Ground motion duration effect on responses of hydraulic shallow-buried tunnel under SV-waves excitations

Although intensive research of the influence of ground motion duration on structural cumulative damage has been carried out, the influence of dynamic responses in underground tunnels remains a heated debate. This study attempts to highlight the importance of the ground motion duration effect on hydraulic tunnels subjected to deep-focus earthquakes. In the study, a set of 18 recorded accelerograms with a wide-range of durations were employed. A spectrally equivalent method serves to distinguish the effect of duration from other ground motion features, and then the seismic input model was simulated using SV-wave excitation based on a viscous-spring boundary, which was verified by the time-domain waves analysis method. The nonlinear analysis results demonstrate that the risk of collapse of the hydraulic tunnel is higher under long-duration ground motion than that of short-duration ground motion of the same seismic intensity. In a low intensity earthquake, the ground motion duration has little effect on the damage energy consumption of a hydraulic tunnel lining, but in a high intensity earthquake, dissipation of the damage energy and damage index of concrete shows a nonlinear growth trend accompanied by the increase of ground motion duration, which has a great influence on the deformation and stress of hydraulic tunnels, and correlation analysis shows that the correlation coefficient is greater than 0.8. Therefore, the duration of ground motion should be taken into consideration except for its intensity and frequency content in the design of hydraulic tunnel, and evaluation of seismic risk.

Dynamic Response of Shallow-Buried Tunnels Traversing High Loess Slopes

Considering the existence of numerous shallow-buried tunnels traversing high slopes in the loess area in western China and the fact of high seismic intensity there,we investigate the dynamic response rules of a shallow-buried loess tunnel and its slope under the action of seismic waves with different intensities.Through large-scale shaking table model tests,we successfully analyze the characteristics and process of the destabilization of tunnels and slopes,and propose valuable suggestions regarding the reinforcement parts of a tunnel for reducing seismic damage.The results show that the main seismic damage on a slope include the failure of the sliding surface between the top and foot and the stripping of the soil around the tunnel entrance,while the damage on a tunnel is mainly manifested as the seismic-induced subsidence at the portal section and the cracking deformation at the joint areas.Finally,we propose that the“staggered peak distribution”phenomenon of the maximum acceleration values at the vault and inverted arch area can be considered as a criterion indicating that the tunnel enters into the threshold of dynamic failure.

考虑分岔角度和火源位置的地铁分岔隧道火灾临界风速研究

为探究地铁分岔隧道的分岔角度和火源位置对隧道火灾烟气蔓延的影响规律,使用火灾动力学模拟软件FDS对不同火源位置、火源功率以及分岔角度等火灾场景下的地铁分岔隧道烟气温度分布、临界风速进行研究。研究结果表明:地铁分岔联络隧道的临界风速受表征顶棚最高温升系数α和表征分岔隧道分流量的速度损失系数ζ的耦合影响;临界风速时,隧道火源下游烟气温度符合双指数模型衰减;在本文研究的火源功率范围内,分岔隧道内无量纲临界风速与无量纲火源功率的1/3次方成正比;相同火源功率下,分岔角度对临界风速影响较小,而火源位置对临界风速影响较大,火源位于分岔后的临界风速大小约为分岔前的1/(1-ζ)倍。研究结果可为地铁分岔联络通道的通风排烟系统工程设计提供一定程度的参考。

深中沉管隧道火灾烟气流动与控制数值研究

为了研究采用横向联络排烟道结合侧壁排烟口新型排烟方式对沉管隧道火灾烟气流动的控制效果,以深圳-中山隧道为例,采用理论分析与计算流体力学相结合的方法,通过分析临界风速、烟气逆流长度和烟气分岔低温区域来研究烟气的流动特性。提出了沉管隧道火灾临界风速和烟气逆流长度的修正模型,同时还建立了烟气分岔流动低温区域长度的预测模型。结果表明,当无量纲热释放率小于0.139时,临界风速与无量纲火源热释放速率的1/3次方成正比。当纵向风速从1.5 m/s增加到4.0 m/s时,10、20、30、50 MW火灾时的峰值温度分别降低了35%、48%、46%和43%。在强纵向风速的作用下会发生烟气分岔现象,对隧道中心线和侧壁温度进行分析,得到了分岔流动低温区域长度预测模型,预测结果误差在10%以内。

隧道分岔形式对分流局部通风阻力特性的影响

目的:随着城市建设水平和强度提高,带匝道的分岔隧道日趋增多。针对分岔隧道通风设计难题,亟待获取隧道分岔形式对分流局部通风阻力特性的影响规律。方法:通过搭建同步满足阻力和压力相似的1/13缩尺分岔隧道通风试验平台,构建分岔隧道三维CFD模型,探究了分岔隧道不同分岔形式气流的流动特征和局部阻力系数,并进一步分析了分流结构与减速车道等隧道分岔形式特征对局部阻力系数的影响。结果:表明主线与匝道局部阻力系数随分流比增大呈现先减小后增大的趋势,且在分流比为0.4时达到最小。平行分岔隧道相比定向分岔隧道,主线局部阻力系数差别不大,而匝道局部阻力系数存在较明显的差异,分流比较小时,平行分岔隧道匝道局部阻力更大,分流比较大时则相反。增设减速车道,分流比较小时会减小匝道局部阻力系数,但会增加主线局部阻力系数,分流比较大时则相反。结论:研究结果可为分岔隧道的通风设计提供参考。

Blast responses of shallow-buried prefabricated modular concrete tunnels reinforced by BFRP-steel bars

This paper reports the anti-blast performance of shallow-buried prefabricated modular tunnel reinforced by basalt fiber-reinforced polymer(BFRP)-steel bars.Three concrete arch members with steel bars and three concrete arch members with BFRP-steel bars were fabricated,with the other arch parameters kept constant.The three identical arches were assembled into an integral structure and then buried in soil for field anti-blast experiments.Through the experiment,the pressure on the vault,the displacement and acceleration of the vault,the strain in the reinforcement bars and the macroscopic damage of the arches under the blast load were determined.To evaluate the damage of the arch tunnel,a residual load-bearing capacity test was conducted on the arch members after the explosion experiment.The experimental results showed that the BFRP-steel bars reinforced concrete arch exhibited a higher load-bearing capacity and more safety redundancy than the steel bars reinforced concrete arch,and that the BFRP-steel bars could inhibit the occurrence of concrete cracks to a certain extent.A comparison between the arches assembled at different positions showed that the prefabricated modular tun-nel can be simplified directly as a two-dimensional arch structure under the blast load for analysis and calculation.

建筑物密集区浅埋分岔隧道优化CD法施工力学效应研究

为揭示建筑物密集区浅埋分岔隧道施工力学效应,依托与白帝城长江大桥隧道锚近接的宝塔坪分岔隧道工程,开展优化CD法施工过程三维有限元数值模拟研究。不同循环进尺、先后行洞施工顺序和二次衬砌施作时机等工况下浅埋分岔隧道施工力学数值模拟结果表明:1)隧道开挖进尺与围岩变形和建筑物沉降成正相关关系,对围岩应力影响不明显,隧道选择1.0 m~2.0 m的循环进尺较为合理;2)分岔隧道左、右洞的开挖顺序以及两隧道掌子面距离对围岩变形影响较大,但对建筑物沉降和围岩应力影响很小,施工时应至少将先行洞开挖40 m后再进行后行隧道的开挖;3)隧道二次衬砌施作时机对围岩变形及建筑物沉降有一定影响,对隧道围岩应力几乎没有影响,隧道开挖进尺60 m后施作二次衬砌可行。

主线坡度对分岔隧道主线隧道内顶棚温度分布的影响

为研究主线坡度对分岔隧道主线隧道内火灾烟气蔓延的影响,采用数值模拟,分析分岔前主线不同坡度与火源功率下隧道内的温度分布,提出考虑主线坡度和火源功率的隧道顶棚最高温升预测模型和主线隧道下游温度纵向衰减模型。结果表明:给定热释放速率下,随主线坡度增加,隧道内最高温升逐渐降低;主线隧道坡度越大,火羽流向主线隧道下游倾斜越明显,顶棚下最高温度位置向下游偏移;主线隧道下游烟气层厚度随隧道坡度增加而减小,主线隧道下游纵向温升也随之降低。

列车通过分岔隧道的气动效应研究

长大铁路隧道受特殊地质条件影响可采用分岔隧道建造。然而,列车高速穿越这种复杂构型的隧道时所引起的空气动力学效应尚不清楚。为此,本文采用三维、可压缩、非定常的雷诺时均模型,模拟研究了高速列车从不同方向通过分岔隧道时引起的气动效应。研究内容主要包括入口隧道结构为单线隧道(STE)和双线隧道(DTE)两个运行环境下的车体表面和隧道壁面的压力波动、列车气动力和周围流场特征等。研究结果表明,相比STE场景,DTE场景下车体表面和单线隧道壁面的压力峰峰值更大,并且气动阻力能耗也更大,头车的平均阻力增大19.2%。然而,STE场景下列车的侧向力波动更剧烈,其峰值相比DTE场景增加26%。本文的研究发现可为特殊铁路隧道的设计和建造提供有价值的空气动力学参考。

铁路分岔隧道典型火灾条件下射流风机选型计算研究

该研究提出针对铁路列车火灾在分岔隧道段的排烟分区划分方法,并进行相应的风机匹配计算。通过PyroSim软件进行数值模拟,对火灾在分岔位置上下游的不同位置进行相应的烟气通风控制,验证排烟分区划分方法的可行性。研究结果对于复杂铁路分岔隧道部位通风排烟系统的设计具有实际的参考价值。

分岔超大断面隧道变截面衬砌台车设计及施工技术

结合厦门海沧疏港通道工程B标段分岔超大断面隧道特性,针对分岔段隧道变截面二次衬砌施工,系统地介绍了本项目分岔超大断面变截面衬砌台车设计及施工技术,通过采用不同的设计及施工技术措施,缩短台车组装时间,提高衬砌台车的利用率,提升施工效率,降低施工成本。

小间距隧道爆破动力特性试验研究

分岔隧道是一种新型隧道结构形式。以漆树槽分岔隧道为工程背景,进行了掘进爆破的围岩震动效应试验,通过不同掏槽结构下爆破震动作用隧道围岩衬砌质点振动速度的频谱分析与质点振动速度幅值的分布情况分析,对小间距公路隧道混凝土衬砌及其围岩在爆破地震波作用下的力学特征进行论述,重点研究了小间距隧道中隔墙及爆破掌子面的震动特性及变化规律。试验与分析结果表明,(1)中墙迎爆侧为振速峰值区,以水平径向振速最大,且沿着中墙走向呈现规律性变化;(2)掏槽孔爆破产生的地震效应最为强烈,其震动强度是扩槽眼和周边眼的2倍左右;(3)衬砌振速主振频率主要分布在低频段,以20～95Hz为集中频段,高频地震波衰减极快;(4)同一测试断面中最大振速峰值出现在拱顶和边墙中部位置的概率最大,且大小比较接近,爆破掌子面附近的振速不适合萨道夫斯基预测公式,受爆破夹制及自由面的影响较大。

小间距隧道爆破动力响应分析

基于复线隧道施工爆破对既有隧道稳定性冲击问题,结合沪蓉线庙垭分岔隧道工程实例,研究了其小间距段施工爆破的振动监测方法、爆破动力特性及其减振控制技术。通过对隧道爆破围岩和衬砌质点振动速度波的频谱分析及其振速预测数学模型的改进研究,分析了隧道振速峰值纵向衰减规律、衬砌振速主频、横断面振速分布规律及爆破掌子面附近振动情况,并以小间距既有隧道中墙迎爆侧破坏为基准,从循环进尺、微振起爆、掏槽结构等方面提出了相邻隧道爆破减振技术措施。研究结论可为类似工程的爆破设计、施工及监测提供参考。

分岔隧道变形监测与施工对策研究

分岔隧道是一种新型结构形式的隧道。以八字岭分岔隧道为工程背景,首先介绍了分岔隧道现场变形监测方法;接着分析了在当前支护和施工方案条件下隧道纵向变形特点、大拱段伴随开挖和支护进行表现出来的施工动态响应特点及隧道开挖面表现出来的空间效应特点。最后,在分析隧道变形特点的基础上,给出了相应的施工对策。研究结果为分岔隧道的设计、施工提供了必要的依据。

分岔隧道大拱段围岩稳定性监控与爆破振动效应分析

分岔隧道是一种新型的隧道结构形式,其设计方案、开挖支护方法对围岩稳定性至关重要。以沪蓉西高速公路庙垭隧道为工程背景,基于大拱段跨度大、浅埋等工程特点,通过围岩变形监测、支护体系受力监测和爆破振动现场监测,分析分岔隧道大拱段围岩变形特点和控制措施,并探讨爆破振动对浅埋地表稳定性的影响,得到浅埋大拱隧道施工开挖的围岩变形规律、支护体系受力状态以及其爆破振动效应的特点,判定浅埋山体的稳定性及支护参数选取的合理性。该研究为分岔隧道的现场施工提供了必要的依据,对今后类似工程的设计和施工具有重要的参考价值。

铁晶砂胶结新型岩土相似材料的研制及其应用

根据地质力学模型试验的相似原理,经过大量力学试验,研制出一种新型铁晶砂胶结岩土相似材料。该材料由铁矿粉、重晶石粉、石英砂、石膏粉和松香酒精溶液按规定配比均匀拌和压实而成,其中铁矿粉、重晶石粉和石英砂作为主料,松香酒精溶液作为胶结剂,石膏粉作为调节剂。材料力学参数测试表明:该材料具有重度高、力学参数变化范围广、性能稳定、价格低廉、干燥快速、制作工艺简单、无毒无害等显著优点,可用来模拟从软岩到硬岩的大部分岩体材料。将铁晶砂胶结岩土相似材料应用于沪―蓉―西高速公路大型分岔隧道三维地质力学模型试验研究,有效地揭示了分岔隧道围岩的力学变形特性。

Y型合流分岔隧道临界风速计算模型

临界风速是Y型合流分岔隧道能否有效抑制烟气侵入分岔支路的重要参数。为确定Y型合流分岔隧道临界风速计算公式,对影响Y型合流分岔隧道临界风速的相关因素进行量纲分析,推导出临界风速与火源热释放率、主分隧道高度比、连拱长度及隧道分岔夹角这4个因素的无量纲函数关系式。通过数值模拟得到临界风速最大的火源位置,并对上述4个影响因素进行了量化分析。结果表明:火源距分岔段隧道洞口15～25 m时临界风速最大;当无量纲火源热释放速率小于0. 3时,隧道临界风速与火源热释放率呈现1/3次方关系,当无量纲火源热释放速率大于0. 3时,隧道临界风速不再随火源热释放速率增加而增加;临界风速与分岔隧道高度比近似成-3/10次方关系,与分岔夹角成-3/40次方关系,而与连拱长度无关。进而得到分岔隧道临界风速的无量纲计算模型,且与数值模拟结果吻合良好。

大跨度分岔隧道施工优化与地表沉降控制

为了探寻到能确保大跨度分岔隧道施工过程中使地表沉降控制在所要求的范围内的最优施工方案,首先采用数值模拟方法,对6种工法进行优化比选,初步确定工法1为最优工法,并在此基础上,对引起地表沉降变形显著增大的汇合段的开挖进行了进一步优化,提出了4步工法、5步工法、6步工法、7步工法和8步工法等5种方案,分析了因施工工序的不同而引起的地表沉降变形的规律,提出了8步工法为最优的方案,并对引起地表沉降突变的关键工序采取了相应的技术对策。

火源横向位置对隧道火灾烟气分岔流动影响

当发生隧道火灾时,纵向通风方式常被用于人员疏散和排烟,而纵向风速较大时,烟气将发生分岔流动,导致烟气层整体性被破坏,对人员疏散造成威胁.火源横向位置对隧道火灾烟气流动有显著影响,通过数值模拟对不同火源横向位置时烟气分岔流动特性进行了研究.结果表明,随着火源向侧壁靠近,烟气由对称型分岔流动转变为不对称分岔流动.当火灾发生在侧壁附近时,烟气转变为"S"型流动.随着火源与侧壁间距的减小,分岔流动临界风速呈指数型增加.

纵向风作用下隧道火灾烟气分岔流动试验研究

采用小尺寸模型地铁隧道火灾试验,研究不同纵向风速和不同火源功率下隧道内的烟气层形态特征、烟气温度分布,验证隧道火灾烟气分岔流动机理,分析分岔流动临界风速和临界Richardson数的变化规律;采用数值模拟方法验证分岔流动临界风速和临界Richardson数的变化规律。结果表明:随着纵向风速的增大,羽流撞击区上游的烟气回流逐渐减少,烟气层产生向上的凹陷,当烟气回流完全消失时将发生烟气分岔流动现象;在较大纵向风速下,烟气分岔流动的发生将导致隧道中部烟气量减少,造成火源下游段隧道中心形成低温区;分岔流动无量纲临界风速随无量纲火源热释放速率1/3次方呈线性增长规律;烟气分岔流动临界Richardson数基本不受无量纲火源热释放速率变化的影响,可视为常数0.095。试验得到的烟气分岔流动临界风速和临界Richardson数变化规律与数值模拟结果吻合良好。