Semi-analytical solution for internal forces of tunnel lining with multiple longitudinal cracks

Longitudinal cracks on the tunnel lining significantly influence the performance of tunnels in operation.In this study,we propose a semi-analytical method that provides a simple and effective way to calculate the internal forces of tunnel linings with multiple cracks.The semi-analytical solution is obtained using structural analysis considering the flexural rigidity for the cracked longitudinal section of the tunnel lining.Then the proposed solution is verified numerically.Using the proposed method,the influences of the crack depth and the number of cracks on the bending moment and modified crack tip stress are investigated.With the increase in crack depth,the bending moment of lining scetion adjacent to the crack decreases,while the bending moment of lining scetion far away from the crack increases slightly.The more the number of cracks in a tunnel lining,the easier the new cracks initiated.

浅埋无中导洞连拱隧道先行洞衬砌承担围岩荷载确定方法

不同于常规隧道衬砌结构,无中导洞连拱隧道先行洞衬砌施作稳定后还要受到邻近后行洞开挖的二次扰动,后行洞开挖对先行洞衬砌受力的影响不可忽视。依托杨家寨公路隧道工程,基于考虑了后行洞开挖影响的隧道围岩压力计算方法,结合现场监测位移数据采用荷载-结构法进行位移反分析,提出了一种确定浅埋无中导洞连拱隧道先行洞衬砌承担围岩荷载的方法,最后和衬砌背后围岩荷载现场监测值进行对比验证。研究结果表明:后行洞开挖对先行洞衬砌承担围岩荷载的影响较为显著,监测点增长幅度均值高达142%;先行洞衬砌受力呈现“拱腰较小,拱顶及拱肩较大”的分布规律,且靠近后行洞一侧拱肩位置受力最大;通过现场监测位移反分析得到的先行洞衬砌受力结果和现场监测结果较为一致,论证了该方法的合理性和实用性,研究成果可为无中导洞连拱隧道结构设计提供参考。

浅埋暗挖隧道开挖对既有隧道衬砌结构的影响

浅埋暗挖隧道开挖会引起周边既有构建筑物变形,严重时会导致其变形过大而破坏。以某地下轨道交通工程为依托,利用仿真软件以及实地勘探,对既有隧道衬砌结构受力变形情况、实际施工过程中地表的下降情况、暗挖隧道位移和既有隧道衬砌结构位移情况进行研究。研究结果表明:1)采用隧道错距开挖的方式会造成隧道的沉降量变大;2)在隧道开挖后,既有隧道衬砌结构受新隧道影响,其左侧部分竖向位移整体大于右侧部分,竖向最大位移处在隧道初始位置,竖向最小位移处在隧道末端;3)对于浅埋暗挖上跨施工,当开挖距离大于新建隧道中轴线35m时,开挖新隧道对上跨既有隧道衬砌结构横向位移影响较小;4)当开挖深度到达一定距离后,拱底、左拱腰和右拱腰的应力基本保持不变;5拱底的应力不随开挖距离的深入而发生变化。

中美隧道二次衬砌结构设计规范对比研究

隧道设计规范是开展设计工作的依据,将我国隧道相关设计规范与国际先进国家技术标准对标,有助于提高我国工程建设企业的国际化竞争力。通过文献调研和计算分析对比研究了中美隧道二次衬砌结构设计的异同,并且从设计准则、极限状态划分、设计使用年限、材料特性、荷载分类和组合以及结构设计方法等方面展开对比,结合工程实例研究分析,结果表明:《公路隧道设计规范》(JDG 3370.1—2018)的设计参数更加保守、安全,能更好的保证隧道衬砌结构的安全性和耐久性,更有利于隧道二次衬砌的长期安全服役。

火灾作用下隧道衬砌结构变形理论分析模型

火灾作用下衬砌材料力学性能的劣化会引起隧道结构的损伤,变形量的增大,危害隧道运营安全。基于几何和材料非线性理论,综合考虑火灾作用下衬砌结构中温度的非线性分布,材料力学性能的高温劣化及热膨胀等因素的影响,提出用于描述火灾作用下隧道衬砌结构变形行为的理论分析模型。在此基础上,给出半圆形隧道在火灾作用下截面转角及径向变形的解析解,分析火灾持续时间对衬砌变形行为的影响规律,可为隧道结构防火设计及灾后评估提供理论依据。

黄土连拱隧道二次衬砌的结构分析与监测研究

大跨连拱隧道受结构和跨度的影响,其初期支护与二次衬砌各自承受不同的围岩压力。通过数值计算和现场监测分析表明,二次衬砌所受荷载很大,在初期支护和二次衬砌间存在不均匀压力,二次衬砌也是隧道的主要承载结构。二次衬砌所受荷载大小与其施筑时间有很大的关系,在设计和施工中要合理掌握二次衬砌所承担的荷载比例和以及施筑时间。

列车振动荷载作用下隧道衬砌结构动力响应特性分析

论述隧道衬砌结构动力有限元分析的理论与数值计算方法,并以京广线朱亭隧道列车振动荷载现场测试成果为基础,通过对3种不同断面形状的隧道衬砌结构的动力响应特征进行分析研究,可获得隧道衬砌结构竖向位移、竖向加速度及各种内力时程曲线。研究成果对评价既有提速铁路隧道衬砌结构的动力稳定性和完善铁路隧道结构的设计理论具有一定的指导意义。

软弱围岩条件下连拱隧道施工阶段的受力分析

使用弹塑性有限元方法对某双跨连拱隧道进行了数值模拟计算 ,分析了支护结构与围岩在不同施工阶段的受力、变形及塑性区的变化状态 。

火灾下盾构隧道管片衬砌热力耦合数值分析

结合盾构隧道工程实例,利用ANSYS有限元分析软件,建立了隧道衬砌结构的有限元实体模型,对隧道内施加温度荷载,先分析衬砌结构内部温度场的分布情况,在温度场分析的基础上,进一步对混凝土管片衬砌结构进行力学分析,分别得出衬砌结构内的温度分布规律及衬砌结构在高温作用下的应力变化规律,进一步研究其在火灾作用下的破坏部位,从而为评估盾构隧道在火灾作用下的安全性提供理论依据。

钢筋混凝土盾构衬砌结构的三维数值分析

结合地铁盾构隧道工程实例,应用三维有限元模型和ANSYS程序分析了上部和周围土体荷载作用下钢筋混凝土衬砌的应力、应变分布与开裂规律。模型考虑了衬砌与周围土体的共同作用、土体和钢筋混凝土材料的弹塑性性质,通过刚度折减考虑了管片接头不连续性对衬砌应力、应变与开裂性质的影响。

不等跨连拱隧道衬砌结构可靠度分析

应用基于神经网络的随机有限元理论,把截面抗压强度条件视为承载能力极限状态,截面受拉开裂条件视为正常使用极限状态,进行高速公路不等跨连拱隧道衬砌结构可靠度分析,得出了衬砌结构可靠度指标的分布规律和衬砌结构的破坏规律。按照抗压强度条件计算,大洞比小洞相应单元的可靠指标小一些,说明大洞破坏的可能性比小洞大一些,不等跨效应明显。隧道的最小可靠指标在大洞的侧墙处,即大洞的侧墙很可能最先被压坏。抗裂可靠指标最小的单元在拱顶,尤以大洞拱顶单元最小,拱顶和拱腰是最容易拉裂破坏的地方。

隧道锚固系统的协同作用及设计方法

基于隧道围岩的复合结构特性,阐明了隧道锚固系统协同作用原理,建立了锚固体系协同作用力学模型,得到了锚固体系与围岩相互作用的全过程解答。隧道围岩由内部稳定性较差的浅层围岩和外侧承载能力较强的深层围岩复合而成,锚杆通过"组合梁"或"压缩拱"效应形成"围岩整体结构",锚索则将此结构悬吊至外侧稳定的深层围岩,其协同作用核心为调动深层围岩承载;基于锚杆参数敏感性分析,指出增大锚杆长度、预应力以及布置密度可显著减小围岩变形,而锚杆直径对围岩变形影响较小,计算表明锚杆长度以穿过浅层围岩伸入深层围岩第1组结构层为宜,合理的锚杆参数取值具有明显的匹配效应;锚固体系协同作用本质为变形协调和荷载的合理分配,锚杆、锚索支护参数相互匹配时能充分发挥组合构件效能,提高围岩稳定性;将围岩变形量和支护协同度作为评价指标,建立了锚固体系协同效果评价体系,并提出了基于锚固系统协同作用的隧道锚固参数确定方法,通过具体算例验证了该文的合理性和可靠性。该文研究成果对隧道锚固系统的协同作用给出了全面认识,可为隧道和地下工程中锚固体系的定量设计提供理论依据。

隧道复合衬砌运营期可靠性评价方法

一些隧道的二次衬砌作为重要的结构参与工作,承担荷载。提出了复合衬砌运营期可靠性评价方法,采用不等宽的脉冲随机过程描述钢筋混凝土衬砌的劣化,用施工资料和监测数据+基于连续介质模型的有限元计算+响应面法获得荷载效应的显式,给出了严格意义的可靠性计算公式,并给出算例。

基于随机有限元理论的连拱隧道结构可靠性分析

应用基于神经网络的随机有限元方法,把截面抗压强度条件视为承载能力的极限状态,把截面受拉开裂条件视为正常使用的极限状态,进行某高速公路连拱隧道衬砌结构可靠性分析,得出了衬砌结构可靠度指标的分布规律和衬砌结构的概率破坏规律。按照抗压条件计算,衬砌结构的最小可靠度指标位于拱墙的侧部,而最大可靠度指标位于拱顶部位,说明隧道衬砌结构的受压破坏容易发生在拱墙的侧部;按照衬砌结构的抗裂条件计算,衬砌结构的最小可靠度指标位于拱顶部位,而最大可靠度指标位于拱墙的侧部,说明隧道衬砌结构的受拉破坏容易从拱顶部位开始,而拱墙侧部产生受拉开裂的可能性较小。

隧道支护结构荷载作用的随机反演

提出荷载－结构模式进行随机反分析方法，从隧道支护结构变形反算对应的荷载作用，可反推围岩抗力系数和覆土荷载的分布情况，以及作用于支护结构上各部位的外荷载。提出了以实测位移为基础的样条函数插值．以插值位移补充大量的实测值，满足了反分析所需众多的已知位移数。通过一施工实例对该方法的可行性进行了检验。

乌鞘岭特长隧道F7断层围岩大变形段二次衬砌安全度分析

乌鞘岭特长隧道11#斜井处正洞在穿越F7断层时,由于隧道埋深大,断层岩体破碎,岩体完整性差,围岩自稳能力弱,受挤压影响等,开挖后围岩变形长时间不收敛,50d后的变形仍有2—4mm/d,累计最大变形量已超过60cm,部分地段严重侵限,不能满足《铁路隧道设计规范》关于二次衬砌施做的规定。如果二次衬砌及时施做,在软岩大变形条件下其安全度问题值得进一步探讨。本文通过现场量测和监测手段,并结合理论计算与分析,对已施工完毕的二次衬砌段的结构安全度进行了探讨,结果认为,目前乌鞘岭隧道F7断层二次衬砌结构的设计参数是可行和安全的,满足《规范》所规定的在软弱围岩地段的要求,建议及时施做二次衬砌。

纤维混凝土在盾构隧道衬砌管片中的应用研究

由于传统盾构隧道混凝土管片存在的问题,新型管片的研究成为盾构隧道技术研究的一个重要方向。纤维混凝土管片的研究和应用在国内实例较少,尚处于起步阶段。文章通过材料试验,研究了纤维混凝土的抗压性能和高温下的抗爆裂性能,为纤维混凝土管片的应用提供试验依据;通过对纤维混凝土盾构隧道管片的承载力和裂缝宽度的结构分析,得出一些结构设计方面的建议。文章探讨了纤维混凝土管片的应用可能及相关问题,对推动我国新型隧道管片研究和应用具有实际的意义。

隧道二衬结构受力影响因素的敏感性分析

基于荷载-结构模型及有限元分析手段,以200 km时速青荣城际铁路隧道二衬为研究对象,运用敏感系数法对二衬结构受力影响因素的敏感性进行了分析。主要考虑围岩弹性抗力系数、二衬厚度、二衬弹性模量及侧压力系数4个影响因素,并根据实际工程进行取值。分析表明,对拱顶弯矩而言,各因素的敏感性依二衬厚度、围岩弹性抗力系数、侧压力系数及二衬弹性模量而减小;对拱顶轴力而言,各因素的敏感性依侧压力系数、围岩弹性抗力系数、二衬厚度及二衬弹性模量而减小;对拱项竖向位移而言,各因素的敏感性依围岩弹性抗力系数、二衬厚度、侧压力系数及二衬弹性模量而减小;对拱顶截面安全系数而言,各因素的敏感性依围岩弹性抗力系数、侧压力系数、二衬厚度及二衬弹性模量而减小。

基于Burgers蠕变模型的圆形隧道内力分析方法对比研究

以高黎贡山TBM施工的特定段圆形隧道为工程对象,基于围岩蠕变的Burgers模型,提出了隧道衬砌内力计算的地层结构分析法和荷载结构分析法,对比研究两种分析方法的异同点和特点,得出以下结论:(1)地层结构分析法能模拟地层自重应力及其重分布、隧道开挖和支护效应,并能通过蠕变的非线性迭代获得隧道衬砌内力结果,在隧道开挖后围岩蠕变的整个过程中,模拟精度较高,但计算耗时稍长;(2)荷载结构分析法不能考虑地层自重应力以及隧道开挖支护效应,建模相对简单,计算耗时短,但计算前需准备等效节点荷载,对蠕变早期的模拟精度相对较差,对蠕变中后期的模拟结果与地层结构分析法较为一致;(3)综合考虑各种因素,建议围岩蠕变下的隧道衬砌内力分析优先选用地层结构分析法。

新建隧道施工对邻近既有隧道安全性影响数值分析

新建隧道与既有隧道间距较近时 ,新建隧道的施工可能导致既有隧道结构的破坏 ,对此进行了计算分析 ,分析结果表明 :新建隧道开挖将引起围岩应力重分布 ,使既有隧道衬砌结构的安全性降低 ,其降低程度与两隧道间距有关。当两隧道间距一定时 。