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。     

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。     

双圆盾构隧道施工过程中管片力学性状的原位测试研究

本文介绍了双圆盾构隧道管片在施工过程中结构内力的现场测定试验及结构内力在施工荷载作用下的变化情况。盾构隧道管片内力的计算方法有许多种，但其在实际施工过程中的结构内力及其变化情况许多年来一直没有比较详细的研究。在我国首次进行的双圆盾构隧道施工过程中，隧道股份对双圆隧道管片在拼装、成环、推进等施工过程中的结构内力变化进行了详细的监测分析，掌握了大量的第一手监测数据，对双圆盾构管片在施工过程中的力学特性变化有了比较详细的分析研究。为今后的双圆隧道建设提供了详实的研究基础。     

基于破坏接近度的地铁隧道流固耦合稳定性分析

合肥地铁1号线盾构隧道下穿南淝河,施工中存在安全风险。运用FLAC3D进行了隧道盾构开挖过程的模拟,基于破坏接近度(FAI)对盾构隧道开挖过程中的岩土体稳定性进行分析。通过破坏接近度指标能够全面直观地评价隧道周围各区域岩土体的稳定性程度,定量给出损伤区和扰动区的范围。数值模拟结果表明:盾构开挖使隧道周边土体孔隙、水压力较初始值显著降低,导致了隧洞周边水力坡降增大,进而使地下水向隧洞拱顶及两侧流动,这些部位有发生涌水的可能;盾构开挖过程中,岩土体渗流场产生的渗流作用力对应力场分布产生较大的影响,在流固耦合条件下,隧洞周边岩土体FAI显著增大,部分区域已进入损伤区;在掌子面推进的过程中,当掌子面在分析断面前后2个开挖步数范围内时,断面的破坏接近度的分布变化明显,表明该范围内土体稳定状态受开挖扰动影响显著。研究盾构开挖过程中的破坏接近度分布及演化规律对施工中采取相应施工措施具有重要的指导意义。     

小净距公路隧道稳定性数值模拟分析

常(德)-吉(首)高速公路上的阿娜隧道是因隧道净距小,双洞间影响较大,故应用二维弹塑性有限元分析方法对其稳定性进行分析研究,计算了衬砌和围岩的内力与位移,进行了变形性状的分析,为高速公路类似的小净距隧道工程设计、施工提供一定的科学依据和参考价值。     

公路隧道新型衬砌结构双孔开挖与支护方案的研究

论文以公路隧道为研究对象,取Ⅳ级围岩,利用有限元程序对台阶开挖法和环形开挖法进行了数值模拟,分析了其支护后衬砌结构的应力和变形特征.在此基础上,针对目前隧道衬砌结构在修建和运营过程中的不足,提出一种双孔支护方案,并进行了较系统的数值模拟.研究结果表明:环形开挖法的最大应力和位移明显小于台阶开挖法,双孔支护方案能很好地减小衬砌的受力和变形,为隧道的设计和施工提供一种新的思路.     

浅埋双连拱隧道围岩——边坡体系变形机理及稳定性分析

双连拱隧道是一种新的隧道形式, 由于其整体跨度大、结构复杂、施工工序繁琐, 在地形偏压、地质条件复杂的情况下修建双连拱隧道难度较高, 尤其在洞口段容易出现衬砌开裂、边坡变形等一系列工程问题。结合安徽铜黄高速公路汤屯段富溪隧道进口段工程, 采用地质条件研究与数值模拟分析相结合的研究手段, 对复杂地质条件下偏压双连拱隧道围岩① 边坡体系在施工过程中应力应变发展过程进行了研究。综合分析表明, 富溪隧道进口段处于F5断层影响带内, 岩体呈碎裂结构,同时, 受到地形偏压影响, 隧道开挖后衬砌和围岩表现为沉降变形和侧向变形, 进口边坡在隧道围岩变形的诱导下, 表现为“蠕滑- 拉裂”变形破裂。根据以上研究成果, 提出了富溪隧道变形治理应以控制进口段隧道拱顶的变形为主。     

隧道下穿地铁拟换乘车站施工监测与安全分析

隧道下穿地铁既有车站为重大风险工程,下穿拟换乘车站时更应进行严格的风险评估与控制,以保证工程施工前后地铁车站的安全运营。本文主要就某新建隧道下穿北京地铁拟换乘车站万寿路站的风险评估和第三方监测进行研究。新建隧道施工可诱发既有车站结构的沉降,造成车站轨道过量变形,进而影响地铁安全运营,本工程采用了结构检测、施工影响模拟预测和第三方监测等工程风险评估和控制手段,结果表明万寿路站受隧道施工影响较小,地铁运营未受影响。     

盾构叠交隧道地层移动分析

用盾构法在软土中建造叠交隧道有一个重要现象：当一条隧道在另一条相邻隧道上方掘进时，在没有欠挖或过量压浆等施工因素的影响下地面仍然会隆起。中对此作了探讨，依据弹性理论提出一个地面隆起变形公式，将该公式与地面沉降的派克(Peck)公式进行叠加，建立了盾构叠交隧道地层移动的数学模型，分析了黄浦江行人观光隧道掘进跨越上海地铁2号线时的地层移动，计算结果与现场测试相符合。     

2D and 3D finite element analysis of crack growth under compressive residual stress field

In the present study, plasticity induced crack closure (PICC) concept and three dimensional (3D) finite element method (FEM) were used to study the effect of compressive residual stress field on the fatigue crack growth from a hole. Furthermore, a new methodology on the basis of a correction factor was presented to increase the PICC precision. The result obtained was compared to two dimensional (2D) FEM, superposition method and Liu’s experimental data. To simulate the elasto-plastic behavior of the material, isotropic hardening was assumed and the Von-Mises yield criterion was implemented. A 3D mesh was built using eight-node hexahedral elements and one half of the specimen was modeled. The simulation results were fairly well correlated with experimental data. Furthermore, the 3D elasto-plastic FEM predicted a slightly smaller fatigue life than a 2D plane stress FEM. Applying the modified PICC method reduces the 3D FEM fatigue life prediction errors.     

藕塘古滑体在三峡水库形成后的平面弹塑性有限元稳定分析

采用平面弹塑性有限元分析方法 ,对藕塘古滑体在三峡水库形成后的稳定性进行了分析。计算中考虑了库水位变化、渗透压力、建筑荷载以及地震等诸多因素对滑体稳定性的影响 ,并给出了滑体失稳的临界破坏条件。为库区移民迁建新址的勘查工作提出了量化的论证。     

SPR误差评估在动静力数值分析中的验证与应用

有限元方法是一种便捷、强大的分析方法,常用于解决工程设计和研究中的各种复杂问题,但作为一种逼近的数值分析方法,其计算结果存在一定的误差,需要利用合理的误差评估方法评价有限元解并为进一步的改进提供依据.因此,将SPR误差评估嵌入弹塑性有限元静力数值分析中,验证在该计算中SPR误差评估的可靠性,并应用于相应的流弹塑性的动力分析中,为进一步优化网格、改进有限元计算结果提供依据.     

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.     

δ-Al2O3短纤维增强Al合金复合材料的拉伸力学行为研究

利用宏观、微观实验和三维弹塑性有限元分析方法（FEM,对δ－Al_2O_3短纤维增强Al合金复合材料的弹性模具和应力-应变曲线进行预测,同时讨论该类材料的断裂特征．研究了纤维位向的变化并引入了实测的短纤维位向分布规律．研究表明,本文对该类复合材料的弹性模量和应力-应变曲线的预测是较为准确的．     

方形固-液声子晶体的全反射隧穿及其多通道滤波

为了研究一维固-液结构方形声子晶体中弹性波的全反射隧穿效应,利用传输矩阵法计算了弹性波在大于全反射角入射一维固-液结构方形声子晶体的透射率。在透射波中发现了全反射隧穿效应,并且全反射隧穿峰具有优良的多通道滤波特性。得出了一维固-液结构声子晶体的全反射隧穿的滤波特性随周期数、模式量子数、边长的变化规律。为设计性能优良的多通道声子晶体滤波器提供了理论依据。     

冻融循环和不均匀冻胀下寒区隧道的塑性解答

季冻区长期冻融循环造成围岩强度和变形性能劣化,使得寒区隧道易进入塑性状态,且寒区隧道围岩呈现以径向冻胀为主的不均匀冻胀.合理考虑寒区隧道冻融循环对围岩性能的劣化以及围岩的不均匀冻胀属性,基于Mohr-Coulomb准则推导了寒区隧道冻胀力、应力与位移的塑性解答,同时给出相应的弹性解答和冻结围岩弹-塑性状态的判定方法,对所得解答进行讨论和对比验证,最后探讨了冻融循环、不均匀冻胀与体积冻胀率对寒区隧道应力分布、塑性区半径、洞壁位移和冻胀力的影响规律.研究表明:本文解答具有广泛的适用性和良好的可比性,并得到文献塑性解答的退化验证;冻胀力、洞壁位移与塑性区半径随冻融次数增加分别增大20.3%、8.44倍、2.16倍,以量化长期冻融循环造成围岩性能的劣化效应;冻结围岩由均匀冻胀转变为不均匀冻胀时冻胀力增大42.8%,但塑性区半径几乎无变化;4种体积冻胀率参数均显著影响冻胀力,尤其是水热迁移系数可使冻胀力增大123.6%.本文结果可为季冻区隧道设计与冻害问题解决提供一定的理论依据.     

冻融循环和不均匀冻胀下寒区隧道的塑性解答

季冻区长期冻融循环造成围岩强度和变形性能劣化,使得寒区隧道易进入塑性状态,且寒区隧道围岩呈现以径向冻胀为主的不均匀冻胀.合理考虑寒区隧道冻融循环对围岩性能的劣化以及围岩的不均匀冻胀属性,基于Mohr-Coulomb准则推导了寒区隧道冻胀力、应力与位移的塑性解答,同时给出相应的弹性解答和冻结围岩弹-塑性状态的判定方法,对所得解答进行讨论和对比验证,最后探讨了冻融循环、不均匀冻胀与体积冻胀率对寒区隧道应力分布、塑性区半径、洞壁位移和冻胀力的影响规律.研究表明:本文解答具有广泛的适用性和良好的可比性,并得到文献塑性解答的退化验证;冻胀力、洞壁位移与塑性区半径随冻融次数增加分别增大20.3%、8.44倍、2.16倍,以量化长期冻融循环造成围岩性能的劣化效应;冻结围岩由均匀冻胀转变为不均匀冻胀时冻胀力增大42.8%,但塑性区半径几乎无变化;4种体积冻胀率参数均显著影响冻胀力,尤其是水热迁移系数可使冻胀力增大123.6%.本文结果可为季冻区隧道设计与冻害问题解决提供一定的理论依据.