松动圈对隧道扩挖施工中既有衬砌结构力学影响的分析

本文首先探讨了当今盾构隧道工程中单层衬砌结构所暴露出的缺陷并分析原因.其次总结现有工程中双层衬砌结构形式,并对双层衬砌结构的两种形式,叠合式衬砌结构、复合式衬砌结构进行力学分析,推导出衬砌结构层间压缩刚度,以及双层衬砌结构层间剪应力和相对滑动位移的关系式,掌握其力学性能.

本文首先探讨了当今盾构隧道工程中单层衬砌结构所暴露出的缺陷并分析原因.其次总结现有工程中双层衬砌结构形式,并对双层衬砌结构的两种形式,叠合式衬砌结构、复合式衬砌结构进行力学分析,推导出衬砌结构层间压缩刚度,以及双层衬砌结构层间剪应力和相对滑动位移的关系式,掌握其力学性能.

主要通过分析某ⅳ级围岩双孔平行隧道,采用midas/gts软件进行二维模型计算得出了爆破振速数据,分析出隧道埋深相同新建隧道与既有隧道间距不同情况下,新建隧道爆破开挖产生的振动对既有隧道衬砌迎爆侧的边墙的墙顶和墙腰之间部位影响最大,既有隧道衬砌的振动速度随着隧道间距的增大而减小。

盾构隧道衬砌管片在施工与运营过程中容易产生纵向裂纹,对管片的承载能力有较大影响。本文依托成都地铁2号线牛王庙—牛市口区间盾构隧道,应用有限差分软件建立裂损管片壳-弹簧计算模型,分析裂纹数量与裂损程度对管片力学特性的影响。结果表明:纵向裂纹会导致其附近管片的内力比无裂纹时明显减小；存在多条裂纹(单一分块仅出现单条裂纹)时,裂纹对管片弯矩影响较大区域的范围并未产生叠加,在同一裂纹影响区单条裂纹与多条裂纹作用效果相近；随着裂损程度的增加,裂纹附近管片的内力逐渐降低,裂纹对管片弯矩影响较大区域的范围有所增加。

深基坑开挖卸载条件下,坑底工程桩对基坑力学变形特性的影响不可忽视.针对坑底无桩和坑底群桩两种基坑模型,利用有限元软件midasnx对比分析了不同开挖工况下的围护结构受力变形、侧向土压力分布、周边地表位移以及土体隆起量.结果表明工程桩减小了围护结构变形、地表位移以及土体隆起量,但增加了结构内力以及侧向土压力.同时工程桩对整个开挖过程都有影响,越挖至坑底工程桩的作用越明显.

第23卷,第1期　　　　　　　　　中国铁道科学vol123no11　 2002年2月　　　　　　　　　chinarailwaysciencefebruary,2002　 文章编号:100124632(2002)0120136204 ?博士学位论文摘要? 隧道火灾后衬砌结构力学特性与损伤机理研究 彭立敏,刘宝琛(博导) (中南大学铁道校区土木建筑学院,湖南长沙　410075) 　　关键词:隧道火灾;衬砌结构;火损试验;损伤机理;模糊评判;可靠度评估 　　中图分类号:u458　　文献标识码:a 　收稿日期:2001211210 　作者简介:彭立敏(19562),男,湖南澧县人,教授。 　　随着我国运输业的发展,铁路隧道内火灾事故 时有发生。隧道发生火灾的类型主要有三种:

深埋蓄排水盾构隧道承受高内水压力及较大的外部水土荷载,与公路、地铁盾构隧道在计算理论、建造技术及运营维护等方面有很大不同。鉴于蓄排水隧道衬砌结构承载模式的变化,文章开展了整环力学行为试验及三维数值分析,研究了内水压作用、错缝拼装及接头螺栓安装方式等对蓄排水盾构隧道力学性能的影响。研究结果表明:通缝拼装的蓄排水盾构隧道从隧道内空水变化至隧道内满水时,隧道的变形大幅增加；内水压0.6mpa时隧道的竖向和水平收敛变形分别为空水时的2.2倍和3.2倍。与通缝拼装的蓄排水盾构隧道相比,错缝拼装时衬砌环的收敛变形减小15%～25%,最大接头张开量及螺栓拉力减小25%～40%。内水压增大会造成蓄排水盾构隧道接头螺栓屈服,最先出现螺栓屈服现象的接头位于衬砌环最大负弯矩荷载作用位置附近；由于盾构隧道的破坏多源于接头螺栓屈服,该接头位置为蓄排水盾构隧道的薄弱点。对于采用双排螺栓连接的蓄排水盾构隧道,拱顶、拱底90°区域范围内靠近接头外弧面位置的螺栓可以不拼装；但两侧拱腰90°区域内靠近接头内弧面位置的螺栓必须安装,否则会造成最大负弯矩荷载作用位置附近的接头螺栓拉力增大5%～14%。

盾构隧道管片在制作、养护、运输及拼装过程中,常会出现裂缝,裂缝的存在在一定程度上会影响管片衬砌结构的整体受力。以中国某地铁越江盾构隧道为工程背景,采用相似模型试验的方法,基于盾构隧道管片的位移、内力及声发射数据,系统分析裂缝数量对管片衬砌结构力学特性的影响规律,并通过管片破坏过程示意图分析管片结构的破坏模式。研究结果表明:管片衬砌结构承载阶段可划分为弹性承载、塑性承载和破坏失稳3个阶段；裂缝的存在降低了管片衬砌结构的整体刚度,随裂缝数量增加,管片衬砌结构的弹性承载范围增加,塑性承载阶段范围减小,损伤破坏的空间影响范围呈增大趋势,结构的失稳破坏趋于突发性破坏,相同荷载下的变形增大,结构的极限承载力降低；裂缝的存在使得管片在预制裂缝位置产生纵向贯通裂缝,随裂缝数量增加,纵向贯通裂缝数量增加,破坏区域由某一位置发展为条带状分布,当拱腰预制裂缝数量达到3条时,裂缝之间管片的相互挤压导致网状裂缝产生,结构局部出现压溃区。

既有通车高速公路隧道工程在扩建施工时，为尽量减少对交通流的影响，常先将一侧隧道扩建完成后开放交通，再进行另一侧隧道的扩建施工。本文以目前国内罕见的沈海高速公路福建泉州至厦门段扩建工程大帽山扩挖隧道为工程背景，对小断面隧道扩挖成大断面小净距隧道施工过程中，扩挖爆破振动对临近既有四车道小净距大跨度隧道的影响进行深入研究。研究表明，扩挖隧道施工爆破不仅对自身新建隧道有强烈的动力响应，同时对既有隧道也有着不可忽视的动力响应。本文在现场监测的基础上利用大型有限元软件ansys／ls－dany研究分析了扩挖隧道与既有隧道沿轴线的和断面的质点振动速度、加速度、位移和最大主应力的变化规律。

内水压作用下城市深埋盾构隧道结构的力学特性较为复杂。以某城市污水处理工程深隧段为依托,建立基于壳-弹簧理论的双层衬砌数值计算模型,对盾构隧道双层衬砌在不同结构层间接触状态、不同围岩条件、不同内水压力等情况下力学特性进行研究。研究结果表明:管片与二次衬砌间层间剪切或压缩刚度越大,结构的整体受力性能越好,二次衬砌的弯矩值相对越小；同等层间压缩或剪切刚度下,有压条件下二次衬砌正弯矩与负弯矩均小于无压条件,且随着层间接触刚度的增加,两者之间的差值逐渐增加；结构层间接触状况是影响管片与二次衬砌间内力分配的首要因素,而外部地层条件的影响相对较小；相对于硬岩加软弱围岩地层而言,上软下硬地层双层衬砌的受力更为不利。

以青海某高速隧道工程为依托,采用三维有限元数值模拟和现场实测的方法,对横通道施工阶段主隧道衬砌结构的变形和受力特性与裂缝分布进行分析。得到如下结果:(1)横通道施工的初期使主隧道衬砌的变形、主应力加剧,随着开挖深度的增加,逐渐趋于稳定;(2)横通道的施工导致主隧道衬砌产生变形、应力变化;(3)横通道的施工使主隧道衬砌产生不对称的变形、内力;(4)变形、应力变化比较大的位置也是裂缝分布比较多的位置。研究成果对类似工程的设计与施工具有借鉴作用。

新建盾构隧道施工过程对既有隧道的变形影响研究对既有隧道的保护具有重要的意义。应用复变函数保角映射理论和schwarz交替法相结合的方法,首先推导浅埋新建盾构隧道施工过程对既有隧道变形影响的解析解,推导过程中考虑了地层初始应力场以及新建隧道施工过程中不同阶段的影响;接着,应用matlab数学工具,编制了推导的解析解公式的计算程序,计算了新建盾构隧道施工过程中既有隧道的变形。结合上海人民路越江隧道工程的地质条件,分析了新建隧道开挖过程中盾尾注浆和盾尾脱出两个过程对既有隧道变形影响的附加应力及位移。结果表明,既有隧道变形受到两隧道净间距的大小的影响显著,随着净距的减小,既有隧道洞边径向变形急剧增大。新建隧道施工中盾尾脱开导致既有隧道洞顶变形最大,而盾尾注浆导致既有隧道右侧洞腰变形最大。不同洞径和相同埋深时,随着洞径的增大既有隧道受到新建隧道开挖的影响越大。相同洞径和不同埋深下,既有隧道受到新建隧道开挖影响的变化较小。

21世纪越来越多隧道的修建,为我国交通事业做出杰出贡献。隧道修建过程中,隧道衬砌结构开裂现象已屡见不鲜。本文中某隧道衬砌开裂错综复杂,采用数值分析方法在竖向裂缝、纵向裂缝以及环向裂缝情况下,分析隧道衬砌出现裂缝对隧道安全运营造成的必要的影响。计算结果表明:三种典型裂缝条件下,衬砌结构的安全系数均大于规范值2.0,进而隧道衬砌结构仍能满足承载能力要求。

随着社会经济的发展,城市及山区的道路、桥梁建设范围在不断扩大.与此同时,隧道施工的方法也在逐渐改进中.本文主要就复线隧道施工的必然性、爆破振动监测情况和既有隧道的影响因素等方面进行了论述.

大理至丽江高速公路龙翔隧道上跨广大铁路浴龙山隧道,与既有隧道衬砌最小净距为19.6m。根据经验法,分析了新建隧道对既有隧道的影响。借助数值分析方法,分析了既有隧道受影响的规律,把握了影响分析的重点。根据经验及数值模拟结果,提出既有隧道比较合理的变形预警值和容许值,既有隧道受影响的位置、范围及尺寸。

文章以麻竹山隧道上跨厦深铁路隧道工程实例为背景,通过三维数值动力计算分析,对新建隧道开挖爆破对既有隧道的安全性影响进行了分析。研究了在爆破荷载作用下,既有隧道二衬不同部位的速度时程曲线,研究结果表明:施工爆破荷载作用下,隧洞结构振动以竖向振动为主,与荷载振动方向相同且结构各部位振动强度随离荷载距离的增加而迅速衰减,并依此提出了工程建议。

结合襄胡二线新刘家沟隧道实际工程,通过对既有花果隧道的四次爆破振动测试分析及一次爆破验证,说明爆破振动的参数设计是合理的,质点的振动速度能够客观反映现场的地质状况和衰减规律,新建隧道施工爆破对爆心距最小的左边墙影响最大。随着测点与爆心距的增大,质点振速衰减明显,质点振动幅值依次减小。建议在新建隧道洞口段进行分段爆破,限制每次爆破最大段装药量,以保证既有隧道结构的稳定安全和正常运营。

在单一隧道及两重叠隧道施工后的弹性二次应力状态和单一隧道施工后弹塑性二次应力状态及三次应力状态的分布规律的基础上,进行了交叉隧道的施工力学研究。分析了新建隧道正交下穿施工影响安全的主要因素(围岩类别及支护阻力),同时隧道覆土厚度、隧道间相对距离和土体强度对隧道相互作用也有较大影响,应引起足够的重视。进而提出了预防新建隧道正交下穿施工引起既有隧道应力变化较大的措施。为类似的交叉隧道施工的风险评估和安全管理提供经验和技术参考。

随着工程建设的不断推进，工程之间的相互影响成为不可避免的问题，以至近接施工的研究越来越多．本论文结合管线从风道结构与加强层结构间穿过的实例，分析了近接施工对既有结构物的影响，得到施工影响范围及既有结构的沉降变化规律，以期对以后的近接施工起到借鉴作用。

研究目的:文章以合武铁路大别山隧道为背景,对ⅳ级围岩条件下采用的单层衬砌结构的接触力学特征、不同施工阶段的受力特征以及围岩稳定性等进行研究,并对单层衬砌结构的力学特征进行探索,以期为类似工程的设计和施工提供参考。研究结论:(1)相对于复合式衬砌而言,单层衬砌接触压力普遍较大,最大压力易出现于拱脚处,最小压力易出现于仰拱处,而其二衬的内力显著小于复合衬砌。(2)单层衬砌结构内力在隧道施工的不同阶段,初期支护与二衬的内力先按时间分配,后按刚度分配。(3)隧道左右拱腰侧与拱脚处的围岩的yai值较小,容易发生失稳,应加以防范。

文章以乌鲁木齐轨道交通2号线高铁站—华山路区间隧道为工程依托背景,隧道穿越断层带破碎节理发育较好的岩体地层,分析了碎裂结构岩体的基本力学特性,得到了碎裂结构岩体变形破坏的模式,并建立碎裂结构岩体隧道模型,基于离散元的方法,分析不同埋深下,即不同围岩压力下,隧道衬砌内力的变化规律,得出了一些适用于碎裂结构岩体隧道施工的重要结论,以期指导同类工程.

基于多尺度混合建模技术和非线性接触理论,建立考虑管片接头细部构造和静动应力累积的盾构隧道精细化数值计算模型,研究盾构正交下穿施工扰动下,既有隧道管片结构(含接头)的静动力力学特性。研究结果表明:新建盾构隧道的下穿施工将引起既有隧道管片结构纵向不均匀下沉,并伴有一定的扭转;管片接头变形、螺栓内力和接头混凝土应力均表现出波动性增长,其峰值出现在既有隧道中部及其前后约6m处;下穿施工扰动下,既有隧道管片拱腰处纵缝接头张开量的增加与拱底环缝接头错台量的增长分别对隧道的防水及螺栓受力不利;螺栓所在位置拉应力集中明显且显著增长,接近管片混凝土极限抗拉强度。在列车荷载作用下,管片接头变形,螺栓内力和管片应力3项指标表现出相似的变化规律,在轮轨经过时,量值迅速增大并产生剧烈波动,其中螺栓剪力和动拉应力在轮轨荷载交替时存在一定叠加效应。