重庆交通大学学报（自然科学版）

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隧道施工与运营过程中的可靠度分析方法研究

仉文岗1,2,3，王焱2，宗梓煦2，周小婉2，林伟2

2020, 39(03): 1-13. DOI: 10.3969/j.issn.1674-0696.2020.03.01

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随着地下空间资源的不断开发与利用，隧道工程的可靠度分析与研究越发重要。首先阐述了隧道工程中存在的岩土体的变异性、统计的不确定性、模型不准确引起的不确定性3方面的不确定性因素，然后介绍了隧道工程中常用的可靠度分析方法：直接积分法、矩法、点估计法、蒙特卡洛模拟法、随机场模拟法、响应面法等，接着分别描述了隧道施工及运营过程中的可靠度分析现状。现有研究中，对于施工过程中的隧道，针对隧道掌子面及隧道断面的可靠度研究较多，而隧道开挖对临近建筑物影响的可靠度分析相对较少；对于运营隧道，目前的隧道可靠度分析多集中于某一单种病害，并未综合考虑各种病害的影响。笔者最终预测隧道工程的可靠度分析将朝向参数的不确定性表征、发展高效的可靠度计算方法、新旧隧道与近接构筑物的风险分析、运营隧道的风险综合评估体系的建立4方面发展，期望为今后隧道工程的可靠度研究提供参考和建议。

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山岭公路隧道机械化施工现状与展望

吴梦军1,2,3, 吴庆良4

2020, 39(03): 14-21. DOI: 10.3969/j.issn.1674-0696.2020.03.02

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综合分析了2001—2019年我国山岭公路隧道机械化施工技术方面的相关文献，首先总结归纳了隧道各施工工序采用的主要机械化施工设备：在开挖和初期支护工序中，机械化施工设备主要包括凿岩台车、仰拱栈桥、湿喷机械手、拱架安装台车等；二次衬砌施工和养护、防排水施工等工序中，机械化施工设备主要有智能衬砌台车、温控喷淋养护台车、防水板铺挂台车，以及辅助配套机械设备如水沟电缆槽台车、智能化注浆机、隧道除尘设备等。然后，指出了当前我国机械化施工存在的主要问题：公路隧道机械化施工程度总体不高、适应性较差、工程造价偏高、技术管理人员缺乏、现行标准规范与设计未配套等。最后，展望了山岭公路隧道机械化施工发展方向：信息化、智能化、成套化和装配化。

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基于双山隧道的入口段亮度计算方法对比研究

梁波1,2，陈弘杨1

2020, 39(03): 22-26. DOI: 10.3969/j.issn.1674-0696.2020.03.03

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针对国内现行规范JTG/T D70/2—01—2014《公路隧道照明设计细则》与国际照明委员会CIE对于隧道入口段亮度计算方法的差异，推导了20°视野的等效光幕亮度计算方法。以重庆双山隧道为例，计算了不同天空环境下20°和56.8°视野的察觉对比度法入口段亮度，与规范设计值进行比较。研究结果表明：察觉对比度法考虑的视野范围更大，并且更多的考虑了周围景物环境、大气以及汽车挡风玻璃的综合作用对驾驶员视觉特性等生物因素的影响，计算结果较规范值偏大；采用逆光照明的察觉对比度法计算结果比采用对称照明时小52%左右，采用逆光照明能更好的减小隧道照明能耗；天空环境对隧道入口段亮度影响显著，入口段照明需根据天空类型进行分级。

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基于光环境室内仿真和视觉功效实验的公路隧道照明评价方法研究

何世永1，梁波1，钟升明2，潘国兵2

2020, 39(03): 27-35. DOI: 10.3969/j.issn.1674-0696.2020.03.04

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随着我国公路隧道里程急剧增加，运营过程中照明能耗大、质量低、交通事故频发等问题日趋突出。笔者结合当前公路隧道照明设计和运营现状，从驾驶员视觉“静态空间视野感知”和“动态视亮度适应”这2个角度开展公路隧道光环境室内仿真，以基于反应时间的视觉功效定量表征公路隧道照明光环境参量如相对光谱能量分布、环境相对色温等对被测样本视觉状态的影响。实验结果表明：在公路隧道(尤其是长、特长隧道)中间段，被测人员的视觉功效随视野感知域内光环境相对光谱能量分布SPD1、SPD2、SPD3依次升高，随环境相对色温的升高而升高，亮度梯度降低时刻视觉目标所对应的视觉功效显著低于其它目标对应的视觉功效，动态暗适应下短暂的适应时间有助于提升被测样本在亮度梯度降低过程中的视觉功效；动态暗适应下驾驶员视觉系统光谱灵敏度最大值逐渐向短波方向过渡。

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基于视觉功效的公路隧道入口段长度研究

杜峰1,2，刘辉1，翁季2，胡英奎2，蔡贤云2

2020, 39(03): 36-43. DOI: 10.3969/j.issn.1674-0696.2020.03.05

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近年来，公路隧道发展迅速，极大便利了交通出行，因此，对其各照明段长度研究非常必要。进行了包括CIE、欧盟、英国、美国、日本以及我国相关规范对入口加强照明段长度规定和依据对照，发现不同规范建议的公路隧道入口加强照明段长度的规定和依据相差较大。为分析和解决该问题，采用视觉功效法，主要针对反应时间指标，通过试验模拟再现公路隧道现场的光环境状况，对多名被试者进行了不同光环境下的反应时间测试，通过对数据的初步拟合分析，得到入口加强各个照明阶梯的适应时间。通过对适应时间和入口各加强照明段亮度变化的拟合，得到了各照明阶梯适应时间与亮度间的关系式，利用该关系式可以得到不同入口加强照明段亮度阶梯下对应的适应时间数值，进一步推导出各加强照明阶梯的长度，最后将得到的结果与既有规范进行对照。研究结果表明：得到的入口段适应时间更长，过渡段相差不大，相对节能性稍差，而安全性则明显增强。

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连续变形场下的窄基坑抗隆起失稳上限解

王明年1,2，曾正强1,2，刘大刚1,2，武雪都3

2020, 39(03): 44-50. DOI: 10.3969/j.issn.1674-0696.2020.03.06

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以往对基坑抗隆起失稳的上限分析中，通常将土体分割成多个刚体快，忽略刚体快内部的剪切变形，且未考虑基坑的尺寸效应，因此难以反映基坑实际的变形机理。选择瑞利分布函数型式的位移增量，建立了Terzaghi机制下的窄基坑变形模型；采用了考虑土体各向异性和超固结比的土体抗剪强度表达形式，根据上限法原理，提出了考虑基坑几何尺寸的抗隆起安全系数计算方法；定量分析了基坑几何尺寸、超固结比和抗剪强度的各向异性系数等重要参数对抗隆起安全系数的影响规律。经典的基坑破坏案例和非线性有限元分析结果对比表明，考虑基坑几何尺寸的抗隆起安全系数计算方法考虑了内撑架设对基坑稳定性的影响，能够考虑基坑宽度和各向异性对抗隆起安全系数的影响。

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双线盾构隧道施工沉降影响因素分析

包小华1，章宇1，徐长节2，付艳斌1，崔宏志1，谢雄耀3

2020, 39(03): 51-60. DOI: 10.3969/j.issn.1674-0696.2020.03.07

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盾构隧道施工引发的地层沉降一直是困扰工程界的难题。以北京地铁14号线方庄—十里河站区间双线隧道为背景，构建三维数值计算模型对先后线路隧道开挖和注浆过程进行分析。采用修正的剑桥模型计算地层土体，采用刚度迁移法模拟盾构掘进过程和同步注浆的施工过程。分析了壁后注浆压力、注浆量、浆液随时间固结硬化及先后掘进施工对地表变形的影响。结果表明：合理确定注浆量和注浆压力能够有效控制地表沉降，考虑浆液硬化的沉降计算结果要大于不考虑硬化因素的结果；在最优注浆压力和注浆量的条件下，用体积应变法模拟注浆并考虑浆液硬化的计算结果更与现场监测值非常吻合；后期线路施工不仅引起地层进一步沉降，还增大了先施工隧道的结构变形。

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基于静力学理论的地下水浮力研究

倪文兵

2020, 39(03): 61-68. DOI: 10.3969/j.issn.1674-0696.2020.03.08

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针对地下结构所受地下水浮力的折减建立一种理论依据。提出了两种形象化的土粒堆积模型，以分别代表现实中的砂土、黏土；对比两种模型的同异情况，指出它们均具有孔隙间相互连通的特性；从静力学角度，借助土粒堆积模型及进一步抽象得出的接触凸缘土粒堆积模型(力学模型)；分析了地下水浮力大小与土粒间接触关系的相互影响。研究结果表明：可建立一种新的土力学概念—固体土粒接触面积比，以表征土层中固体土粒之间的接触关系，进而得出了地下结构基底水浮力总存在折减，且折减系数与固体土粒接触面积比成正比的结论。并进一步分析了多土层地基情况下地下结构所受水浮力，结果表明：基底一定深度范围内土层均可能影响地下结构所受水浮力，并给出了具体理论算法。

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衬砌背后空洞对隧道结构安全影响的模型试验研究

黄锋1,2，刘星辰1,2，金成昊1,2，林志1,2

2020, 39(03): 69-77. DOI: 10.3969/j.issn.1674-0696.2020.03.09

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隧道衬砌背后空洞现象是隧道建设与运营中主要病害之一，这会改变隧道衬砌与围岩的相互作用关系，引起隧道结构应力集中而破坏。采用物理模型试验方法，模拟了隧道衬砌背后无空洞、单空洞、多空洞等3种工况。通过对比分析这3种工况在上覆荷载的作用下围岩压力、衬砌轴力及弯矩变化规律，获得了以下主要结论：①隧道无空洞时，衬砌与围岩接触良好，围岩压力、衬砌轴力及弯矩均随上覆荷载的增加而增大；②隧道衬砌背后存在空洞时，空洞范围内围岩压力无法传递到衬砌结构上，导致围岩压力、衬砌轴力及弯矩均随上覆荷载增加而减小，但衬砌结构因偏心距增大容易发生开裂破坏；③衬砌背后空洞对衬砌拱顶安全系数的影响最大，空洞数量越多安全系数降低越明显，但未改变安全系数在隧道横断面内的分布规律。

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复合式套拱加固衬砌抗弯性能的足尺试验分析

桑运龙1,2，孙州1，张强1

2020, 39(03): 78-83. DOI: 10.3969/j.issn.1674-0696.2020.03.10

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隧道裂损衬砌采用复合式套拱加固后，补强结构的抗弯性能及新旧结构分担荷载如何确定还没有定论。以中等破损(裂缝深度达1/3衬砌厚度)的拱顶局部衬砌为研究对象，采用足尺试验和原衬砌预制裂缝的方案，开展裂损衬砌经复合式套拱加固后的抗弯性能试验，分析补强结构变形、截面抗弯刚度随荷载的变化规律及其破坏模式，并结合试验数据对加固结构荷载的分配原则、受弯承载力计算方法进行探讨。试验表明：中等破损衬砌采用复合式套拱加固时，①原衬砌既有裂缝贯通前新旧结构共同分担荷载、协同变形，贯通后荷载主要由新增套拱承担；②新增套拱裂缝分布较均匀，且未扩展至原衬砌，有效改善了隧道防水性能；③加固结构短期刚度可取原衬砌、新增套拱各自短期刚度之和，外荷载变化不大时可按刚度分配原则计算内力、设计加固参数；④加固结构受弯破坏荷载与新增套拱单独受力的破坏荷载一致，外荷载变化较大时，宜按新增套拱单独受力设计加固参数。试验成果一定程度验证了复合式套拱的加固效果，荷载分配及承载力计算结论可供加固设计参照。

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混合应力状态下隧道混凝土的剪切性能

张中亚1,2,3，靳晓光1,2,3，张照秉1,2,3

2020, 39(03): 84-93. DOI: 10.3969/j.issn.1674-0696.2020.03.11

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邻近现有隧道或车站的地下工程开挖可能会引起挖掘扰动区域的应力卸载和剪切变形。然而，此类混合应力状态对隧道混凝土剪切破坏和变形特征的影响尚不明确。为了研究此类混合应力状态对剪切性能的影响，设计了隧道混凝土试件在混合应力状态下的直剪试验。此类混合应力状态的实现包括3个主要步骤：①加载法向应力到初始法向应力(INS)；②加载剪向应力到初始剪向应力(ISS)；③卸载法向应力并同时再次加载剪向应力直至发生破坏。试验中考虑了INS和ISS的不同组合。结果表明:该混合应力状态对隧道混凝土试件的剪切破坏和变形特征具有显著影响;随着INS的升高，步骤③中的剪向位移(Vu)减小，法向位移(Uu)增大，而随着ISS的升高，Vu下降，Uu仅略微波动；在步骤③中，较大的卸载量(mu)并不总会产生较大的位移；在当前测试条件下，混合应力状态导致破坏剪向应力的增大和卸载量(mu)的减少。

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高海拔长大隧道压入式施工通风的合理长度研究

赵宁雨1，2，吕陈伏1，陈弘杨1，胡诗林1

2020, 39(03): 94-99. DOI: 10.3969/j.issn.1674-0696.2020.03.12

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高海拔地区长大隧道的建设面临诸多挑战，在低气压、低氧气含量条件下的高海拔长大隧道施工通风问题是其中一项重要的研究课题。现有高海拔长大隧道施工通风的工程实践多采用压入式与巷道式相结合的通风模式，且仅靠施工经验及施工任务来确定压入式通风段的长度，关于压入式与巷道式之间的长度界限划分的理论研究还较少见。目前关于压入式通风距离的研究主要是特定条件下的极限通风距离分析，存在未考虑施工工序导致无法直接计算出压入式极限通风长度的不足。基于流量守恒原理，结合低海拔地区隧道施工压入式通风经验得到高海拔地区隧道压入式通风的合理长度修正公式，依托在建米拉山公路隧道工程运用理论公式制定通风方案并在现场对开挖爆破30 min后隧道内粉尘浓度和CO浓度进行实时监测记录，分析验证了理论公式的可行性。

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寒区隧道保温层铺设长度及衬砌防冻措施研究

夏才初1，2，汪超1，黄文丰2

2020, 39(03): 100-106. DOI: 10.3969/j.issn.1674-0696.2020.03.13

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对于寒区隧道，以往的研究中，一般将寒区非冻土段洞内年最低气温为0℃的断面处作为保温层铺设的终点。依托青海知亥代公路隧道，借助ANSYS有限元计算软件，采用直接耦合法，对知亥代隧道非冻土段保温层铺设长度进行优化。结果表明：知亥代隧道保温层铺设长度为600 m更加合适，而非将保温层铺设到年最低气温为0 ℃的距洞口650 m处。根据隧道衬砌所受冻融循环作用影响的特点，总结了冻融循环条件下寒区隧道衬砌抗冻防冻措施。对于寒区隧道，可采取提高混凝土抗冻性能、设置防寒保温门和安装防雪棚等方式改善衬砌受到的冻融循环作用。对于知亥代隧道而言，将混凝土抗冻等级提高到F800，可使运营期100年间衬砌结构安全系数不减小。

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钻爆法公路隧道装配式衬砌结构关键技术研究

林志1，郝理1，李玉文2，谭忠1

2020, 39(03): 107-112. DOI: 10.3969/j.issn.1674-0696.2020.03.14

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目前我国山岭公路隧道常采用钻爆法施工，隧道衬砌大多为传统的现场浇筑施工，这对人员健康、安全保障、施工效率和工程质量等都产生不利影响。随着经济和交通建设水平的提高，隧道建设趋向于标准化、机械化和预制化发展，根据国内外工程建设经验，预制装配技术的发展可以解决上述问题。在国内外缺乏相关研究和建设经验的前提下，针对钻爆法公路隧道的装配式衬砌结构进行了关键技术研究，如结构构造设计、衬砌类型选择、分块设计以及接头转动刚度等，提出装配式衬砌结构新型式，采用梁-弹簧模型对该结构的厚度、接头刚度进行模拟，分析其变形和内力分布特征，保证结构的安全可靠，为类似工程提供经验。

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软岩隧道拉锚结构数值分析与支护机理研究

任兆丹

2020, 39(03): 113-122. DOI: 10.3969/j.issn.1674-0696.2020.03.15

摘要 ( )

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为研究拉锚结构在软岩公路隧道的支护效果并推进其应用发展，针对两台阶法开挖的Ⅴ级围岩公路隧道，使用FLAC3D进行数值分析。根据拉锚结构构件连接方式，提出拉锚结构模拟方法并建立模型，对4种不同支护方法的隧道围岩位移、应力和支护结构受力特性进行了对比分析，总结拉锚支护的结构受力特性和支护机理。结果表明：拉锚支护在改善围岩应力状态、减少隧道位移和发挥支护结构效用3个方面均最优；拉锚支护能够明显改善拱腰处应力状态和变形情况；拉锚支护的锚杆所受轴力大于传统支护，其轴力大小分布从杆尾到杆端越来越大；拉锚支护的横向钢带在各点的应力均大于钢拱架，尤其在拱腰处。

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羊鹿山隧道20 MW火灾全射流纵向排烟全比尺试验研究

曹正卯，张琦，陈建忠

2020, 39(03): 123-128. DOI: 10.3969/j.issn.1674-0696.2020.03.16

摘要 ( )

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为研究G50s沪渝南线高速公路羊鹿山隧道全射流纵向排烟的可行性与有效性，在不利于排烟的下坡隧道（左洞）内，以柴油和汽油为燃料进行油盘火烧，开展了20MW火灾全射流纵向排烟全比尺试验，对洞内外环境参数（洞口大气温度T、洞口大气压P、相对湿度φ）、隧道内沿程风速及排烟时间等进行了测试。研究表明：全比尺火灾试验期间，羊鹿山隧道左洞内自然风速vn≈1.0~1.6 m/s，与排烟方向相反，表现为排烟阻力；隧道内开启6组射流风机时，下坡隧道内沿程纵向风速vi≈3.5 m/s，隧道内开启12~15组风机时，下坡隧道内沿程纵向风速vi≈5.5~7.0 m/s；从点火开始到隧道内烟气全部排出洞外的时间大约为30 min。对于羊鹿山隧道，采用全射流纵向排烟是可行的。

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基于围岩二次应力特征的单跨四车道高速公路隧道合理高跨比的解析计算

杨仲杰1，吴洁2，张俊儒3

2020, 39(03): 129-135. DOI: 10.3969/j.issn.1674-0696.2020.03.17

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以京沪高速公路济南连接线浆水泉双向八车道隧道为工程背景，分析了扁平隧道洞周围岩二次应力σθ的分布规律；数值模拟了6种断面GK1~GK6的隧道高跨比m与σθ的关系，其中：GK1为设计断面，GK2~GK3由2个椭圆组合形成，椭圆交接处位于三心圆在墙脚处的公切点，GK4~GK6为不同高跨比的椭圆；以隧道最不利部位拱顶σθ由压应力转为拉应力作为围岩稳定性控制基准，对单跨四车道高速公路隧道的拱墙高跨比m1进行了分析。研究表明：从最大跨度处直到跨中处，σθ在数值上逐渐减小，且洞室越扁，最大跨度处的σθ越大，跨中处的σθ越小；跨中处出现受拉应力还是受压应力取决于m的取值范围；影响扁平隧道洞周围岩二次应力σθ的主要因素是拱墙高跨比m1；提出了单跨四车道高速公路隧道的合理拱墙高跨比m1R值，即在满足隧道净空要求的前提下，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩m1R应分别小于0.420~0.490、0.365~0.420和0.280~0.365。

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海底超长距离大口径混凝土顶管顶力及摩阻力测试分析

陈孝湘1，2，陈勇3，赵剑豪4，贺雷5，陈文兴6，叶琦棽2

2020, 39(03): 136-141. DOI: 10.3969/j.issn.1674-0696.2020.03.18

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基于厦门翔安某海底综合管廊工程先行线顶管的实测顶力，分别研究了总顶力Fp、平均摩阻力fk与顶程L的相关关系，以细化后行线顶管的平均摩阻力fk取值。结果表明：当顶程L=0~20 m，fk绝对值大、波动频繁；当顶程L＞30 m，fk≈3.0 kPa；当顶程L＞380 m，fk＜ 2.0 kPa，并全区间fk在2.0 kPa上下震荡，且均未超过3.0 kPa；当施工停滞时，fk在恢复顶进的2~5 m范围内显著增大，随后迅速回落至正常水平。研究结果为后行顶管的平均摩阻力取值和中继间布置提供了依据。

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基于iS3的复杂地质建模与数值数字一体化研究

李培楠1,2，石来2，刘俊3，李晓军2

2020, 39(03): 142-148. DOI: 10.3969/j.issn.1674-0696.2020.03.19

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三维地质建模与数值模拟是地下空间开发重要的分析工具，然而目前地质建模的数据难以简便地应用于数值模拟中，不能准确表征地层的分布是造成数值模拟计算结果可靠性较低的主要原因之一。基于多源数据耦合建模理论，结合钻孔数据、地层接触约束及地层产状信息，通过借助潜势场方法的协克里金梯度插值法可建立复杂区域的地质模型。将地质模型接入iS3平台，纳入工程统一的信息化管理系统。并通过二次开发，将地质模型的数据与数值模拟相结合，在满足网格质量和模拟复杂的施工工况的要求下，充分考虑地层的空间分布。以南京地铁5号线为应用对象，结果表明：多源数据耦合建模可以较好地揭露盾构穿越段复合地层的空间分布形态，基于iS3平台，可进一步利用地质建模成果，在数值模拟中可以充分考虑地层的不均匀分布，实现数值数字一体化。

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