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浅埋偏压连拱隧道地震响应规律研究

自然灾害学报 2020年第4期29卷 161-172页

作者：杨慧刘潺江学良石洪涛孙广臣中南林业科技大学土木工程学院湖南长沙410004 中南林业科技大学岩土工程研究所湖南长沙410004 大汉城镇建设有限公司湖南长沙410200

基于相似理论,设计并制作了几何相似比为1:20的浅埋偏压连拱隧道物理模型,完成了振动台试验并测得衬砌的应变响应与加速度响应。在试验基础上,通过MIDAS GTS NX有限元软件建立数值模型,验证了数值模型的合理性与可靠性,研究了浅埋偏压... 详细信息

基于相似理论,设计并制作了几何相似比为1:20的浅埋偏压连拱隧道物理模型,完成了振动台试验并测得衬砌的应变响应与加速度响应。在试验基础上,通过MIDAS GTS NX有限元软件建立数值模型,验证了数值模型的合理性与可靠性,研究了浅埋偏压连拱隧道的地震响应规律。结果表明:(1)上覆土层厚度、偏压、衬砌与临空面的距离对浅埋偏压连拱隧道加速度响应的影响较大。(2)浅埋偏压连拱隧道中墙上的应变由于截面几何形式突变与集中力的原因,相对其余测点较大。(3)大小主应变与加速度放大系数趋势线的整体形状不随激振强度的增加而改变。(4)偏压与覆土厚度对连拱隧道位移的影响较小。(5)浅埋偏压连拱隧道中隔墙的应变、轴力、剪力和弯矩相对其他部位均较大,在进行浅埋偏压连拱隧道的抗震设计时,应给与重视。

关键词：地震工程地震响应规律振动台试验数值模拟浅埋偏压连拱隧道

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小半径曲线上浅埋偏压连拱隧道变形监测与控制分析

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公路 2010年第10期55卷 249-253页

作者：张慧丽胡亚峰黄守刚石家庄铁道学院交通工程分院石家庄市050043 中交隧道工程有限公司北京市100088

结合工程实例,介绍了小半径曲线上浅埋偏压连拱隧道的变形监测与控制措施。根据现场监测数据,对浅埋偏压连拱隧道主体扣拱的拱顶沉降与洞周收敛变形规律进行了分析研究。结果表明,对于位于小半径曲线上的浅埋偏压连拱隧道,采用"假拟洞门... 详细信息

结合工程实例,介绍了小半径曲线上浅埋偏压连拱隧道的变形监测与控制措施。根据现场监测数据,对浅埋偏压连拱隧道主体扣拱的拱顶沉降与洞周收敛变形规律进行了分析研究。结果表明,对于位于小半径曲线上的浅埋偏压连拱隧道,采用"假拟洞门"的进洞方式可以实现对原始地面最小扰动下安全进洞;在偏压地段连拱隧道左右洞施工顺序不同对围岩内力及偏压产生明显的影响,隧道在开挖初期由于左右围压差别较大,地表沉陷出现较为明显的波动,而随着掌子面与监测断面的距离加大,地表沉降逐渐趋于稳定;实践证明,在施工中做好初期支护和二衬,可有效地控制变形的发展。

关键词：小半径曲线浅埋偏压连拱隧道假拟洞门变形监测变形控制

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山区浅埋偏压连拱隧道锚喷支护的优化研究

山区浅埋偏压连拱隧道锚喷支护的优化研究

作者：邓统辉中南大学

学位级别：硕士

连拱隧道是随着我国公路建设的迅速发展而出现的新型大跨度隧道形式。但是由于浅埋、偏压、高跨比小、地质条件和结构受力复杂的特点,对偏压连拱隧道的应用和研究还处在探索和初级阶段,尤其对结构设计和施工过程中的力学特点和规律尚缺... 详细信息

连拱隧道是随着我国公路建设的迅速发展而出现的新型大跨度隧道形式。但是由于浅埋、偏压、高跨比小、地质条件和结构受力复杂的特点,对偏压连拱隧道的应用和研究还处在探索和初级阶段,尤其对结构设计和施工过程中的力学特点和规律尚缺乏系统和全面的研究。本文依托怀新(怀化—新晃)高速公路界牌坳双连拱隧道工程,采用有限元数值分析研究方法和技术手段,对偏压情况下的双连拱隧道结构受力及结构优化进行了探讨。论文介绍了国内外在连拱隧道、隧道结构优化和数值模拟方法等方面的研究现状。结合工程实际,考虑到界牌坳连拱隧道特定的工程地质条件,通过对界牌坳隧道偏压和不偏压两种计算模型有限元数值计算结果进行对比研究,得出了浅埋偏压连拱隧道支护体系的受力和变形特性,提出了改变锚杆长度、角度、喷射混凝土厚度的优化建议。对优化方法进行了探讨,进行了以锚杆轴力求和为目标进行优化的可行性论证。编制了ADPL优化程序,实现了隧道锚杆长度、角度和喷射混凝土厚度的自动优化,得到了更适应偏压荷载的锚喷支护。最后,文章总结了偏压连拱隧道优化的优化方案和意义,结合界牌坳浅埋偏压连拱隧道有限元模拟分析数据结果,提出了论文中存在的几个问题和自己的建议。本论文的研究成果是对界牌坳隧道这类偏压连拱隧道进行适应偏压的改进,为以后避免此类隧道由于结构形式不合理而发生的工程事故节约建筑材料有重要意义,也对今后类似隧道工程的设计具有一定的指导意义。

关键词：浅埋偏压连拱隧道结构优化锚喷支护数值分析 ANSYS

设置泡沫混凝土减震层的浅埋偏压连拱隧道地震响应研究

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设置泡沫混凝土减震层的浅埋偏压连拱隧道地震响应研究

作者：周旺中南林业科技大学

学位级别：硕士

连拱隧道因其平面线形顺畅,占地面积少,便于运营管理等优点,越来越多的被采用。地震是一种破坏力大且防御难度也大的自然灾害,隧道一旦遭受地震灾害破坏便难以修复,而连拱隧道因为其不同于普通隧道的结构形式而在地震灾害下会产生不同... 详细信息

连拱隧道因其平面线形顺畅,占地面积少,便于运营管理等优点,越来越多的被采用。地震是一种破坏力大且防御难度也大的自然灾害,隧道一旦遭受地震灾害破坏便难以修复,而连拱隧道因为其不同于普通隧道的结构形式而在地震灾害下会产生不同的地震动力响应。目前已有对浅埋偏压连拱隧道的减震研究还比较少,因此对其地震响应的研究以及减震措施的研究具有重要意义。本文在湖南省自然科学基金项目“浅埋偏压隧道泡沫混凝土减震层地震响应特性与减震机理”的依托下,设计并开展了浅埋偏压连拱隧道在有无泡沫混凝土减震层之下的振动台试验,并采用数值模拟进一步研究了连拱隧道在不同方向地震波作用时不同弹性模量与厚度的泡沫混凝土减震层下的减震效果。主要研究工作与结论如下。1.基于相似理论,根据振动台性能参数与实际情况设计并制作了几何相似比为1:20的浅埋偏压连拱隧道物理试验模型,选取Kobe波和EI波作为台面输入地震波开展了大型振动台试验。探明了浅埋偏压连拱隧道在有无减震层,不同地震波类型及不同地震强度下的加速度和动应变响应规律。研究表明,连拱隧道竖向加速度平均整体大于水平加速度,连拱隧道受到的竖向地震波作用强于水平向地震波。浅埋偏压连拱隧道在设置减震层后,对不同测点水平加速度,竖向加速度及应变有不同的减震效果,地震波在泡沫混凝土多孔结构的反射与折射的耦合下产生了不同程度的减弱与增强,且在地震强度越大的情况下,减震层减震吸能效果越好。2.通过MIDAS-NX有限元软件建立浅埋偏压连拱隧道数值模型,数值模型中的衬砌与围岩采用实体单元,采用的本构关系中衬砌为弹性而围岩则采用的为莫尔库伦本构模型。边界条件采用自由场,选用5%作为模型的临界阻尼比,其围岩,衬砌,减震层参数的选择与振动台试验一致。建立了不同地震波方向作用下隧道无减震层,不同弹性模量减震层下共五种模型进行分析,研究表明:设置减震层虽然不能从本质上改变衬砌的动力响应,但是由于它本身材质的减震吸收缓冲的原理,能够对隧道衬砌起到优良的减震效果;在地震波作用下,随着减震层弹性模量增大,衬砌水平位移略微增大,竖向位移略微减小,剪力减小明显,弯矩与轴力变化不大且内力主要为中隔墙受到影响,第一主应力与第三主应力增大明显。所以在减震层的设置中,应密切关注中隔墙的受力状况。通过比较,可以得出减震层为30Mpa弹性模量时减震效果最优,适当的减小减震层弹性模量可以减小应力但会略微增加衬砌剪力。3.建立了不同地震波方向作用下隧道无减震层,不同厚度减震层共五个数值模型进行分析,研究表明:在地震波作用下,随着减震层厚度增大,衬砌水平与竖向位移略微增大,剪力减小显著,弯矩与轴力中隔墙顶端增大,底端减小,第一主应力局部增大但应力分布更加均匀,对第三主应力影响较小。但厚减震层度越大,减震效果越不明显,所以适当增大减震层厚度,能够有效减小与改善衬砌内力与应力,隧道设置了减震层之后不光能有效减小衬砌的剪力,弯矩与轴力,还可以使衬砌内力分布的更加均衡合理,对应力的削弱效果也比较明显。通过比较,可以得出厚度为16cm减震效果最优,且局部增设减震层厚度也具有不错的减震效果,可根据工程实际具体运用。

关键词：浅埋偏压连拱隧道泡沫混凝土减震层振动台试验数值模拟减震措施

设置减震层的浅埋偏压连拱隧道地震响应规律研究

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设置减震层的浅埋偏压连拱隧道地震响应规律研究

作者：刘潺中南林业科技大学

学位级别：硕士

连拱隧道相比单洞隧道、小净距隧道等常规隧道,具有诸多优点,因此,近年来,连拱隧道的数量与里程数在全国范围内日益增加。我国疆土辽阔、地形复杂、东南地区又多山地丘陵,在连拱隧道的建设中,不可避免的会遇到浅埋偏压的地形条件。而连... 详细信息

连拱隧道相比单洞隧道、小净距隧道等常规隧道,具有诸多优点,因此,近年来,连拱隧道的数量与里程数在全国范围内日益增加。我国疆土辽阔、地形复杂、东南地区又多山地丘陵,在连拱隧道的建设中,不可避免的会遇到浅埋偏压的地形条件。而连拱隧道结构复杂,在遭遇地震时,相比普通隧道更容易遭受破坏。因此浅埋偏压连拱隧道在地震作用下的稳定成为人民生命财产安全的保证,而现有的研究成果还远不能满足工程的需求。因此,探究浅埋偏压连拱隧道的地震响应规律及其减震措施刻不容缓。本文以国家自然科学基金“含地下洞室（群）岩石边坡地震灾变行为与抗震性能评价”（编号:51204215）为依托,利用大型振动台试验和MIDAS GTS/NX有限元软件研究了设置减震层的浅埋偏压连拱隧道的地震响应规律。研究成果对深入了解浅埋偏压连拱隧道的地震响应规律以及泡沫混凝土减震层的减震效果具有一定的工程意义。主要研究内容及成果如下:（1）基于相似理论的三大定理、振动台试验的试验目的与实际试验情况,确定了模型的几何相似比为1:20,并根据几何相似比与其余基本相似比确定了模型的相似关系。在相似关系的指导下,通过配比试验与单轴压缩试验,研究了满足振动台试验的强度要求以及变形要求的泡沫混凝土减震层配合比。泡沫混凝土单轴压缩试验结果表明:250kg/m3、300kg/m3和350kg/m3的三种密度的泡沫混凝土均具有较好的延性。其中350kg/m3的试件具有合适的强度（0.5MPa）且变形能力较好,以此作为连拱隧道振动台试验的减震层材料,验证泡沫混凝土在实际隧道工程中作为减震材料的可行性。同时配制出了符合振动台试验要求的衬砌和围岩材料。（2）根据振动台试验的试验特性以及现有研究方法,选取刚性模型箱作为试验载体,并将模型箱做如下处理:模型箱底部先铺4cm厚细石,在细石上铺筑一层细沙加工成摩擦边界以减少底部滑动;模型箱内侧壁粘贴10cm厚聚苯乙烯泡沫板加工成柔性边界,吸收钢板侧壁反射的地震波,降低其对模型的影响;在柔性边界的基础上,在模型箱长边内侧壁的表面粘贴一层聚氯乙烯薄膜形成滑动边界,以此降低柔性边界与模型之间的摩擦。边界处理完成后,将围岩铺筑并埋入模型后完成振动台试验。根据振动台试验的结果,详细分析了设置泡沫混凝土减震层与未设置泡沫混凝土减震层的浅埋偏压连拱隧道的加速度响应、动应变响应以及减震层对两者的影响规律。研究表明,浅埋偏压连拱隧道竖直方向的加速度响应、动应变响应与水平方向差异较大,且竖直方向的响应强度大于水平向;减震层不改变加速度时程曲线的频谱特性,只影响其峰值大小;减震层不仅可以降低衬砌的应变响应峰值,还能使衬砌在0.4g-WC-XZ激振时,振动基线在达到峰值应变之后回到起始位置,阻止该工况完成后塑性变形的产生。说明泡沫混凝土减震层能在一定程度上延缓衬砌进入塑性破坏阶段。（3）采用MIDAS GTS/NX建立了与振动台试验相匹配的数值模型,通过与振动台试验所测的加速度响应规律对比,得出数值计算结果与振动台试验结果的误差在一个数量级内,验证了数值模型的可靠性。基于可靠的数值模型,补充研究了设置减震层的浅埋偏压连拱隧道的位移响应与内力响应。结果表明,无减震层的模型中,各测点的位移值随激振强度的增加而不断增大,设置泡沫混凝土减震层的模型中,竖直位移响应规律与未设置减震层的模型响应规律相似,但水平位移受泡沫混凝土减震层的影响较大。无减震层模型的内力（轴力、剪力和弯矩）以中隔墙最大,且大小随激振强度的增大而不断增大。有泡沫混凝土减震层模型的左洞中隔墙和右洞中隔墙顶的内力峰值也较大,但右洞中隔墙底的内力值较小。0.1g与0.2g低强度激振时,泡沫混凝土减震层对位移响应的减震效果较小。0.4g与0.6g高强度激振时,减震层则可以较大幅度降低隧道衬砌结构的位移峰值,且激振的强度越大,降低的幅度越大。泡沫混凝土减震层对不同性质的内力的减震效果不同,在进行抗震设计时,应当分别考虑。

关键词：泡沫混凝土减震层浅埋偏压连拱隧道地震响应振动台试验数值模拟

顺层地质条件下浅埋偏压连拱隧道洞口段施工技术研究

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交通科技与管理 2024年第13期 49-51页

作者：黄小东四川省交通建设集团有限责任公司

浅埋偏压连拱隧道洞口段施工面临诸多技术挑战，特别是在顺层地质条件下，施工难度显著增大。针对实际工程案例，文章分析了顺层地质的特点及施工难点，通过对隧道洞口段前期施工准备、进洞施工、施工异常情况监测三部分进行分析，提出... 详细信息

浅埋偏压连拱隧道洞口段施工面临诸多技术挑战，特别是在顺层地质条件下，施工难度显著增大。针对实际工程案例，文章分析了顺层地质的特点及施工难点，通过对隧道洞口段前期施工准备、进洞施工、施工异常情况监测三部分进行分析，提出了相应的施工方案和关键技术措施。实例分析结果表明，顺层地质条件下浅埋偏压连拱隧道洞口段施工技术可有效提高施工的安全性和稳定性，可为类似工程提供参考和借鉴。

关键词：施工技术洞口段施工浅埋偏压连拱隧道顺层地质条件

起凤山偏压连拱隧道浅埋出口段安全处置对策研究

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起凤山偏压连拱隧道浅埋出口段安全处置对策研究

作者：向江昆明理工大学

学位级别：硕士

在山岭隧道的修建过程中,隧道是全线路的重点控制工程,洞口处的安全施工是隧道工程施工的关键问题。位于偏压连拱隧道的出、入口常处于浅埋、偏压、风化程度高、岩体破碎等不良地质段,加之边仰坡的存在,使得隧道开挖扰动后受力更为复杂... 详细信息

在山岭隧道的修建过程中,隧道是全线路的重点控制工程,洞口处的安全施工是隧道工程施工的关键问题。位于偏压连拱隧道的出、入口常处于浅埋、偏压、风化程度高、岩体破碎等不良地质段,加之边仰坡的存在,使得隧道开挖扰动后受力更为复杂。在隧道出、入口开挖时,经常出现围岩变形过大、初支变形、二衬开裂,严重时会导致坍塌、失稳等安全事故。因此,针对偏压连拱隧道浅埋洞口段安全处置对策进行研究分析具有十分迫切的现实意义。本文以起凤山偏压连拱隧道浅埋出口段为研究对象,采用理论分析、数值计算、现场监测以及工程验证等方法,开展起凤山偏压连拱隧道浅埋出口段安全处置对策的研究。主要研究内容如下:(1)通过查阅文献、现场地形地质调查,确定了偏压隧道产生的原因。在此基础上以相关规范和普氏理论为基础,计算得出在不同横坡坡度、不同埋深下的偏压连拱隧道临界埋深厚度值;(2)根据相关规范结合隧道地质条件、施工工法,采用公式计算了偏压荷载下隧道的水平、垂直压力。根据计算结果研究了连拱隧道在不同偏压角度、不同埋深下围岩压力相关参数的数值及变化规律;(3)从仰坡坡度、横坡坡度、隧道埋深、不良地质以及隧道围岩级别等方面对双月路上的隧道洞口段地形地质条件进行了统计,根据统计结果对隧道洞口的情况分为了浅埋偏压和大仰坡坡度厚堆积体两类;(4)依据统计分类结果,采用数值模拟软件,建立了在不同工况下,不同横坡坡度、不同侧覆土厚度对偏压隧道开挖变形的影响及其变化规律,提出当侧覆土厚度值小于15m需要采取安全处置措施。并根据模拟结果统计需要采取安全措施的位置及范围;(5)根据模拟及统计结果,采用FLAC3D对侧覆土小于15m的三种情况分别采用挡土墙、注浆加固以及减载措施进行模拟,通过模拟比较采取安全处置措施前后的效果,以实际工程监控量测的方法验证安全处置措施,结合模拟结果与实际工程施工效果表明安全处置措施是有效的。

关键词：浅埋偏压连拱隧道理论分析数值模拟现场监测

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大陈隧道围岩变形预测研究

大陈隧道围岩变形预测研究

作者：张国柱吉林大学

学位级别：硕士

本文以浙江省诸永高速公路S2标段大陈隧道围岩位移现场监资料为依托,利用神经网络技术和通用三维有限元软件对浅埋偏压连拱隧道围岩变形进行了预测研究。目的是为隧道新奥法施工最佳支护时机的选择提供科学依据。大陈隧道属于典型的浅... 详细信息

本文以浙江省诸永高速公路S2标段大陈隧道围岩位移现场监资料为依托,利用神经网络技术和通用三维有限元软件对浅埋偏压连拱隧道围岩变形进行了预测研究。目的是为隧道新奥法施工最佳支护时机的选择提供科学依据。大陈隧道属于典型的浅埋偏压连拱隧道,本文作者对大陈隧道掌子面和洞身围岩进行了跟踪地质调查,结合隧道地质勘察资料,对围岩类别的划分进行了适量修正。为了直观反映隧道围岩的稳定性,大陈隧道现场布设了地表下沉、拱顶下沉和围岩内部位移等监测项目。现场监测资料表明大陈隧道支护时机的选择是合理的。本文利用BP神经网络技术对大陈隧道围岩变形进行了预测分析,预测精度达到90%以上。大陈隧道结构复杂,二维弹塑性数值模拟很难满足精度要求,所以本文应用三维通用有限元软件对大陈隧道施工过程进行动态模拟,利用基于神经网络的位移反分析方法获得数值模拟所需的围岩力学指标。将模拟结果与实测资料进行对比分析,三维数值模拟结果满足精度要求,可以指导隧道施工。

关键词：浅埋偏压连拱隧道变形监测 BP神经网络位移反分析三维数值模拟

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浅埋连拱隧道围岩参数反演及施工数值模拟

地下空间与工程学报 2007年第6期3卷 1176-1181页

作者：陈敬松李永盛同济大学地下建筑与工程系上海200092

本文结合怀新高速公路的界牌坳隧道的实际情况,利用现场荷载试验的测点位移,通过有限元反演理论的模拟退火法反演计算隧道破碎带围岩基本参数。将反分析计算得到的隧道围岩参数输入界牌坳隧道二维弹塑有限元计算模型,对隧道的施工过程... 详细信息

本文结合怀新高速公路的界牌坳隧道的实际情况,利用现场荷载试验的测点位移,通过有限元反演理论的模拟退火法反演计算隧道破碎带围岩基本参数。将反分析计算得到的隧道围岩参数输入界牌坳隧道二维弹塑有限元计算模型,对隧道的施工过程进行数值模拟,分析了采用三导洞法施工时围岩和中墙的受力变形规律,计算结果表明,两主洞拱部开挖是连拱隧道施工过程中两个比较关键的施工步;两主洞拱顶及右洞左拱肩位置的围岩出现了较大的位移或应变而有可能引起隧道塌方或破坏;浅埋偏压连拱隧道受山体偏压和不对称施工的影响,中隔墙在整个施工过程中基本处于偏心受压状态。

关键词：浅埋偏压连拱隧道现场荷载试验有限元位移反演数值模拟

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