非圆形隧洞衬砌支护下应力与位移的新解法

以往在利用平面弹性复变函数方法进行衬砌支护作用下非圆形隧洞的力学分析时,一般将洞室外域保角映射到象平面的单位圆外域,并认为可以利用同一个映射函数将衬砌截面映射到象平面的圆环域内。当衬砌厚度很薄时,这种方法是可行的,而当衬砌相对较厚时,利用同一映射函数所得到的衬砌截面形状发生严重失真。为解决此问题,本文引入两套映射函数,分别将洞室外域映射到象平面的单位圆的圆外域,衬砌截面映射到圆环域。这种方法可以适应于不同的衬砌厚度,利用这种方式获得的衬砌截面,在衬砌较厚时仍能保证衬砌厚度相对均匀。在求解解析函数过程中不再采用传统的幂级数解法,而是使用边界配点法,将两套映射函数结合,获得了该问题的应力解和位移解。本文以马蹄形隧洞为例,求解结果与ANSYS软件所得数值解吻合很好,分析了衬砌厚度对隧洞应力和位移的影响。根据本文解答可以方便、快捷地进行相近条件下隧道的初步设计。

高内水压作用下围岩-叠合式衬砌承载机理力学分析

为探究圆形水工隧洞衬砌结构中围岩-叠合式衬砌联合承载的力学机理,针对珠江三角洲水资源配置工程“外衬管片-自密实混凝土填充层(SCC)-内衬钢管”三层叠合的衬砌结构形式,采用平面弹性复变函数理论的幂级数解法,从应力函数层面着手,基于围岩-衬砌相互作用关系以及应力边界条件建立了相应的力学模型,推导求解了在开挖荷载和内水压共同作用下围岩和各层衬砌域内任意点的应力分量,揭示了叠合式衬砌结构承载时的荷载传递机理和规律。然后通过边界应力结果以及与数值结果的比对,验证了提出方法的正确性;最后通过参数分析,着重讨论了高内水压对输水隧洞围岩和三层衬砌径向正应力和环向正应力的影响。结果表明:围岩-衬砌联合承载时,围岩和三层衬砌的径向正应力和环向正应力结果均符合余弦分布,而剪应力符合正弦分布;随着输水隧洞内水压增加,三层衬砌和围岩在径向上更趋于压缩,而环向正应力趋向于拉应力并增大。研究成果可为该类型衬砌防护工程的设计和施工提供理论依据。

全圆多模穿行式台车在长距离水工隧洞施工的应用

采用穿行式台车可有效提升水工隧洞二次衬砌施工效率。以驷马山滁河四级站干渠(江巷水库近期引水)工程为应用对象,在盾构施工的基础上,设计了一种全圆多模穿行式台车,介绍了台车工作原理和施工重、难点,研究全圆多模穿行式台车在长距离水工隧洞的应用,提出了应用免拆堵头模板的设计思路。工程应用表明:全圆多模穿行式台车对盾构施工圆形隧洞二次衬砌有较强的适应性;相较于传统针梁式台车,全圆多模穿行式台车在施工精度、作业空间、施工进度及施工质量等方面表现优异;采用免拆堵头模板,可进一步提升穿行式台车施工效率。全圆多模穿行式台车性能高效先进,可在类似工程中借鉴应用。

考虑渗透各向异性的水下非圆形隧道渗流场解析

矩形、直墙曲拱形等非圆形断面隧道在工程建设中越来越常见,自然界土体受地质运动和自身重力作用多为渗透各向异性介质。现有关于水下隧道渗流场的解析研究理论常将隧道截面形状假设为圆形,以使水下隧道渗流场的计算得到简化,少数关于非圆形断面隧道的解析研究也未能考虑隧道周围介质渗透各向异性对隧道渗流场的影响。基于此,以2个相互垂直的渗透系数表示隧道洞周土的渗透各向异性,基于地下水渗流理论、坐标变换、保角映射、最优化技术,将水下非圆形隧道渗流域分区域映射为同心圆环,在此基础上分别求解稳定渗流连续方程,再按照渗流连续性原则进行联立求解,推导出在渗透各向异性半无限多孔介质中水下非圆形隧道渗流量及水头的解析式。以某椭圆形水下隧道为依托,通过数值模拟验证了该解析解的正确性,且与等效周长法和等效面积法对比发现本文方法更符合数值模拟结果。研究发现:不考虑洞周土渗透各向异性将会低估隧道渗流量和衬砌外水头,给隧道支护结构设计带来安全隐患,在隧道工程建设中适当考虑洞周土渗透各向异性的影响符合实际情况。本文提供的方法适用于考虑渗透各向异性下的任意形状水下隧道渗流场的解析研究,为非圆形断面隧道渗流量、支护结构外水压力的快速、准确预测提供支撑。

双层衬砌圆形水工隧洞力学分析

采用复变函数方法提出了一种求解双层衬砌圆形水工隧洞的解析方法。建立的模型基于围岩与初衬、初衬和二衬(完全接触)之间的相互作用,并考虑了内水压作用和支护延迟效应。根据预设的边界条件,基于位移协调和应力连续,建立求解相关解析函数系数的方程,然后利用具体的解析函数,可以求解围岩、初衬和二衬任意位置的应力分量。通过与数值解的比对,证明所提出的解析方法是正确、有效的。最后从控制水工隧洞运行内水压、互换衬砌弹模以及控制衬砌厚度三个角度进行了参数分析,探讨了影响衬砌应力分布的因素和结果。揭示了双层衬砌水工隧洞的荷载传递机理和规律,为衬砌防护工程的前期设计和施工提供了理论依据。

基于幂强化-理想塑性模型的深埋圆形水工衬砌隧洞弹塑性解

为了求解围岩与衬砌相互作用体系下深埋圆形水工衬砌隧洞的应力和位移,首先假定围岩采用幂强化-理想塑性模型,衬砌采用理想弹性模型,然后考虑渗流影响和主应力顺序,推导了施工期和运行期两种工况下深埋圆形水工衬砌隧洞的弹塑性解,最后探讨了围岩与衬砌渗透系数比、幂强化参数、屈服准则三个参数对塑性区半径、切向应力和位移的影响。研究结果表明:围岩与衬砌渗透系数比对施工期切向应力、施工期和运行期塑性区半径影响非常显著;幂强化参数对施工期、运行期的位移和塑性区半径影响比较显著;不同的屈服准则对施工期、运行期塑性区切向应力和塑性区半径影响比较显著。考虑围岩与衬砌的相互作用更接近于工程实际。

具有衬砌的圆形水工隧洞弹塑性应力统一解

针对具有衬砌的圆形水工隧洞,假定衬砌与围岩位移连续,考虑不同工况下主应力顺序、岩石应变软化和中间主应力等综合影响,采用统一强度理论和弹脆塑性软化模型,推导衬砌和围岩弹塑性应力统一解.选取不同的统一强度理论参数,可得到一系列应力场公式及塑性区半径与内压力的关系.通过工程算例分析知,考虑第一主应力的变化是正确的,更符合工程实际,并得出统一强度理论参数、软化特性参数对衬砌和围岩切向应力的影响规律.研究结果表明,统一强度理论参数和软化特性参数对衬砌与围岩塑性区切向应力的影响显著.

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。

中小型水电站非圆形有压隧洞衬砌配筋计算

中小型水电站有压隧洞受投资及施工技术等限制不宜选取圆形断面,而现行规范未明确给出非圆形有压隧洞钢筋混凝土衬砌的配筋计算公式,因此有压隧洞断面形式的选择在中小型水电站设计中是一个难题。以知木林水电站有压引水隧洞为例,通过比较选择了施工难度较小、成本较低、实用性较强的似马蹄形优化断面,结合地质资料,利用ANSYS有限元分析软件模拟隧洞的各种工况,得到了衬砌配筋方案。目前隧洞施工状况良好。

基于复变函数理论的非圆形隧道解析解

为了得到考虑衬砌支护的非圆形隧道衬砌和围岩应力及变形的解析解,基于复变函数理论提出了一种求解考虑衬砌的非圆形隧道衬砌和围岩应力及变形的方法.首先,为了克服非圆形隧道断面几何形状和考虑衬砌支护造成的计算困难问题,引入了保角变换,通过采取最优化解法确定映射函数中的各项系数,得到映射函数;其次,采用幂级数复变函数法克服隧道衬砌带来的多连通域问题,确定应力函数中的各项系数,建立方程求解;最后,通过Flac有限差分软件进行数值模拟证明解析解的正确性.研究发现:弹性范围内解析解与Flac有限差分软件计算得到的应力、位移解有较好的吻合性,表明弹性解析法的结果是可靠、合理的;深埋条件下,弹性解析法无需根据埋深、工况建立计算模型,只需明确边界条件和映射函数就可计算非圆形隧道应力、位移,弹性解析法克服了计算软件在计算中由于网格划分尺寸等问题造成计算结果不精确、计算慢等问题,为非圆形隧道开挖问题提出了一种快速、准确的弹性计算方法.

基于非关联流动法则的圆形隧洞滑移线解答

圆形隧洞的滑移线方程早在20世纪中期苏联学者已给出解答,并在国内广泛应用.推导过程中假设滑移线与速度矢量方向夹角为45°-φ/2是错误的,理论上滑移线与速度矢量方向的夹角与采用的流动法则有关.该文分别从关联流动法则和非关联流动法则出发,推导了圆形隧洞的滑移线方程和水平方向破裂体深度的表达式.通过与模型试验结果进行对比,对岩土材料应采用基于非关联流动法则的滑移线解答.

注浆、衬砌作用下非线性渗流隧洞弹塑性解

为探求深埋隧洞在非线性渗流条件下围岩-注浆圈-衬砌体系的力学行为,引入Izbash非线性渗流模型,给出了围岩-注浆圈-衬砌体系的水头分布,基于统一强度理论,考虑塑性区可能的分布位置,在注浆、衬砌支护作用下对隧洞位移、应力和塑性区半径进行了理论推导.通过算例将理论解与数值解对比分析,验证了研究方法的可靠性,并进一步探讨了考虑非线性渗流对富水山岭隧洞支护设计的工程意义.研究结果表明:非线性渗流对隧洞弹塑性力学的影响主要体现在围岩水力梯度系数m1;围岩从低速非线性渗流向高速非线性渗流转变过程中,塑性区半径和位移越来越大,围岩应力有所减小;应从隧洞围岩的非线性渗流角度考虑注浆圈、衬砌支护厚度设计.研究成果为非线性渗流隧洞支护设计提供了理论依据.

圆形井巷含水围岩的岩体—水力学分析

本文根据深埋圆形井巷含水围岩特有的岩体--水力学作用机理,将水压当作体积力考虑,用粘弹塑性理论导出有关围岩和衬砌的计算公式.由于支护前后水荷载的消长,产生对衬砌有利的附加支护抗力.利用这一时差效应,可获得较大的经济效益.已建工程实践证实本文所建议的方法对解决深埋井巷设计难题有用.

基于D-P准则有压圆形衬砌隧洞弹塑性解

随着大型水利工程的建设,出现了大量的深埋水工压力隧洞。由于深埋有压隧洞在施工和运营不同工况条件下,隧道衬砌和围岩主应力会发生变化。文章基于D-P屈服准则,在平面应变条件下推导了深埋有压衬砌圆形隧洞第一主应力分别为径向应力和切向应力时隧洞的弹塑性解。研究结果表明:该理论模型计算值与M-C准则计算值基本吻合,验证了该模型的正确性,且较M-C准则计算结果偏于安全;在不同地应力水平与内水压力工况下,衬砌与围岩的塑性区半径发生变化;随着内水压力的增大,塑性区分布可分为5个阶段,且在高水压阶段水压力增大对衬砌屈服半径的发展较为迅速。

寒区非圆形隧道冻胀力的解析解

利用复变函数相应理论引入一种求解考虑衬砌结构的季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形的方法.方法克服了隧道断面形状为非圆形状并且同时考虑非圆形隧道支护、冻胀圈、未冻围岩时,经典的复变函数理论不能直接应用求解非圆形隧道应力和位移的问题.方法通过将经典复变函数理论与连续性条件结合,导出了非圆形隧道衬砌-冻胀圈-未冻围岩系统在正交曲线坐标系ζ平面内的解析式,然后通过保角变换求得直角坐标系Z平面上考虑衬砌支护的寒区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形.将推导的解析式应用于鹧鸪山隧道洞口段研究中,得到鹧鸪山隧道洞口段冻胀应力和冻胀位移解析解,并将解析解与数值解进行对比,验证解析解的正确性.由结果可知:围岩冻胀力对衬砌影响明显,在拱顶、拱脚、拱底处因冻胀造成的环向附加应力显著增大;在拱脚及两侧拱肩处会受到较大的法向附加应力;由于衬砌几何形状的原因,造成了衬砌冻胀变形的不均匀,进而造成冻胀力分布不均.应用复变函数理论将冻胀圈考虑为马蹄形、直墙拱形等非圆形状较以往将冻胀圈考虑为单一圆环的冻胀力研究更符合实际,较以往研究更能反映实际工况.研究结果为季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力的弹塑性分析奠定了基础.

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。

非圆形水工衬砌隧洞与横观各向同性岩体在光滑接触下的解析分析

提出了横观各向同性岩体中的非圆形水工衬砌隧洞在各向同性衬砌与岩体处于光滑接触条件下的解析方法.基于复变函数理论,通过建立两种介质在光滑接触边界上的力和位移连续关系以及衬砌自由边界的水压力边界条件,考虑衬砌支护滞后效应并使用幂级数解法获得解析解.针对倾斜结构面岩体中的马蹄形水工衬砌隧洞,使用解析和数值方法验证了解析解的正确性,获得了岩体各向异性和不同洞内水压力对衬砌和围岩接触边界,以及衬砌自由边界上应力和位移分布的影响规律.

近2年我国隧道及地下工程发展与思考(2017—2018年)

概述我国隧道及地下工程近2年的发展情况,包括铁路隧道、高速铁路隧道、公路隧道、地铁隧道、水工隧洞及综合管廊;并对铁路、公路、市政等方面的重大典型工程进行具体介绍,包括兰渝铁路木寨岭隧道、敦格铁路当金山隧道、港珠澳大桥沉管隧道、中老铁路隧道、大瑞铁路高黎贡山隧道、成兰铁路跃龙门隧道、乌尉高速天山胜利隧道、深中通道、汕头苏埃通道、引额供水项目喀双隧洞、深圳前海综合交通枢纽工程、武汉光谷广场地下综合体等。总结近2年来我国在隧道工程勘察技术、隧道建设的BIM技术、/TBM制造及再制造技术、海上沉管隧道修建技术、异形盾构隧道修建技术、隧道大数据平台建设技术等方面取得的发展。依据川藏铁路、京津冀协调发展、长江经济带、粤港澳大湾区等一系列国家发展战略、规划的启动与实施,分析各个方面对隧道及地下工程领域提出的技术需求,包括:跨海隧道修建技术、复杂条件超长隧道修建技术、生态脆弱区隧道施工环保技术、城市地下大型综合体开发、高寒环境新材料研发、隧道病害智能诊断与快速修复技术、超长复杂隧道及地下工程智慧防灾技术等。最后,结合行业发展现状,从如何提升隧道工程建设管理理念和如何深入推进钻爆法机械化施工进程2个方面对行业发展提出思考和建议。

高速铁路隧道二次衬砌钢筋施工预留沉落量分析

为提高铁路双线大断面隧道二次衬砌钢筋保护层控制质量,降低拱顶开裂风险,针对隧道二次衬砌钢筋在大跨度时本身具有向下的沉落变形特点,需对钢筋沉落量进行有效控制。二次衬砌环向主筋受力体系与拱的受力方式相同,以郑万高速铁路隧道二次衬砌结构几何参数、钢筋及垫块布置、钢筋的自重为研究对象,按无铰拱结构受力计算方式,采用经典力学原理、拱的挠度理论、挠度叠加设立方程,对钢筋自重下的预留沉落量进行研究,得到环向主筋越小施工沉落量越大,环向主筋越大施工沉落量越小的规律。通过理论公式计算出各种衬砌类型钢筋施工沉落量,提前进行有效预设,并按施工沉落变形对钢筋进行有效限位支撑,提高钢筋安装的准确性,有效控制了二次衬砌钢筋保护层,满足了设计要求。

各向异性岩体中不同接触衬砌隧洞的解析分析

通过复变函数方法建立分析了非圆形水工衬砌隧洞,在衬砌与围岩处于完全和光滑接触条件下的解析解,考虑了衬砌的支护滞后效应和洞内水压作用。研究了正交各向异性岩体中的马蹄形衬砌隧洞,在不同接触条件和洞内压力工况下,接触边界和衬砌自由边界上的应力和位移解。接触条件对衬砌接触边界的切向应力分布影响最显著,完全接触条件下两底脚的切向压应力最大,光滑接触条件下最小。岩体各向异性和倾斜结构面对衬砌中力学分量的非对称性影响在完全接触条件下明显。完全接触条件可高效发挥衬砌的支撑作用,光滑接触条件使岩体的自承能力充分体现。衬砌在两种接触条件下均承担了大部分由水压引起的张拉效应。