高速铁路预制装配式大跨度明洞衬砌地震响应的数值分析

结合某拟建高速铁路大跨度明洞穿越地层的工程地质和地貌,建立了地层与装配式明洞衬砌的三维有限元模型,并基于粘弹性人工边界,采用时程分析法研究了装配式大跨度明洞衬砌的地震响应,给出了装配式明洞衬砌受地震影响的薄弱部位。结果表明:在高烈度震区装配式明洞衬砌拱肩和拱脚部位以及管片接头处的应力和位移响应较大,是装配式明洞衬砌的薄弱部位,在结构设计时需加强此部位的配筋。此外,与EI波和汶川波相比,天津波对预制装配式明洞衬砌的影响较大。

基于等减载率的高填明洞长期性能

为探究减载材料差异对衬砌变形及安全性的长期影响,选取可发性聚苯乙烯板(EPS)板、低压实土和橡胶颗粒混合土3种减载材料,填土采用高压实土,利用试验与数值模拟相结合的方式,分析当减载率相同时,不同减载材料与高压实土共同蠕变对高填明洞长期性能的影响。结果表明:4种材料的蠕变曲线分为衰减蠕变和稳态蠕变两个阶段,同一荷载作用下,材料蠕变应变大小依次为:EPS板>橡胶颗粒混合土>低压实土>高压实土;不同减载措施下填方中心蠕变位移最大,向外环形扩散降低,且填方蠕变位移大小依次为:EPS板>低压实土>橡胶颗粒混合土,橡胶颗粒混合土可以有效抑制填方的蠕变位移。当减载材料与高压实土共同蠕变时,拱顶、拱肩先下沉再回弹,拱腰和边墙先向外扩散再向内收敛,拱顶沉降和拱腰收敛变化值最大;拱顶安全系数增量较大,但蠕变稳定后拱脚安全系数最小。不同减载措施下衬砌变形与安全系数变化大小依次为:低压实土>橡胶颗粒混合土>EPS板。

特大跨度明洞二次衬砌台车优化及应用

为解决特大跨度明洞二次衬砌施工耗时长、工效低、外观质量差的问题,依托某隧道长明洞特大跨度二次衬砌施工,对明洞二次衬砌台车进行优化设计,并进行现场应用。结果表明,台车强度和刚度均满足要求,在施工过程中结构处于安全状态;蜂窝麻面、拼缝多、面板错台及止水带安装变形等问题得到有效解决,明洞二次衬砌外观质量得到有效提高;同时,降低了人工投入,缩短了二次衬砌施工时间,具有一定的经济效益。成果可为类似工程的设计及施工提供参考。

地裂缝对地铁明挖整体式衬砌隧道影响机制的模型试验研究

以西安地铁2号线穿越地裂缝带为研究背景,采用几何缩比1∶5的大比例尺地裂缝与地铁隧道结构模型试验,研究了地裂缝活动对地铁明挖隧道整体式衬砌结构的影响机制。试验结果表明:随地裂缝位错量的增加,隧道顶部土与结构接触压力上盘明显增大,下盘减小,底部接触压力上盘减小直至为0,下盘则明显增大;当地裂缝位错量达到20 cm时,位于地裂缝上盘的隧道结构底部出现脱空现象,下盘2.5 m处衬砌出现开裂,对隧道底部脱空区应及时进行注浆等地基处理;隧道底板基本处于受压状态,而顶板受力较复杂,下盘受拉,上盘则先受拉后受压。地裂缝作用下隧道变形破坏模式为拉张破坏,且隧道衬砌开裂主要出现在下盘距地裂缝14.0 m范围内,而位于上盘的隧道衬砌基本完好,这与地裂缝活动引起土体和地表建(构)筑物的变形破坏主要发生在上盘刚好相反。研究结果可为西安地铁穿越地裂缝的隧道结构设计与防治措施制定提供一定参考。

沟谷山区城市超厚填土铁路明洞设计

研究目的:在城市铁路建设中,受地方规划、城市建设因素的控制,越来越多地出现厚填土重荷载铁路明洞,尤其在山区城市,明洞还可能修建在高路基填方之上。这类明洞较一般明洞受力更为复杂,设计需考虑的因素也更多,以重庆至利川铁路丰都造地明洞为工程原型,分别从荷载组合、明洞结构选型、衬砌受力分析、内外衬关键工序、基础处理形式、回填工程稳定性及回填施工工艺等关键设计技术进行研究论证。研究结论:(1)明洞结构采用双层衬砌的设计方法,外衬承担填土荷载,内衬作为后期荷载的补强结构;(2)有限元结构分析表明,内衬需在外衬、Ⅰ期填土完成后施作,明洞、混凝土基础及地基的受力安全、结构稳定性和回填工程的局部及整体稳定性可满足要求;(3)为防止回填土对明洞的偏压推力,明洞底板应设置竖向抗剪桩;(4)回填施工工艺是保证坝与明洞稳定的关键,混凝土坝施工应控制浇筑温度,降低水化热;(5)该研究成果对明挖法施工的城市铁路、公路、地铁隧道,特别涉及厚填土、重荷载、深基础的明洞结构具有重要的参考价值和借鉴意义。

EPS板减载对宽坦式高填黄土明洞衬砌结构内力和厚度的影响分析

为改善宽坦式高填黄土明洞衬砌结构内力,减少衬砌厚度,采用数值模拟方法,研究有无EPS板减载时高填黄土明洞不同位置处衬砌结构内力和厚度随回填土高度的变化规律。结果表明:无EPS板减载时,明洞衬砌结构内力随回填土高度的增加呈线性增长,拱顶至拱肩衬砌厚度呈非线性增长,其余位置呈线性增长;有EPS板减载时,明洞衬砌结构内力和厚度随回填土高度变化规律均与荷载作用下EPS板的应力—应变曲线有关,当EPS板处于塑性阶段时,内力与厚度变化率最大,减载效果最佳,当EPS板进入硬化阶段后,减载效果开始逐渐减弱;明洞的宽高比越大,衬砌结构内力和厚度越大,内力减载量也越大,减载效果越明显。建议针对不同回填土高度、宽高比的宽坦式高填黄土明洞,进行EPS板密度和厚度的优化设计。

考虑基础刚度的新型高填方双层衬砌式明洞的动态力学特性

为解决高填方明洞整体式衬砌过厚导致的水化热裂缝问题,在渝利铁路重庆丰都高填方明洞工程中首次采用双层衬砌设计,通过现场实测及数值模拟2种方法分析该新型结构的动态力学特性。结果表明:在回填土达到明洞顶部前,即仅有侧向荷载时,明洞结构的内力增量很小,在回填高度超过明洞顶部后,明洞的内力则随回填高度的增加而线性增长;双层衬砌明洞的外衬和内衬的轴力之比接近二者的厚度之比,而二者的弯矩之比则无类似规律,二者的相互作用方式与组合梁类似;采用混凝土坝基础时一定程度上增大明洞的荷载,其上明洞的轴力和弯矩分别为软岩基础上明洞的1.2~1.6倍和1.6~2.4倍;明洞拉应力集中现象主要出现在边墙位置。建议对混凝土坝基础上的明洞采取减载和优化边墙结构措施。

高速铁路高填方双层衬砌明洞施工工序

重庆丰都高填方明洞首次将双层衬砌形式引入明洞设计中,结构由内外2层衬砌组成,施工过程主要由施作外衬、施作内衬、回填3部分组成,后两者的施工时机可灵活调整,使得工程有多种施工工序可选用。本文对不同施工工序下双层衬砌明洞的内力及安全性进行分析。结果表明:只有回填土高度超过拱顶后,内衬的施作时机才能对结构内力及安全性产生明显影响。对比各类施工工序的优缺点,提出了工期最短、内衬安全储备最高、回填过程中安全性最高3种方案,可供今后类似工程参考。

西安地铁侧坡出入段线上跨既有隧道施工影响分析

地铁近接施工安全影响是轨道交通建设所面临的重要问题,相关研究与分析对于现场施工及既有结构安全具有重要意义。以西安地铁6号线侧坡出入段线明挖上跨既有区间隧道为背景,通过对出入段线分块、分层开挖以及结构回填过程的数值模拟,得出明挖施工卸载再加载过程对下卧隧道的影响程度。计算表明,周边地层受明挖施工卸载再加载效应影响较为明显,总体变形表现为隆起抬升,最大隆起量出现在基坑底部,约为48.15 mm;下卧隧道受出入段线施工影响的最大隆起量为10.86 mm,结构差异变形量为0.008 9%,出现在右线隧道被上跨部分底部;隧道管片最大拉应力为2.13 MPa,最大压应力为4.92 MPa。隧道变形量满足结构安全要求,隧道结构应力远小于其设计强度,出入段线施工对下卧隧道影响较小。

京张高铁东花园长大明挖隧道衬砌结构变形特征研究

为解决长大明挖高铁隧道施作衬砌结构时养护不充分、拆模较早等引起的衬砌结构容易裂缝问题,防止衬砌结构在自重应力作用下对隧道运营期的防水及结构安全造成影响,基于京张高铁东花园长大明挖隧道工程,采用有限元分析和在衬砌结构典型断面上的拱肩、拱腰不同位置布设钢筋计、混凝土应变计、土压力计、表面应变计,对衬砌结构的内力变形进行现场监测。分析得出:衬砌结构容易出现塑性应变的位置是拱腰处大于拱肩处,裂纹均出现在1/2截面附近的矮边墙以上及起拱线以下位置,且均为环向裂纹;对于矮边墙以上、起拱线以下的混凝土来说,其降温产生的收缩变形会受到矮边墙钢筋剪力的约束,使其不能发生水平位移。最后,给出控制衬砌结构受力变形和加快施工进度的建议。

兰新二线防风明洞遮蔽性能分析

基于三维数值模拟软件STAR-CCM+,针对兰新二线防风明洞的风环境,考虑无车情况下防风明洞毗邻建筑、地貌等的影响前提下,研究了不同位置、不同风速、上下行线路、不同风向角,对防风明洞的来流风速遮蔽效果的影响进行了分析.结果表明:防风明洞中段遮蔽效果最强,乌鲁木齐端最弱.来流风速增大时,明洞遮蔽效果会减弱,且对乌鲁木齐一端的影响较大.随着风向角的增大,防风明洞的遮蔽效果成非线性增强趋势.

厦门第二西通道陆域段施工技术问题探讨

厦门市第二西通道陆域段工程沿厦门岛内繁忙干道兴湖路布设,结构形式多样,安全风险较高。对厦门市第二西通道陆域段工程中浅埋暗挖双连拱隧道、深大明挖基坑、隧道上跨既有地铁隧道等施工中的关键技术问题进行研究。主要研究和结论如下:1)浅埋暗挖双连拱隧道埋深小、跨度大、地质软弱、保持地面交通,控制沉降是施工的关键技术所在。从三导洞工况理论分析看,设计支护和开挖方法是合理可行的,施工中还应结合实际优化具体支护参数,注重受力体系转换环节,加强监控量测,用信息化指导施工。2)深大明挖基坑,关键是要确保基坑支护体系变形受控,结构安全,基坑防水有效,保证基坑和周边建筑物的安全,尤其要注重复合地层组合式围护体系的整体稳定。3)隧道上跨既有地铁隧道,施工中要采取防既有地铁轨道上浮的工程措施,同时加强地铁轨道监控量测,制定好轨道调整预案,保证地铁轨道线型符合规范要求。

超大跨度超高回填荷载明洞衬砌结构选型探讨

文章探讨超大跨度明洞衬砌结构在超高回填荷载下结构几何型式和断面型式的选型,对不同几何型式明洞结构受力情况、施工难易程度、经济性等开展了研究,同时为减缓大体积混凝土明洞衬砌结构水化热问题,对不同截面型式进行了阐述。超大跨度超高回填土明洞衬砌结构推荐采用矢跨比较优的一般拱形大跨断面结构型式,该型式明洞衬砌施工难度相对较小,受力较合理。为解决大体积混凝土衬砌结构水化热和结构裂缝控制难题,推荐采用空心混凝土衬砌结构截面型式,以减缓大体积混凝土水化热对衬砌结构的影响。

大跨超厚回填土明洞衬砌结构选型及设计优化研究

随着城市建设的发展,高速铁路等基础设施与市政规划结合建设越来越多,出现了超厚回填土明挖隧道的案例。文章探讨了大跨铁路明洞衬砌结构在超厚回填土荷载下结构选型及设计优化,对不同断面型式明洞结构受力特征、经济性、功能性、施工难易等开展研究,大跨超厚回填土明洞衬砌结构推荐采用高跨比较优的拱形仰拱结构型式,该型式明洞衬砌受力及空间利用合理、施工简便。同时为解决明洞衬砌大体积混凝土结构水化热和温度裂缝难题,通过不同层厚组合的双层衬砌浇筑温度场、温度应力场及超厚填土荷载下结构受力分析,推荐采用外衬厚度大于内衬的双层混凝土衬砌结构断面型式,以减少大体积混凝土水化热对衬砌结构的影响。

哈大铁路客运专线鞍山隧道工程设计

鞍山隧道地处粉质黏土、粉土、砂类土等不良地质段,多处下穿地表房屋、城市道路、高压电线塔、油管等密集区。为适应复杂的地形、地质条件,鞍山隧道采取了放坡开挖、暗挖、钻孔灌注桩围护多种开挖方法,隧道集传统暗挖和明挖、城市地铁、框架明洞等施工工艺于一体,存在下穿铁路沉降要求高、明挖衬砌结构类型多,设计标准高等特点。通过对该隧道设计及施工方案的介绍,结合工程实践中遇到的问题的探讨,为今后在城区平原地区修建高速铁路隧道提供借鉴。

明挖隧道衬砌结构拆模时间研究及可靠度分析

为保证明挖隧道工程的施工进度和工程质量,避免衬砌结构拆模后产生温度裂缝,通过对咸阳机场预留高铁工程最大尺寸断面隧道衬砌进行有限元模拟和现场试验,综合考虑施工环境和衬砌混凝土的时变性,研究明挖隧道衬砌结构温度裂缝和最大主应力的位置及变化规律。通过将模拟结果与各龄期混凝土强度进行对比,确定了最大尺寸断面隧道衬砌结构在混凝土浇筑48 h后拆模可以避免温度裂缝的产生,拟合了不同尺寸断面隧道衬砌结构的拆模时间计算公式。最后,引入时变可靠度理论验证了最大尺寸断面隧道衬砌结构拆模时间的合理性,将均匀设计法与响应面法相结合确定了衬砌结构最不利截面的荷载效应和统计特征,并将其代入极限状态方程,运用一次二阶矩法编制MATLAB计算程序,计算出衬砌结构在混凝土浇筑后48 h拆模最不利截面的可靠度为6.61,高于规范规定的标准值,从而证明了混凝土浇筑后48 h拆模是可行的。

高填方双层衬砌式明洞土压力和结构内力特性研究

采用现场测试和数值分析方法对高填方双层衬砌明洞的土压力和结构内力进行研究,分析明洞上方和两侧土体的沉降差分布,结果表明:明洞垂直土压力系数在回填过程中先增大再减小最后趋于稳定,明洞上方与两侧土体沉降差使其土压力值高于土体自重;在相同的填方高度下,基础刚度对明洞荷载有较大影响,混凝土大坝基础明洞的土压力系数可达基岩基础明洞的1.5倍以上,内外侧土柱沉降差前者达到后者的6倍。在回填土达到拱顶前,衬砌结构内力变化缓慢,回填土达到拱顶后结构内力线性增大,且混凝土大坝基础明洞轴力值达到基岩基础明洞的1.2～1.6倍,弯矩值则为1.6～2.4倍;此外,外层和内层衬砌的轴力比与二者的厚度比基本一致,轴力分配与组合梁类似。

沟槽式深覆土减载明洞衬砌结构受力特性及截面设计研究

为了改善沟槽式高填黄土明洞衬砌结构内力,减小明洞衬砌厚度,文章通过数值模拟方法,从EPS板材料的力学性能和减载机制分析入手,研究了减载前后明洞各位置结构内力和结构衬砌厚度变化规律,以及边坡坡角对减载前后明洞结构内力和截面衬砌厚度的影响规律。结果表明,高填黄土明洞结构内力和结构衬砌厚度均随回填土高度的增加而增加;减载明洞结构内力和结构衬砌厚度减小效果均与EPS板厚度和EPS板材料的应力-应变曲线有关,在EPS板处于塑性阶段末期,减载效果最佳,并给出了该密度下EPS板减载的优化设计;边坡角度越大,减载前后明洞结构内力越小;除拱顶外,明洞衬砌截面厚度均有减小趋势;而减载后的洞顶衬砌厚度减小效果最明显,其余截面厚度减小量均呈加速减小趋势。文章最后建议对不同填土高度、不同边坡坡角的沟槽式高填明洞进行不同EPS板密度和厚度的优化设计。

某铁路明洞拱部裂缝成因分析

某双线铁路明洞结构拱部产生纵向裂缝,为分析该明洞拱部裂缝产生的原因,对裂缝分布情况及裂缝形态进行分析,拱部裂缝宽度与回填土石厚度存在正相关性,裂缝宽度随回填土石厚度增加而增大;当回填土石厚度为15 m时,裂缝宽度为0.55~1.00mm。通过对明洞施工数值计算分析认为:当回填土石厚度小于5 m时,随着拱顶回填土石厚度的减小,拱顶拉应力增大,此时施工动载对明洞结构受力影响较大;边墙回填密实度对拱顶拉应力影响显著,密实度为60%时,拱顶拉应力值为完全密实时的1.44倍,且已超出结构极限强度。综合分析认为,回填土石施工时机不当及边墙回填不密实是导致该明洞拱部产生裂缝的主因;提出明洞结构设计计算应纳入施工动载,施工应严格掌控回填土石施作的时机,同时应加强建设管理等。

超高填方明洞采用双层衬砌型式的可行性研究

高填方明洞衬砌厚度常超过2 m,工后受水化放热影响易产生收缩裂缝并影响结构安全,故提出采用双层衬砌设计形式来降低水化热影响。以重庆丰都高填方明洞为研究背景,采用数值模拟方法研究了双层衬砌明洞的水化热及安全性,并探讨外衬与内衬厚度比例对结构的影响,结果表明:(1)双层衬砌结构可明显减少水化热释放,在各种层厚比下,衬砌工后内部温度最高降幅达到38%,温度应力极值的降幅可达53%;(2)相比整体式衬砌,双层衬砌设计基本不影响结构安全性;(3)双层衬砌的层厚比对结构的安全性影响极小,最大影响程度仅有2%;(4)推荐采用1∶1的外衬内衬厚度比,可在不影响安全性的前提下最大程度降低水化热影响。