隧道中橡胶气囊阻漏受力分析模型及试验验证

随着地下空间的开发利用,在修建地铁及隧道的过程中,经常遭遇易渗漏或者涌水突泥的地下环境,地下水涌入隧道会对施工及周围环境造成恶劣影响,为减少此类损失,需要尽快将涌水区隔离.本文提出将橡胶气囊置于隧道中作为临时性挡水结构,利用气囊充气膨胀后与隧道壁之间产生的摩阻力来抵抗压力,使水体被阻隔在气囊一端,起到有效隔离的作用.气囊是薄膜结构,受隧道壁的环向约束,其在外压作用下的变形特性以及保持稳定、不滑动、不损坏的控制条件是研究的重点和核心.本文建立了弹性气囊的受力分析模型,考虑材料的拉伸特性,结合气囊在隧道中的边界条件和受力条件,对气囊一端在外压作用下的变形特性进行研究,从而得到气囊自开始变形至极限状态的过程中的变形规律和内压增长的计算公式,确定气囊保持稳定时所能够抵挡的最大外压.同时,得到了气囊能够有效工作的3个控制条件,即外压不能大于变形后的内压、外力不能大于最大静摩阻力和材料张力不能大于抗拉强度.采用伸缩性较大、变形明显的橡胶材料进行模型试验验证,试验结果与理论分析得到的规律有很好的一致性.

隧道中封堵气囊在外压作用下工作机理的有限元研究

在隧道建设和运营过程中出现地下水渗漏、洪水突发及有害气体扩散等灾害会对人们的生命财产安全造成威胁,采用充灌气囊的方式可在短时间内形成临时性“隔离阻挡墙”将危险源控制在一定范围内,避免灾害扩大。充灌气囊属于膜结构,抵挡外力时的受力和变形直接影响封堵失效的模式。对气囊在外压作用下的变形及失效模式进行理论分析,并通过可视化模型试验对理论公式的准确性进行了验证。文章基于ABAQUS有限元中的膜理论和空腔理论,对模型试验条件下气囊的充灌过程以及在外压作用下的变形过程进行模拟,并与理论分析结果和试验数据进行对比,同时研究气囊与隧道壁间的摩擦系数对气囊封堵变形的影响。结果表明,此种方法模拟结果与模型试验数据、理论公式推导值具有较好的吻合性,且可以克服理论公式在气囊形状、材料特性、隧道壁摩擦系数等方面计算的局限性,能够更全面地体现气囊封堵的各种特性,具有更广泛的适用性。