《力学学报》将刊发《隧道及地下结构》专题

正论文题目:隧道及地下工程的基本问题及其研究进展(综述性论文)作者简介:张顶立,北京交通大学教授,土木建筑工程学院院长,973项目首席科学家,北京交通大学隧道及地下工程学科带头人.论文题目:城市轨道交通地下结构性能演化机制作者简介:朱合华,同济大学教授,教育部长江学者特聘教授、973项目首席科学家,同济大学隧道及地下工程学科带头人.     

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.     

隧道下穿既有结构物引起的地表沉降控制标准研究

解决好隧道下穿既有结构物引起的地表沉降问题,对城市地下交通和高速铁路的建设具有重要的意义。在调研国内大量隧道下穿开挖引起的地表沉降控制标准和方法的基础上,根据隧道下穿公路、铁路、隧道和建筑物时引起的地表沉降的不同特点,结合隧道的施工、开挖面积、埋深和工程地质条件等因素,对隧道下穿不同的结构物提出不同的控制沉降措施和建议沉降标准。作者认为,目前的隧道下穿引起的地表最大沉降控制标准是不合理的,沉降控制标准应综合考虑既有结构物的特点、地质条件和施工特点等因素。     

高台基木结构在交通载荷作用下的振动响应研究

以西安钟楼为研究背景, 建立了钟楼-土层-隧道结构三者共同作用的三维有限元模型, 通过动力有限元分析得到了模拟地铁列车载荷作用下钟楼的振动响应规律; 根据现场全天候监测, 得到了钟楼在地面交通载荷作用下的振动响应; 在此基础上, 利用SRSS方法将二者进行叠加, 从而得到了钟楼木结构在地面和地下交通载荷共同作用下的动力响应, 并根据规范对其进行 了评估, 所得结论为今后相近古建筑在交通振动载荷作用下的响应分析及评估提供 了参考依据.     

玄武湖水下交通隧道环境地质条件分析及工程方案评价

城市水下交通隧道,既在城市,又于水下,是一种脆弱环境下的典型的地质工程。本文对玄武湖水底交通隧道施工不良地质条件、城市环境约束因素以及隧道工程可能带来的环境影响问题作了具体分析,进而对隧址及施工方案作了初步评价。     

城市地下空间开发对地下水环境影响的初步研究

本文以南京地铁、玄武湖水底交通隧道为例,初步分析了玄武湖水底交通隧道对地下水环境的潜在影响。这种潜在影响主要表现在三个方面：阻滞地下水的排泄,引起地下水位的升降,诱发玄武湖水与古河道水的贯通。结果则是地下水污染加剧,城市生态环境的恶化。     

TBM掘进技术发展及有关工程地质问题分析和对策

通过对大量文献资料和工程实例的研究,论述了TBM(隧道掘进机)近半个世纪发展及其在隧道建设中的应用现状和问题。对大量国内外工程实例分析后发现优先采用TBM掘进技术已成为未来隧道建设总的发展趋势。从岩石力学和工程地质角度对岩石TBM掘进过程中遇到的诸如软岩大变形、突水、岩爆等不良工程地质问题导致卡机或管片变形、破损等工程事故进行了剖析,并对采用的工程处理措施作了总结对比。随着今后TBM掘进技术在我国大规模应用,对复杂工程地质条件的客观全面认识和施工方案的及时调整成为影响施工安全和经济效益的关键因素。     

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。     

流变岩体中让压支护作用下隧道力学行为研究

高地应力深埋软岩隧道大变形问题已成为隧道工程建设领域的突出难题. 根据高地应力深埋软岩隧道的变形特征, 基于"围岩能量吸收、变形释放"的让压支护是解决软岩隧道大变形问题的有效方法. 针对流变岩体中深埋圆形隧道在让压支护作用下的力学响应问题, 通过引入分数阶微积分理论, 采用Abel黏壶元件建立了改进的分数阶Burgers蠕变模型来表征围岩的时效变形. 此外, 通过在让压支护不同变形阶段引入刚度修正系数, 克服了传统支护未能考虑围岩变形释放的问题. 据此, 本文推导了在考虑支护延迟安装影响下, 不同变形阶段围岩与让压支护相互作用的解析解. 为了验证理论研究的正确性, 对一算例进行了不同解答及工程结果的比对, 吻合较好. 最后, 参数研究结果表明: 围岩与让压支护间的相互作用受蠕变本构模型分数阶阶数影响较大. 隧道的位移或支护压力与让压位移、支护刚度修正系数间存在线性比例关系, 但由于刚度修正系数仅保持在较小的变化范围内, 隧道的位移或支护压力变化并不显著.      

高速铁路隧道缓冲结构气动载荷与结构应力特性分析

高速列车通过隧道时,会引起车隧气动效应.在隧道洞口设置缓冲结构是简便有效的应对措施之一.而缓冲结构一般设置在隧道洞口,列车通过隧道产生气动载荷对该结构的影响也不容忽视.本文采用数值方法,利用Ansys软件的workbench模拟平台,对列车通过隧道产生的气动载荷作用在顶部单开口缓冲结构上的压应力变化进行模拟.研究结果表明:气动载荷所引起的结构附加应力作用明显.当行车速度为350 km/h时,附加应力可以达到80 kPa,而缓冲结构开口周围成为气动载荷附加应力集中区.对于双线隧道,近车壁面与远车壁面的附加压应力规律一致,但近车侧应力值要大于远车侧.与压力波在隧道内的传播特性类似,气动载荷所引起的附加压应力具有往复传播特征.另外,对顶部缓冲结构开口附近出现附加应力集中的原因进行了分析,确定缓冲结构形式是引起应力集中的决定因素.以上结论对隧道洞口缓冲结构的设计及安全巡查具有一定的指导意义.     

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.      

寒区非圆形隧道冻胀力的解析解

利用复变函数相应理论引入一种求解考虑衬砌结构的季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形的方法. 方法克服了隧道断面形状为非圆形状并且同时考虑非圆形隧道支护、冻胀圈、未冻围岩时, 经典的复变函数理论不能直接应用求解非圆形隧道应力和位移的问题. 方法通过将经典复变函数理论与连续性条件结合, 导出了非圆形隧道衬砌-冻胀圈-未冻围岩系统在正交曲线坐标系$\zeta $平面内的解析式, 然后通过保角变换求得直角坐标系$Z$平面上考虑衬砌支护的寒区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形. 将推导的解析式应用于鹧鸪山隧道洞口段研究中, 得到鹧鸪山隧道洞口段冻胀应力和冻胀位移解析解, 并将解析解与数值解进行对比,验证解析解的正确性. 由结果可知: 围岩冻胀力对衬砌影响明显, 在拱顶、拱脚、拱底处因冻胀造成的环向附加应力显著增大; 在拱脚及两侧拱肩处会受到较大的法向附加应力; 由于衬砌几何形状的原因, 造成了衬砌冻胀变形的不均匀, 进而造成冻胀力分布不均.应用复变函数理论将冻胀圈考虑为马蹄形、直墙拱形等非圆形状较以往将冻胀圈考虑为单一圆环的冻胀力研究更符合实际, 较以往研究更能反映实际工况. 研究结果为季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力的弹塑性分析奠定了基础.      

基于流固耦合的锚索涡激振动抑制方法研究

悬浮隧道锚索的涡激振动会加剧锚索的疲劳破坏,进而影响悬浮隧道的使用寿命和安全.文章在海洋立管涡激振动抑制研究的基础上,考虑悬浮隧道锚索倾斜角度和来流方向的影响,采用流固耦合的数值方法,对整流罩方法和三控制杆方法的抑制效果进行了分析.结果表明,在顺来流方向,两种方法均具有良好的抑振效果;锚索有倾斜的情况下,三控制杆方法的效果会有所提升;但在来流方向改变时,整流罩方法具有较强的适应性.     

等间距移动荷载作用下水中悬浮隧道管体的位移响应

建立一系列等间距移动荷载作用下悬浮隧道的动力学模型,将悬浮隧道管体简化为两端设有阻尼的弹性支撑梁,通过伽辽金法(Galerkin法)求解悬浮隧道管体的运动方程,数值模拟悬浮隧道管体的跨中位移时程响应,分析张力腿竖向刚度、移动荷载大小、移动速度、行车间距对悬浮隧道管体跨中位移的影响。结果表明:张力腿竖向刚度对悬浮隧道管体位移响应的影响最明显;移动荷载大小和速度以及行车间距也会显著影响悬浮隧道管体的跨中位移。研究结论为未来悬浮隧道的研究和建设提供重要的理论参考。     

隧道爆破声波对毗邻养殖水中声场环境的影响

以福建省罗源县正在建设的龟屿隧道爆破工程为例,分析了隧道爆破地震波的传播规律和对毗邻大黄鱼育苗池的水中声场环境的影响.研究结果表明:(1)爆破作业将显著地增加毗邻大黄鱼育苗池的水中声强(比未爆破前的水中声强高约60～80 dB),强度的增加与爆破药量成正比,与爆点的距离成反比,且距离的影响远大于爆破药量的影响;(2)在...     

城市地下工程中的环境岩土工程问题

近年来, 随着城市人口的急剧增长, 交通与住房拥挤状况日趋突出, 在我国一些大中城市中, 道路交通隧道、地铁工程、地下商城等地下工程建设项目在逐年增多。由于城市工程环境特殊性和地下工程的特点, 在其施工过程中经常出现基坑失稳 (明挖 )、地面沉降、岩溶塌陷、洞室失稳、巷道突水等多种环境岩土工程问题, 不仅严重影响地下工程建设和周围建筑物环境安全, 而且给国家造成重大经济损失。这一问题已引起岩土工程领域很许多专家的关注, 并成为该领域的研究热点。本文结合南京市区地下工程建设的实际情况, 探讨城市地下工程环境岩土工程问题的特点和形成机理, 并提出解决地下工程环境岩土工程问题的方法和建议。     

寒区非圆形隧道冻胀力的解析解

利用复变函数相应理论引入一种求解考虑衬砌结构的季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形的方法.方法克服了隧道断面形状为非圆形状并且同时考虑非圆形隧道支护、冻胀圈、未冻围岩时,经典的复变函数理论不能直接应用求解非圆形隧道应力和位移的问题.方法通过将经典复变函数理论与连续性条件结合,导出了非圆形隧道衬砌-冻胀圈-未冻围岩系统在正交曲线坐标系ζ平面内的解析式,然后通过保角变换求得直角坐标系Z平面上考虑衬砌支护的寒区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形.将推导的解析式应用于鹧鸪山隧道洞口段研究中,得到鹧鸪山隧道洞口段冻胀应力和冻胀位移解析解,并将解析解与数值解进行对比,验证解析解的正确性.由结果可知:围岩冻胀力对衬砌影响明显,在拱顶、拱脚、拱底处因冻胀造成的环向附加应力显著增大;在拱脚及两侧拱肩处会受到较大的法向附加应力;由于衬砌几何形状的原因,造成了衬砌冻胀变形的不均匀,进而造成冻胀力分布不均.应用复变函数理论将冻胀圈考虑为马蹄形、直墙拱形等非圆形状较以往将冻胀圈考虑为单一圆环的冻胀力研究更符合实际,较以往研究更能反映实际工况.研究结果为季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力的弹塑性分析奠定了基础.     

浅埋海底隧道围岩应力复势函数显式解

利用弹性复变函数理论将浅埋海底隧道简化为半无限平面问题,考虑围岩自重和海水压力的影响,对隧道开挖后的围岩应力分布进行研究.采用分式映射函数将围岩域映射为像平面圆环域,在圆环域内将复势单值解析函数展开为Laurent级数.利用无穷远点应力有界性对Laurent级数幂次项进行确定,根据地表边界和孔口不均匀应力边界条件得到Laurent级数系数迭代表达式,将已确定的Laurent级数条件代入迭代表达式中得出复势函数显式解,从而实现复势函数系数从低次幂迭代至高次幂.根据应力分量的复变函数表达式即可得到隧道周围各点应力分量.研究了两个单值解析函数取不同幂次时对结果的影响,分析了浅埋隧道埋深对环向压应力的影响.研究结果表明:幂级数解具有较高的可靠性,在隧道上半部分幂级数解与有限元数值解吻合效果良好,在隧道下半部分幂级数解最终计算结果比有限元结果相对保守;为了保证计算结果的准确性复势函数需取足够多项;随着隧道埋深增大,隧道底部及两侧孔腰处环向压应力不断增大;腰部与底部环向应力的差值也随之增大.     

Willis环瞬态血液流体动力特性数值分析

针对左颈内动脉在无狭窄和完全阻塞情况下交通动脉中的血液瞬态流动采用颅内Willis环二维模型进行计算分析.计算得到完整环、交通动脉大脑前动脉缺失情况下各交通动脉血液流量变化趋势.结果表明交通动脉中血液流量变化最大的情况为:右侧大脑前动脉缺失同时左颈内动脉阻塞;在左(右)大脑前动脉近端缺失时前交通动脉中血液流量变化趋势与左(右)大脑前动脉远端相同;左侧后交通动脉在左颈内动脉狭窄比较严重时血液流动方向就会发生改变;在完整环、左颈内动脉阻塞时前交通动脉中的血液流量大于后交通动脉.     

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.