道衬砌受力变化的转折点。由此可见,由于排水管的堵塞,衬砌应力明显增加,当地下水位由于排水系统堵塞升高时,衬砌受力更为不利。因而在隧道建设过程中应重视排水系统有效排水,保障衬砌结构安全。

高速水流下旋流消能泄洪洞衬砌应力与破坏特征

旋流消能泄洪洞在高速水流作用下旋流拖曳力实用化计算方法和旋流拖曳力作用下衬砌应力与破坏特征对评价旋流消能泄洪洞结构优化设计以及衬砌结构的安全性至关重要。本文以边界层理论为基础,利用奥地利岩土工程分析系统FINAL,对泄洪洞在拖曳力和局部负压作用下的局部安全稳定性问题进行了多种工况下的三维非线性有限元分析。首次从结构应力角度研究了因高速水流产生的拖曳力和局部负压对旋流消能泄洪洞衬砌应力分布与破坏特征的影响;分析了旋流消能泄洪洞运行过程中产生拖曳力的大小与分布,得到了旋流消能高速水流拖曳力实用化计算方法,并用于分析拖曳力大小、方向、泄洪洞运行过程中负压出现的部位和大小。详细分析了流速为25m/s、30m/s、35m/s时拖曳力和局部负压对旋流消能泄洪洞关键洞段衬砌的应力、变形与破坏区的影响。结果表明:旋流拖曳力对衬砌应力、旋流段衬砌破坏区大小、深度影响显著,在设计过程中需要对影响显著部位进行必要的加固强化处理;局部负压对衬砌影响较小,可以忽略。分析成果已应用于公伯峡水电站旋流消能泄洪洞设计、施工。

不同断面形状的无粘结环锚衬砌应力状态分析

无粘结环锚预应力混凝土衬砌是有压水工隧洞采用的一种新型衬砌型式,其受力状态较为复杂。水工隧洞的开挖施工常采用钻爆法,这种施工方法易使隧洞断面形状出现非圆形,断面形状的复杂变化会使环锚衬砌受力变得更为复杂,对结构设计带来挑战。针对吉林省中部城市引松供水工程环锚工程隧洞开挖后出现的大量马蹄形断面,采用FLAC3D软件对不同断面形状的环锚衬砌进行三维建模分析,对比分析了马蹄形预应力衬砌和圆形预应力衬砌在施工期以及运行期的结构受力状态。计算结果表明两种断面形式的预应力衬砌在张拉期和运行期衬砌结构均处于安全应力状态,圆形衬砌整体受力更均匀,而马蹄形衬砌可改善锚具槽部位的受力,研究成果可为吉林引松工程环锚衬砌后续施工及今后类似工程提供重要参考。

输水隧洞预应力混凝土衬砌应力正交敏感性分析

为了分析输水隧洞预应力混凝土衬砌结构应力对相关因素的敏感性,以穿黄隧洞工程为例,选取张拉控制应力σcon、预应力钢筋与孔道壁的摩擦系数μ、钢绞线孔道局部偏差摩擦系数k以及锚具变形和钢筋内缩值a等4个因素作为敏感性参数,通过正交试验设计法确定计算方案,采用三维有限元方法计算了各因素不同取值时管壁混凝土的应力状态。利用极差分析方法分析了管壁混凝土环向应力和轴向应力对上述4个因素的敏感性。结果表明,在钢绞线张拉完成、充水达到设计水压的两种工况下,管壁混凝土环向应力和轴向应力对这4个因素的敏感性由高到低依次为:μ、σcon、a、k,特别是μ和σcon对管壁混凝土环向应力有显著影响,在数值计算中需要评估或者通过试验验证这2个因素取值的准确性,以保证参数取值反映实际情况以及数值计算结果的可靠性。

运营隧道原型-模型衬砌应力理论模型及应用

为研究运营隧道原型与模型应力关系,视隧道衬砌为薄板结构,通过复变函数保角代换计算连拱隧道衬砌应力,基于相似理论原理建立原型-模型衬砌应力理论分析模型,结合模型化简、误差分析对其进行优化及合理性验证。研究表明:原型-模型衬砌应力理论表达式相差一个常数,此常数可通过相似条件、围岩物理力学性质及边界条件给出;经保角变换及模型化简,可间接给出复杂连拱隧道三个方向的衬砌应力,后由坐标转换给出θ→0和β→0、θ→π和β→π、θ→π/2和β→π/2等高应力区原型-模型衬砌应力的理论关系;经分析,原型与模型衬砌应力实测值、实测值、理论值均随时间增加,且变化趋势一致,最大误差约为5.02%;经应力反演,理论值与实测值较为接近,可实时掌握隧道衬砌应力大小及变化趋势,为后期运营监测提供理论依据。

无粘结环锚预应力混凝土衬砌应力状态分析

无粘结环锚预应力混凝土衬砌是有压水工隧洞采用的一种新型衬砌型式,由于衬砌结构组成体系复杂,导致其内部应力状态分布极为复杂,且在不同工况下受力会发生显著变化。为了解该结构在施工期和运行期的受力状态,并及时掌握衬砌安全状况,对小浪底排沙洞环锚预应力衬砌张拉期和运行期的应力状态进行了研究。采用等效荷载法和实体建模法相结合的方法建立数值模型,通过对应力状态计算和应力状态现场实测值进行对比,明确了不同工况下预应力衬砌受力状态。研究结果表明,小浪底排沙洞环锚衬砌在张拉期和运行期预应力状态都处于安全范围。研究结果对无粘结环锚预应力混凝土衬砌的设计、施工具有重要参考意义。

浅埋有压水工隧洞无粘结预应力衬砌应力试验分析

对于浅埋的有压水工隧洞,采用无粘结预应力混凝土衬砌,在施工阶段将衬砌混凝土作为不考虑围岩和衬砌界面拉力,而仅考虑局部支撑压力的空心管道是合理的;由于预应力钢筋张拉完成后缝隙较大,围岩和衬砌界面必须进行压浆处理。

外部土压对预应力双层衬砌受力与变形影响研究

为了探究不同外部土压对预应力双层衬砌结构的影响,依托珠三角某水工盾构隧道工程,利用ABAQUS进行数值模拟,采用数理统计的方法,分析了5种土压工况下双层衬砌的变形规律和力学特性。研究结果表明:施工期与运行期双层衬砌变形均呈“横鸭蛋”形椭变;施工期预应力内衬椭变程度、环向压力以及接触应力基本不受外界土压变化影响;施工期管片外衬横向椭变程度、环向压力以及接触应力会随着外部土压增大而增大;运行期双层衬砌椭变程度、环向压力和拱顶拱底处接触应力均随外部土压增大而增大,但拱腰处接触应力几乎不受土压影响;运行期预应力内衬出现环向拉应力且随着外部土压增大而减小,但无受拉开裂风险;运行期预应力内衬环向最大压应力位置由施工期的锚具槽处偏移至拱腰处;运行期管片外衬仍为全截面受压;由于运行期间的内水压对外部土压的抵消作用,双层衬砌的椭变程度、环向应力以及径向应力相较于施工期均有所减少。

珠江三角洲水资源配置工程预应力复合衬砌足尺模型试验关键施工工艺研究

基于珠三角水资源配置工程预应力复合衬砌足尺模型试验,针对此类衬砌结构型式的施工难点,从作业台车研制、内衬混凝土制备与浇筑、预应力实施等方面开展施工工艺研究。总结了预应力复合衬砌足尺模型的施工内容,并结合模型实施过程中的经验,对现有的作业台车提出改进;随后针对预应力复合衬砌的关键施工工艺展开研究,提出了专门的混凝土配合比、配套振捣系统和预应力分级张拉的顺序,以保证内衬预应力混凝土的施工质量。研究成果为预应力复合衬砌结构的现场施工工艺提供借鉴。

盾构隧洞预应力双层衬砌张拉施工及控制技术研究

预应力张拉是盾构隧洞预应力双层衬砌施工过程中的关键环节,良好的预应力张拉控制对于结构的整体使用寿命十分重要。基于珠江三角洲水资源配置工程某盾构隧洞,对预应力双层衬砌张拉施工技术进行了总结,采用有限元数值模拟进行应力控制验证,并鉴于现有实测数据缺陷提出了一种张拉钢绞线伸长量计算方法。结果表明:智能张拉施工技术具有高精度、高稳定性的特点;张拉结束后预应力混凝土衬砌结构全环受压,锚具槽为全环最不利位置,最大环向压应力为14.0 MPa,未超过混凝土允许应力,结构整体受力安全;环锚钢绞线实际计算伸长量与规范允许值误差不超过6%,满足工程需求。研究成果可丰富输水隧洞预应力张拉施工及控制技术体系。

输水隧洞预应力混凝土衬砌锚具槽优化设计分析

锚具槽是输水隧洞预应力混凝土衬砌中预应力钢筋张拉与锚固的关键部位,其对预应力混凝土衬砌的可靠性具有重要影响。为探究衬砌结构采用预制装配式免拆模板锚具槽后局部受力状态,依托珠江三角洲水资源配置工程,采用有限元方法开展数值模拟分析,将其与常规锚具槽的受力状态进行了对比。模拟结果表明:免拆模板锚具槽可有效避免混凝土衬砌沿锚具槽角部开裂,提高回填混凝土与衬砌结构混凝土的粘结锚固性能。与常规锚具槽对比,预制装配式免拆模板锚具槽减小了槽口尺寸,提高了混凝土衬砌的整体性,具有施工效率高、工程造价低、施工环境好等优点。

锚杆对隧道衬砌工后应力及位移的影响研究

为了研究流变后锚杆对衬砌的应力、位移的控制,采用Burgers模型的松弛剪切模量Prony级数形式,确定其在ABAQUS中粘弹性本构输入参数,使用ABAQUS对某五心圆隧道进行了不同锚杆支护下围岩流变后衬砌应力及位移的数值模拟及系统分析。结果表明锚杆支护对衬砌应力增长有明显的控制,可使衬砌应力比无锚杆支护时减小24.31%,但是对位移增长控制并不明显,仅减小1.30%。在V级围岩中,锚杆长度在4 m以内时,增大锚杆长度可以有效地改善锚固效果,为考虑岩石流变情况下的围岩锚固研究提供了参考。

无黏结环锚预应力混凝土衬砌张拉工艺研究

依托吉林省中部城市引松供水工程无黏结环锚预应力混凝土衬砌现场原位试验,对预应力衬砌张拉工艺进行了优化研究,提出了以单个衬砌浇筑块中部锚具槽为起点,两排锚具槽同时向两端进行张拉的张拉顺序,并根据张拉试验总结了4个张拉质量控制指标。现场张拉试验表明:优化后的张拉工艺与小浪底排沙洞工程相比,张拉效率得到了大幅提高,具有较大的经济效益。4个张拉质量控制指标不仅可以保证张拉质量,而且指标均可量化,实际操作简便易行,可为引松供水工程环锚衬砌后续施工及今后类似工程提供重要参考。

无黏结预应力环锚衬砌力学特性原位加载试验研究

新型无黏结环锚衬砌具备预应力损失低、薄弱区小、施工便捷等优势,但因结构复杂致使力学特性不明确,阻碍了其广泛应用。依托引松工程总干线压力隧洞,开展了首次预应力环锚衬砌大型原位加载试验,明确了内水压加载过程中衬砌预应力重分布特征,揭示了环锚拉力、钢筋应力以及锚固应力损失变化规律,并探讨了围岩和环锚衬砌联合承载作用。原位试验表明:环锚衬砌整体预应力分布均匀,高效地利用了锚索高强抗拉性和混凝土抗压性,常规钢筋作用极小,因而整体可不配筋或仅构造配筋;锚具槽背后混凝土预应力稍薄弱,是高内水压作用下结构潜在破坏区域,但内水加载过程中衬砌环向、纵向预应力值趋于一致,将有效减缓预应力薄弱部位开裂倾向;环锚衬砌具备优越的抗拉和抗渗性能,可不依赖于围岩条件而独立承载,也可利用围岩部分承载以降低预应力设计值或增加结构安全裕度,它能为覆盖层薄、地质条件差且内水压力高的大直径压力隧洞长期存在的支护难问题,提供解决新途径。

浅埋暗挖地铁车站衬砌结构应力分析

浅埋暗挖地铁车站施工期衬砌结构的安全性对施工安全有着重要的影响。本文采用数值模拟方法,对大连地铁某中洞法施工的车站初衬和二次衬砌的应力状态进行了分析,依据数值模拟的结果对它们是否满足承载要求进行了研究。研究表明:车站拱顶初衬受压区混凝土强度接近极限强度,须配置合适的钢筋才能满足承载要求。拱顶初衬受拉区配筋后也能满足要求。拱顶二衬能满足支护承载力要求。最大弯矩处的初衬配筋为超筋,该设计需要进行优化。结构底板的内力状态为弯矩较大,而轴力较小,底板能满足承载要求。文中的应力分析方法也可以作为类似暗挖隧道的衬砌结构安全性评价的参考。

环锚预应力混凝土衬砌三维有限元计算分析

环锚预应力混凝土衬砌是一种新型的水工压力隧洞衬砌形式,进行有限元结构分析时的关键是如何模拟环形预应力筋的作用．为此,提出了一种基于ANSYS的等效荷载法,用法向等效应力和切向等效应力模拟非均匀分布的锚索预应力,通过SURF154单元将其施加于计算模型．文中对一个无黏结预应力混凝土衬砌全部锚索张拉锁定后的应力状态进行了三维有限元计算,计算结果与实测结果具有良好的一致性．该方法还适用于有黏结曲线预应力筋的预应力混凝土结构有限元计算．

无粘结环锚预应力衬砌锚具槽布置方式对比研究

无粘结环锚预应力衬砌锚具槽是整个预应力衬砌受力的关键部位,其位置的选择对于整个预应力衬砌受力和安全而言至关重要。结合引松供水工程有压输水隧洞无粘结预应力衬砌结构,采用等效荷载法和实体建模相结合的方法进行Flac3D三维建模,对锚具槽单排和双排布置时的衬砌关键部位受力情况进行了分析。计算结果表明:(1)无粘结环锚预应力衬砌的下半环因锚具槽的影响,会存在局部预应力缺失和分布不均,而单排锚具槽布置能减小衬砌预应力的不均匀性。(2)锚具槽及附近区域是预应力衬砌的薄弱区,衬砌拉应力区主要分布在锚具槽环向的临空面附近,衬砌受压最大区域分布在相邻锚具槽之间。(3)双排锚具槽布置型式抗超载能力优于单排锚具槽布置型式。

无黏结曲线锚索式预应力衬砌结构数值建模方法研究

无黏结曲线锚索式预应力衬砌结构是有压水工隧洞采用的一种新型衬砌型式,因结构体系受力机理较复杂,造成结构设计存在困难。为此,本文首先根据无黏结曲线锚索式预应力衬砌结构受力特征分析其数值建模的关键点;然后,提出相应的建模方法:通过设置接触关系实现模拟围岩对衬砌不同的约束作用,利用等效荷载和实体模型相叠加的方法模拟锚索变化的预应力状态,采用梯度荷载分段施加方式模拟预应力损失的非线性分布;最后,基于有限差分软件FLAC3D,以小浪底有压排沙洞为工程案例建模分析,选取衬砌变形、衬砌局部和整体预应力效果、受力最不利位置和衬砌薄弱环节潜在破坏特征等最能反映预应力衬砌结构力学特性的四个方面,将数值计算结果与监测数据对比分析,验证了本文建模方法的正确性。研究表明,本文提出的建模方法原理明确、建模快捷、结果可靠,对工程设计具有指导意义。

水工隧洞预应力混凝土衬砌考虑锚索失效时的应力状态分析

水工压力隧洞无粘结预应力混凝土衬砌是一种新型的衬砌形式,本文结合工程设计实例,对衬砌结构在运行期假定锚索失效情况下的应力分布状态进行了计算分析,藉此对这种新型衬砌形式的可靠性进行评价。计算结果表明,运行期若某根锚索失效,将对衬砌的应力状态产生不同程度的影响,其影响大小和影响范围与失效锚索所在位置有关,浇筑块中部某根锚索失效的影响较小,浇筑块端部第1根锚索失效是最不利工况,拉应力区出现在衬砌底部内侧表面和锚具槽边角部位。在最不利工况下,锚具槽边角部位的拉应力会超过混凝土的抗拉强度,有可能引起开裂和渗漏。