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第1章 深埋隧道围岩分级细化与埋置深度界定研究1

1.1 前言1

1.2 现有隧道围岩分级方法及存在的问题2

1.2.1 现有隧道围岩的分级方法2

1.2.2 现行方法存在的问题及案例分析5

1.3 对隧道围岩分级的改进与完善10

1.3.1 隧道围岩分级细化11

1.3.2 初期支护设计压力的确定14

1.3.3 地下工程施工阶段围岩动态分级16

1.4 某市地铁隧道围岩分级方法的建议23

1.4.1 隧道围岩分级细化在某市地铁的应用23

1.4.2 某市地铁施工阶段围岩动态分级方法30

1.5 深埋与浅埋隧道埋置深度界定的现有方法32

1.5.1 基于浅埋隧道的设计依据33

1.5.2 基于工程设计经验33

1.5.3 基于以“开挖对地面扰动影响”为界定标准33

1.5.4 基于荷载等效高度34

1.5.5 基于地面塌方统计的平均高度34

1.5.6 基于理论分析结果35

1.6 松散岩体围岩压力计算比较及分析45

1.6.1 理论推导假定分析45

1.6.2 三种理论计算结果为负值情况时的分析46

1.7 深埋与浅埋隧道划分方法研究50

1.7.1 深埋与浅埋深度的界定50

1.7.2 地层竖向荷载计算表达54

1.8 本章主要结论56

本章参考文献57

第2章 隧道软弱围岩挤压性大变形非线性流变力学行为与工程对策59

2.1 前言59

2.2 软岩大变形预测及其可靠性评价60

2.2.1 软岩挤压性大变形的非线性流变力学行为60

2.2.2 某隧道围岩断层带地质条件及其时空域表现61

2.2.3 基于Hoek-Brown强度准则的隧道围岩挤压性大变形预测63

2.3 大变形隧道围岩的非线性流变模型与计算66

2.3.1 非线性黏弹塑性本构模型及其在程序中的实现66

2.3.2 工程应用实例67

2.4 挤压性隧道围岩大变形力学机理74

2.4.1 挤压性围岩大变形定义75

2.4.2 挤压性大变形力学机理75

2.4.3 隧道围岩挤压性潜力预测与评定81

2.4.4 典型工程实例分析86

2.5 挤压性岩体流变参数反演与本构模型辨识91

2.5.1 挤压性岩体黏性参数反演92

2.5.2 挤压性岩体流变模型辨识95

2.5.3 某隧道挤压性围岩流变参数反演与模型辨识96

2.5.4 本节小结99

2.6 挤压性隧道围岩动态设计与大变形控制100

2.6.1 挤压性隧道围岩动态设计100

2.6.2 挤压性隧道围岩现场足尺试验108

2.6.3 挤压性隧道围岩大变形动态控制110

2.6.4 本节小结112

2.7 寒区隧道温度场分析与计算113

2.7.1 概述113

2.7.2 瞬态温度场与应力场耦合的近似解析解114

2.7.3 近似解析解的工程应用120

2.7.4 ANSYS程序作热效应耦合分析的工程应用123

2.7.5 本节小结131

2.8 隧道衬砌混凝土的温度应力裂缝控制131

2.8.1 概述131

2.8.2 温度对隧道衬砌结构的裂缝影响133

2.8.3 本节小结138

2.9 压力分散型让压锚杆的工作机理及在大变形隧道中的应用139

2.10 本章主要结论140

本章参考文献141

第3章 海底隧道软弱围岩非线性变形反演分析与施工突涌水及其变形失稳险情预警143

3.1 前言143

3.1.1 工程地质概况143

3.1.2 海底风化深槽和风化囊143

3.1.3 主要研究内容与方法145

3.2 某海底隧道软岩施工变形反演分析146

3.2.1 隧道位移反分析的理论与方法146

3.2.2 圆形隧道初期支护后等效弹性模量和等效侧压力系数解析解146

3.2.3 抛物线顶点法数值计算参数反演分析148

3.3 海域风化深槽段反演分析和开挖施工力学156

3.3.1 典型类比分析法的工程应用156

3.3.2 隧道风化深槽段的开挖方法160

3.4 围岩灰色突变失稳预测模型166

3.4.1 灰色尖点突变理论166

3.4.2 数据处理与预报数据生成166

3.4.3 围岩—支护系统失稳的灰色尖点突变模型168

3.4.4 工程应用实例171

3.5 海底隧道施工突涌水失稳预报预警决策系统174

3.5.1 海底隧道施工期高压突涌水失稳险情预警决策系统175

3.5.2 工程应用实例176

3.5.3 风化深槽段围岩流固耦合弹塑性稳定性与地下渗流分析181

3.5.4 海域段风化深槽隧道围岩高压突涌水失稳预加固处理185

3.6 基于围岩变形历时发展速率变化的施工险情预警189

3.6.1 现有施工险情预警方法存在的问题189

3.6.2 建议方法的理论基础190

3.6.3 工程应用实例193

3.7 本章主要结论197

本章参考文献198

第4章 收敛约束法特征曲线与软岩隧道二次衬砌支护结构设计优化200

4.1 前言200

4.2 收敛约束法的力学机理及在隧道衬砌结构设计中的应用201

4.2.1 收敛约束法研究的进展201

4.2.2 收敛约束法及在隧道设计中的应用206

4.2.3 隧道围岩收敛特征曲线207

4.2.4 某海底隧道围岩收敛特征曲线示例210

4.2.5 隧道二次衬砌支护约束曲线225

4.2.6 支护设置前的洞壁径向位移230

4.2.7 收敛约束方法在隧道工程中的应用234

4.2.8 本节小结236

4.3 软岩隧道考虑岩土流变的二次衬砌支护结构设计优化237

4.3.1 隧道支护结构设计计算理论的进展237

4.3.2 某长大软岩隧道工程概况239

4.3.3 工程地质条件239

4.3.4 隧道围岩流变性态表现和认识240

4.3.5 弹塑性数值分析及二次衬砌支护结构设计优化245

4.3.6 黏弹塑性数值分析及二次衬砌支护结构设计优化252

4.3.7 对优化结果的验证261

4.3.8 本节小结265

4.4 本章主要结论267

4.4.1 结论267

4.4.2 进一步工作的方向269

本章参考文献269

第5章 有压输水隧洞复合衬砌计算模型与数值模拟分析271

5.1 前言271

5.1.1 概述271

5.1.2 盾构法隧道衬砌结构设计方法的研究现状272

5.1.3 管片接头计算模型及其刚度参数研究279

5.1.4 主要研究内容与创新点283

5.2 管片纵缝接头抗弯研究285

5.2.1 模型试验基本原理和方法285

5.2.2 管片纵缝接头抗弯刚度有限元模型292

5.2.3 试验数据与有限元法计算结果分析296

5.2.4 简化计算模型299

5.2.5 本节小结307

5.3 管片接头单元的非线性抗弯刚度307

5.3.1 概述307

5.3.2 ABAQUS软件二次开发平台UEL308

5.3.3 接头单元子程序实现308

5.3.4 程序验证312

5.3.5 本节小结313

5.4 管片非线性“地基梁—弹簧”模型313

5.4.1 概述313

5.4.2 地基弹簧314

5.4.3 地基梁截面非线性模型317

5.4.4 非线性地基梁有限元法实现319

5.4.5 程序验证324

5.4.6 非线性“地基梁—弹簧”模型327

5.4.7 本节小结328

5.5 隧洞复合衬砌平面应变计算模型328

5.5.1 概述328

5.5.2 双层框架模型330

5.5.3 实体叠合模型334

5.5.4 预应力荷载340

5.5.5 有黏聚力的接触界面单元346

5.5.6 本节小结356

5.6 某水工隧洞工程复合衬砌算例356

5.6.1 工程概况356

5.6.2 结构受力特征与复合衬砌力学机理359

5.6.3 计算工况359

5.6.4 计算荷载与计算参数360

5.6.5 基于平面应变模型的复合衬砌结构分析361

5.6.6 本节小结372

5.7 研究内容与方法372

5.7.1 复合衬砌共同受力性态372

5.7.2 计算模式373

5.7.3 计算方法378

5.7.4 计算假定380

5.7.5 对外层管片截面出现拉应力和裂缝问题的认识380

5.8 本章主要结论381

本章参考文献383

第6章 有压输水隧洞采用单层管片衬砌的可靠性分析385

6.1 引言385

6.1.1 工程概况385

6.1.2 主要研究内容385

6.1.3 输水隧洞的计算工况385

6.2 管片衬砌内力有限元法计算386

6.2.1 单层管片考虑接头非线性力学参数的有限元法计算386

6.2.2 运营阶段最不利荷载工况的有限元法计算396

6.2.3 考虑管片错缝拼装效应的有限元法计算403

6.3 经计算退化为准轴对称问题时单层管片有限元法分析与解析解的对比409

6.3.1 计算内容410

6.3.2 单层管片准轴对称问题的解析解411

6.3.3 单层管片按ABAQUS程序“梁—弹簧”准轴对称模型的有限元法423

6.4 管片衬砌结构裂缝计算429

6.4.1 概述429

6.4.2 基于弹性地基梁理论的管片混凝土裂缝宽度与缝间距计算429

6.4.3 计算实例分析443

6.5 本章主要结论444

本章附录445

本章参考文献452

第7章 饱和软土地下水渗流场与流变应力场耦合相互作用与工程应用454

7.1 前言454

7.2 考虑土体时效特性的饱和软土固结理论455

7.2.1 饱和土体的Biot固结理论455

7.2.2 饱和土体流变模型理论459

7.2.3 饱和土体线性流变的本构关系462

7.3 考虑土体时效特性的Biot固结有限元法473

7.3.1 饱和土体Biot固结有限元法方程474

7.3.2 饱和黏弹塑性土体介质Biot固结有限元法方程478

7.4 饱和土体流固耦合力学模型及其有限元法分析478

7.4.1 饱和土体三维非稳定渗流分析478

7.4.2 饱和土体介质三维非稳定渗流连续性方程的空间离散481

7.4.3 饱和土体介质三维非稳定渗流连续性方程的时域离散482

7.4.4 渗流场与应力场耦合有限元法方程482

7.5 考虑土体时效特性流固耦合有限元法程序设计484

7.5.1 程序模块的主要功能484

7.5.2 程序模块结构485

7.5.3 黏弹塑性流变模块流程图486

7.6 盾构隧道衬砌结构荷载影响因素及有限元法分析487

7.6.1 衬砌结构荷载影响因素分析488

7.6.2 衬砌结构荷载有限元法分析489

7.7 衬砌结构按“土体连续介质—衬砌厚壳—管片接头弹簧”数值模拟三维模型490

7.7.1 管片衬砌结构的数值模拟491

7.7.2 管片衬砌结构与土体相互作用的数值模拟494

7.7.3 计算分析流程496

7.8 工程应用497

7.8.1 项目概况497

7.8.2 基于“土体连续介质—衬砌厚壳—管片接头弹簧”三维模型的有限元法实例分析（实例计算）497

7.9 本章主要结论507

本章参考文献509

第8章 公路车辆与地铁列车共隧行进下的隧道软基振陷研究510

8.1 前言510

8.1.1 研究背景及研究意义510

8.1.2 国内外研究现状511

8.1.3 研究中的难点和问题515

8.1.4 本章主要研究内容和方法516

8.2 列车随机荷载的数定518

8.2.1 地铁随机振动荷载机理518

8.2.2 现场测试及“列车—轨道”简化模型519

8.2.3 随机振动荷载数定的快速傅里叶变换法521

8.2.4 随机振动荷载数定的Newmark-β法522

8.2.5 两种方法的比较与验证523

8.3 土体各向异性边界面模型及其在ABAQUS软件中的研发和验证524

8.3.1 土体各向异性性态524

8.3.2 土体边界面理论529

8.3.3 ABAQUS软件中土体各向异性边界面模型540

8.3.4 模型验证547

8.4 土体各向异性弹黏塑性模型及在ABAQUS软件中的研发和验证555

8.4.1 软黏土的流变特性555

8.4.2 软黏土流变本构模型556

8.4.3 土体各向异性弹黏塑性模型560

8.4.4 隐式图形返回算法在率相关本构模型中的实现562

8.4.5 模型验证565

8.5 车载行进作用下软基隧道振陷分析实例568

8.5.1 工程概况568

8.5.2 模型及参数确定570

8.5.3 计算结果及分析573

8.6 本章主要结论579

本章参考文献580

第9章 公路车辆与地铁列车共隧行进下隧道管片结构的疲劳损伤与动力响应582

9.1 前言582

9.1.1 国内外研究现状582

9.1.2 主要研究内容和方法584

9.2 结构损伤计算模型585

9.2.1 损伤指数585

9.2.2 损伤模型585

9.3 混凝土强度疲劳荷载权函数与累积损伤589

9.3.1 混凝土强度折减系数589

9.3.2 剩余强度定义下的疲劳荷载权函数589

9.3.3 剩余强度权函数下混凝土管片的疲劳累积损伤594

9.4 混凝土刚度疲劳荷载权函数及累积损伤598

9.4.1 混凝土刚度折减系数598

9.4.2 剩余刚度定义下的疲劳荷载权函数599

9.4.3 剩余刚度权函数下混凝土管片的疲劳累积损伤602

9.5 混凝土应变疲劳荷载权函数及累积损伤607

9.5.1 混凝土疲劳应变增大系数607

9.5.2 残余应变定义下的疲劳荷载权函数607

9.5.3 残余应变权函数下混凝土管片的疲劳累积损伤610

9.6 权函数程序实现及其累积损伤值探讨614

9.6.1 疲劳荷载权函数的程序实现614

9.6.2 单级荷载作用混凝土疲劳破坏的累积损伤值计算615

9.6.3 混凝土疲劳破坏的累积损伤616

9.7 列车行进振动荷载产生机理及隧道管片衬砌结构动力响应617

9.7.1 振动荷载作用机理617

9.7.2 动力有限元法实现618

9.8 盾构法隧道管片衬砌结构动力响应与疲劳寿命620

9.8.1 工程概况与荷载620

9.8.2 管片衬砌结构动力响应623

9.8.3 管片衬砌结构疲劳寿命计算624

9.9 本章主要结论630

本章参考文献631

第10章 盾构法隧道管片接头材料抗老化机理与衬砌耐久性问题633

10.1 前言633

10.2 盾构法隧道管片接头材料老化机理及其耐久性635

10.2.1 隧道管片接缝防水的一般形式635

10.2.2 遇水膨胀橡胶止水条防水试验637

10.2.3 橡胶密封垫防水机理641

10.2.4 橡胶密封垫防水效果的影响因素642

10.2.5 三元乙丙橡胶密封垫的耐久性644

10.2.6 管片接头连接件防腐处理661

10.3 管片衬砌钢筋锈蚀研究663

10.3.1 钢筋锈蚀机理及研究进展663

10.3.2 钢筋锈蚀的影响因素670

10.3.3 钢筋锈蚀的防治681

10.4 提高越江隧道管片衬砌耐久性的技术措施与施工工艺688

10.4.1 提高钢筋混凝土结构耐久性的主要措施688

10.4.2 改进越江隧道管片衬砌结构设计689

10.4.3 加强管片制作和施工管理708

10.4.4 对管片接头防水、耐腐材料——橡胶密封垫耐久性的再认识719

10.5 本章主要结论721

本章参考文献723

第11章 盾构法隧道管片衬砌结构服役寿命预测及耐久性设计与试验725

11.1 前言725

11.2 隧道管片衬砌结构耐久性试验726

11.2.1 概述726

11.2.2 高性能混凝土室内碳化室内试验727

11.2.3 钢筋快速锈蚀室内试验734

11.3 混凝土碳化及在隧道衬砌内的扩散特性742

11.3.1 概述742

11.3.2 ANSYS软件热分析模块简介743

11.3.3 混凝土碳化控制方程744

11.3.4 混凝土碳化控制方程的数值求解746

11.3.5 热传导和混凝土碳化过程相似性分析749

11.3.6 混凝土碳化扩散过程的有限元法模拟750

11.3.7 混凝土碳化浓度分布规律753

11.3.8 工程应用实例756

11.4 基于可靠度理论的隧道管片衬砌结构服役寿命预测763

11.4.1 概述763

11.4.2 隧道耐久性的服役寿命预测763

11.4.3 基于可靠度理论的服役寿命预测方法767

11.4.4 按裂缝限值控制管片衬砌结构的服役寿命预测771

11.4.5 按承载能力限值控制管片衬砌结构的服役寿命预测791

11.4.6 工程应用实例792

11.5 基于支持向量机（SVR）和响应面法按可靠度理论隧道衬砌结构的耐久性设计796

11.5.1 概述796

11.5.2 耐久性设计方法796

11.5.3 隧道衬砌结构耐久性设计797

11.5.4 工程应用实例810

11.6 本章主要结论813

本章参考文献816

第12章 市区下立交大跨度地道“管幕—箱框工程”计算分析818

12.1 前言818

12.1.1 城市浅埋地道工程简介818

12.1.2 国内外管幕式顶管技术的发展820

12.1.3 地道顶管施工对环境土工的影响与维护研究822

12.1.4 人工神经网络智能方法在地下工程中的应用826

12.1.5 研究现状评述827

12.2 工程概况828

12.2.1 场地工程地质条件829

12.2.2 管幕工程的施工特点829

12.3 管幕工法大型顶管引起地表变形的数值分析834

12.3.1 FLAC-3D程序简介834

12.3.2 钢管幕顶进引起地表变形影响模拟工况简介839

12.3.3 水平钢管幕顶进对地表变形影响分析840

12.3.4 竖向钢管幕顶进对地表变形影响分析847

12.3.5 本节小结854

12.4 管幕工法大断面箱框顶进引起的地表变形研究855

12.4.1 概述855

12.4.2 管幕内箱框顶进引起地表变形的理论表述856

12.4.3 管幕内箱框顶进引起地表变形试验860

12.4.4 管幕内箱框顶进引起地表变形计算分析870

12.4.5 本节小结878

12.5 管幕—箱框顶进开挖施工三维弹塑性数值分析878

12.5.1 概述878

12.5.2 有限元法建模881

12.5.3 分析结果883

12.5.4 理论计算值与实测数据的比较分析887

12.5.5 本节小结890

12.6 管幕—箱框顶进施工引起地表变形的人工智能神经网络滚动预测891

12.6.1 施工变形人工神经网络智能预测模型的建立891

12.6.2 人工智能滚动预测法在某城市下立交管幕—箱框顶进施工变形研究中的应用893

12.6.3 本节小结901

12.7 本章主要结论901

本章参考文献904

第13章 拟议兴建台湾海峡隧道工程方案及关键技术探讨906

13.1 前言906

13.2 工程建设的技术可行性和若干关键技术906

13.2.1 兴建台湾海峡隧道工程的技术可行性906

13.2.2 对兴建台湾海峡隧道工程若干关键技术的认识907

13.3 海底隧道最小埋置深度探讨920

13.4 施工风险性分析及存在的若干问题923

13.4.1 近年来国内外对长大隧道和重大地下工程建设项目所作风险分析简例923

13.4.2 采用隧道掘进机（TBM）开挖施工的技术风险分析924

13.4.3 台海隧道施工期和运营期的工程安全性评价926

13.4.4 工程风险管理问题930

13.5 台海隧道工程耐久性问题932

13.5.1 概述932

13.5.2 越海隧道耐久性研究的主要内容932

13.5.3 海水物化分析试验935

13.5.4 提高隧道衬砌结构耐久性的工程措施936

13.6 台海隧道施工方案和工期预测936

13.6.1 施工方案和工期预测936

13.6.2 隧道掘进机（TBM）选型及其在深海岩盘中掘进的工程应用940

13.6.3 钻爆法开挖施工机具设备的成套配置与评价941

13.6.4 长大隧道掘进中地质与施工信息智能管理与监控系统软件的研制与开发943

13.7 本章主要结论944

13.7.1 基本认识944

13.7.2 有待进一步研究的若干问题945

本章参考文献947