长距离叠交隧道施工过程三维有限元模拟研究

浦东南路站～南浦大桥站区间隧道工程全长2000米，在浦西段位于南浦大桥桩基间施工，为确保线型同时避让南浦大桥桥桩，采用长距离叠交隧道施工工艺，叠交距离达437．7米，为国际罕见。为了优化盾构施工的各项施工参数，有效进行施工过程控制，完善施工技术方案，保证科学合理、安全优质地完成隧道的设计与施工，同时为以后叠交隧道工艺及隧道线路规划、设计的优化提供借鉴，为类似工程施工提供经验积累，对盾构隧道长距离叠交施工进行三维非线性静力应力应变分析。通过模拟研究建立了三维有限元模型，经过计算分析，国内首次分析了长距离叠交过程中后建隧道盾构施工对已建隧道的影响，摸索出隧道推进过程中的周围土体的移动规律、地表面水平位移及地面沉降规律、已建隧道管片位移和变形及应力变化规律。     

盾构法隧道模型试验中的相似关系

盾构法是在软土中建造隧道常用的施工法．讨论其模型试验和实物之间的转换问题．根据Goodier理论建立相似关系，考虑了土体的黏弹塑性性质和大变形问题，包括推进压、推进速度、出土量、土体损失率、以及注浆量等施工参数对地层移动的影响．给出的公式可用于盾构法隧道的实验设计和数据分析．     

双圆盾构隧道管片衬砌的拼装内力分析

讨论双圆盾构隧道（DOT：Double-O-Tube）施工时，管片衬砌拼装内力的有限元计算。包括整个拼装过程的有限元模拟方法，采用三维实体单元模拟隧道管片衬砌在工程中不同工况下的内力变化。结合双圆隧道的工程参数，进行实际问题的计算，为目前双圆隧道管片衬砌内力计算探索出一条计算模式。     

交叉隧道施工中新建隧道周围复合地层与间距对既有隧道的沉降影响研究

沿海地区特别是广州地区地铁建设多在复合地层中进行盾构施工,开挖引起的地层沉降很难控制,如何防止大面积的地层沉降,保证既有建(构)物安全成为施工难题。基于此,本文提出了复合地层盾构施工的地质概化模型,运用三维有限元方法对交叉隧道盾构施工进行了建模分析,研究了不同的复合地层类型及不同的覆土厚度与间距下,新建隧道盾构正交下穿施工对既有隧道沉降的影响。结果表明,新建隧道在近似均一土层中下穿施工引起的既有隧道沉降最大,上软下硬地层次之,长距离硬岩段最小,沉降随土层弹性模量的增加而减小; 同时,既有隧道沉降随覆土厚度的增加而增大; 随隧道间距的增大而减小,当间距小于2倍衬砌外径时,既有隧道沉降较大,存在损坏的危险。最后,提出了相应的沉降控制对策。     

浅埋隧道围岩应力场的解析解

隧道围岩应力和变形分析是隧道设计的重要内容。对深埋隧道的研究已取得了很多结果。但对于受地表边界和地面荷载的影响，浅埋隧道围岩分析在数学处理上仍存在一定的困难。一般采用边界元或有限元等数值方法，未见有解析解的报导。本文采用复变函数解法研究地面荷载作用下浅埋圆形隧道围岩的平面弹性问题，该解法利用复变函数保角变换将物理平面上的研究域映射到像平面上的圆环域内。将复势函数进行罗伦级数展开，通过边界条件得到罗伦级数展开式系数的递推公式，并由复势函数确定应力分量和位移分量。最后通过算例给出了围岩应力分布和沉降曲线。所得结果适用于任意分布荷载的情况，具有通用性。     

隧道中高速列车空气阻力的数值计算

对高速列车在隧道中行驶时所引起的湍流场进行了数值模拟，计算了列车所受到的空气阻力。数值计算采用变密度、轴对称的ｋ～ε模型和ＰＩＳＯ算法，并将粗糙面速度分布公式和尼古拉兹公式引入壁函数法中，以反映壁面粗糙度的影响，提出了对不规则边界的速度修正法。针对不同的车速、阻塞比和车头细长比，分别进行了模拟，获得了全场的压力分布，以及空气阻力与基本参数的关系，并与传统的经典方法阻力计算结果进行了对比分析。     

隧道开挖影响下地层-基础体系的接触力学响应分析

针对隧道正交下穿既有结构施工力学响应的预测问题, 建立了考虑多体接触作用的隧道施工扰动下地层?基础体系力学响应解析预测方法. 该方法将地层视为均匀各向同性的线弹性体, 通过引入接触理论考虑地层与基础间的接触作用, 并提出“隧道开挖与基础作用换序求解”的新解析思路,确定了最终状态接触压力, 解决了隧道开挖及多体接触耦合作用下接触压力难以确定的问题, 进而依据弹性力学解的叠加性获得目标问题的解析解答. 通过对比该解析解与ABAQUS数值解, 发现两者吻合良好. 基于本方法开展参数分析, 研究了地层参数、隧道埋深、隧道边界径向位移以及外荷载集度对地表竖向附加位移、接触压力和基础内力分布的影响规律. 结果表明: 本方法可准确预测地层?基础体系的接触力学响应, 实现了地层与基础间接触力学行为的量化描述; 地层杨氏模量和泊松比对地层?基础体系力学响应的影响分别侧重于变形和受力, 而隧道埋深和隧道边界径向位移变化对受力变形均有较大影响; 地层位移受隧道开挖扰动与多体接触效应的耦合作用, 且接触影响范围局限在接触区域附近; 隧道开挖使接触压力产生“中间释放、端部集中”的重分布现象, 并由此造成基础内力的大幅增长. 当开挖扰动剧烈时, 甚至产生竖向位移不连续的脱空接触现象. 研究成果对城市浅埋隧道施工影响下地层?基础体系力学响应预测具有重要的理论意义和应用价值.      

上覆岩土条件下孤石爆破预处理炸药单耗实验

盾构机在风化花岗岩地层掘进会遇到高强度孤石，为降低施工风险、避免刀盘及刀具严重损坏，常采用地面钻孔爆破对前方孤石进行预处理，但其炸药单耗一般由经验公式确定，导致爆破效果不理想。结合实际工程对爆破块度小于30 cm的特殊要求，采用爆破模型实验对炸药单耗进行研究。实验结果表明:满足特殊块度要求的陆地钻孔爆破炸药单耗是常规钻孔爆破的5.4~6.5倍；上覆地层厚度与炸药单耗呈线性递增关系；实验得出的炸药单耗是瑞典经验公式计算值的3.4~4.9倍。由此提出满足工程需要的炸药单耗修正公式，应用于实际工程并通过验证取得良好效果，为类似工程孤石爆破预处理炸药单耗的计算提供依据和参考。     

刃形对硬岩地层中TBM滚刀磨损行为的影响研究

全断面隧道掘进机(TBM)是用于长大隧道建设的关键装备，在公路铁路、引水输水等国家重大战略工程中发挥着重要作用.盘形滚刀位于TBM最前端，是执行破岩掘进的关键零部件.冲击重载和缺少润滑等恶劣工况条件导致滚刀在面对硬岩地层时磨损速率极高，频繁更换刀具对隧道建设的工期、成本和安全性造成严重负面影响.对滚刀磨损机理的深入研究是建立长寿命高性能滚刀设计方法的必经之路.滚刀截面形状以及表面结构是刀-岩接触行为的决定性因素之一，而接触行为对滚刀磨损存在直接影响，但机理机制尚不十分清楚.本文中使用高强度花岗岩开展滚刀磨损试验，针对工程实际中最常用的平顶与圆顶滚刀，研究不同刃形滚刀在磨损过程中切削力、质量损失和表面形貌演变的规律，并结合有限元数值仿真，揭示滚刀刃形通过改变刀-岩接触状态而影响其磨损行为的机理.结果表明，在通过相同距离时平顶滚刀直径变化量小，即达到磨损极限时行进总距离更长、耐磨性更好.圆顶滚刀接触应力集中效应明显，容易发生局部磨损，使圆顶滚刀半径变化更大；但在相同刀盘推力下，圆顶滚刀侵入岩石的深度大于平顶滚刀，在破岩效率方面具有潜在优势.本研究对工程实际中滚刀选型与设计具有重要指导意义.     

曲线公路隧道交通风力非稳态模拟研究

为分析小半径曲线隧道对交通风力的影响,采用移动网格和滑移交界面技术对半径600 m的曲线隧道和直线隧道进行三维非稳态数值计算.结果表明,采用动网格技术进行直线隧道交通风力计算结果与实验吻合;曲线隧道中,隧道断面风速分布表现出极不对称性,外侧风速较大,内侧较小;曲线隧道交通风力较直线隧道明显增大,汽车内车道行驶交通风力大于外车道行驶;曲线隧道中,汽车头部侧面出现了负压峰值,与直线隧道相比,该值较低,车身侧面压力沿纵向逐渐增大,汽车尾部背风面存在较低的负压区.     

Application of fast-responding pressure-sensitive paint to a hemispherical dome in unsteady transonic flow

The current work focuses on the development and application of fast-responding polymer/ceramic pressure-sensitive paint (PSP) as an advanced surface pressure measurement technique for unsteady flow fields in large-scale wind tunnels. To demonstrate the unsteady PSP technique, the unsteady surface pressure distribution over a hemispherical dome placed in the United States Air Force Research Laboratory’s Trisonic Gasdynamics Facility (TGF) was studied by phase-locking to the characteristic frequency in the flow caused by an unsteady separated shear layer shed from the dome. The wind tunnel was operated at stagnation pressures of 23.92 and 71.84 kPa, with the test section flow at Mach 0.6. Under the two operating conditions, the predominant shear layer frequency was measured to be 272 and 400 Hz, respectively. The quasi-periodic shear layer frequency enabled a phase-averaged method to be employed for capturing the unsteady shock motion on the hemisphere. Unsteady pressure data resulting from this technique are shown to correlate well with measurements acquired by conventional measurement techniques. Measurement uncertainty in the phase-averaging technique will be discussed. To address measurement uncertainties from temperature sensitivity and model movement, a new implementation of an AC-coupled data representation is offered.     

Optical measurement techniques for high Reynolds number train investigations

This article reports on experimental aerodynamic investigations on a generic high-speed train configuration performed within two different wind tunnels. Both wind tunnels are specialized facilities for high Reynolds number investigations and offer low turbulence levels. The wind tunnels are the cryogenic wind tunnel located in Cologne (KKK) and in the high-pressure wind tunnel located in Göttingen (HDG). Both facilities are part of the German–Dutch wind tunnel association (DNW). The adaptation and application of three optical measurement techniques for such high Reynolds number investigations is described in the article. The optical methods are: Particle Image Velocimetry for the measurement of velocity fields, Background Oriented Schlieren technique for density gradient measurements, and a white light Digital Speckle Photography technique for model deformation monitoring.     

滑坡地段隧道变形机理的模型试验研究

通过室内地质力学模型试验,研究了滑坡地段坡体变形与隧道的相互作用机理、围岩和衬砌压力的变化规律以及坡体和隧道的变形特征,着重研究了滑带土浸水软化及发生蠕变时坡体变形与隧道的相互作用关系。本文的成果可为该类病害的预测预报和有效整治提供科学依据。     

Dual hologram shearing interference technique with enhanced sensitivity for wind tunnel testing

 A novel optical diagnostic approach, namely, a dual hologram shearing interferometry with enhanced sensitivity, is proposed for visualization, and for measuring the density gradients of the flow in wind tunnels. The technique is especially useful for strong turbulent and/or unsteady regions flows. The features of the technique make it tolerant to vibrational disturbances typical to many wind tunnel facilities. The method was demonstrated by its application to a supersonic flow over a spherically blunted nose cone/cylinder model. Received: 4 December 1997/Accepted: 8 April 1998     

饱和土–隧道动力响应的2.5维有限元–边界元耦合模型

针对饱和土中异形隧道的三维动力响应问题,建立了2.5维有限元与边界元耦合模型.将隧道结构视为弹性体,采用2.5维有限元建立隧道模型;将地基土视为饱和多孔介质,采用2.5维边界元建立饱和土体模型.借助组合辅助问题基本解消除了边界积分方程的奇异性.利用饱和土与隧道接触面的位移、面力连续和完全透水或完全不透水边界条件,实现2.5维有限元和边界元模型的耦合求解.模型具有计算效率高、适用范围广的优点.通过与完全透水和完全不透水边界条件下轴对称问题的半解析解以及单相介质的2.5维有限元与边界元耦合模型对比,验证了本文模型的正确性.最后利用该模型计算了饱和土体中类矩形隧道在移动载荷作用下的三维动力响应,分析了不同土体渗透性下位移及孔隙水压力沿隧道轴向、环向和深度的分布规律.结果表明:(1)孔隙水压力随土体渗透性增大而显著减小,位移受土体渗透性影响小;(2)位移及孔隙水压力在隧道环向主要分布在距载荷作用点两侧约2 m的范围内;(3)孔隙水压力沿深度的衰减比土体位移快,且孔隙水压力和轴向位移沿深度的分布受土体渗透性影响大.     

近距侧爆情况下马蹄形隧道动态响应特点的研究

在数值模拟和动光弹试验研究的基础上 ,对马蹄形隧道在邻近爆破作用下的动态响应特点进行了分析 ,并在综合考虑入射应力波波长、隧道直径、爆源与隧道的相对距离的基础上 ,提出了隧道迎爆一侧的动应力集中因子的近似确定方法 ,为今后邻近隧道的爆破施工安全提供了有益的参考。     

爆炸作用下土体隧道衬砌结构的动力响应

为了找出爆炸动力作用下的隧道衬砌结构薄弱部位和力学规律,建立了土体隧道动力分析整体有限元模型;利用显式动力有限元程序Ansys/Ls-dyna进行了数值模拟,探讨了土体隧道衬砌结构在爆炸作用下不同部位的时间历程曲线;分析了爆炸作用下土体隧道衬砌结构的动力响应。结果显示:隧道衬砌结构肩部在x、y方向的位移都较大;隧道衬砌结构顶部在y方向的位移较大;隧道衬砌结构顶部、肩部的加速度峰值最大并且加速度曲线均出现了两次或多次峰值。这反映了爆炸冲击波有比较强烈的多次反射;各部位压力时程曲线波动较大,按照肩部、顶部、胯部、底部、腰部的顺序先后到达峰值;顶部和肩部σx峰值最大,顶部和底部σy峰值最大,顶部、肩部、底部τmax峰值最大。顶部和肩部出现最大拉应力说明爆炸对拱顶拱肩损伤较大,隧道衬砌结构将会最先在这两处发生破坏。     

小间距隧道爆破开挖动力效应数值模拟研究

从爆破施工的特点入手，对小间距隧道在采用典型双侧导坑法时的爆破施工动力效应进行了数值模拟研究，给出了爆破施工在已有洞室周边产生的动力效应的一般规律，指出在爆破（后开挖洞室）开挖影响区以内，合理确定已有洞室二次衬砌施作时间的重要性，并给出了爆破施工对已有洞室稳定性影响较大的关键开挖位置。研究表明，爆破动载荷对小间距隧道围岩稳定性的影响主要表现为爆炸应力波造成围岩临空面的反射拉伸破坏，破坏较严重的是已有洞室的迎爆墙、拱脚、拱顶等部位。所得结论对小间距隧道爆破施工有一定的参考价值。