Analytic Solutions of the Forces and Displacements for Multicentre Circular Arc Tunnels

Xingbo Han 1,2 and Yongxu Xia 1

1 School of Highway, Chang’an University, Xi’an, Shaanxi 710064, China
2 School of Civil and Environmental Engineering, The University of New South Wales, Sydney, NSW 2552, Australia

A complex variable method for solving the forces and displacements for multicentre circular arc (MCA) tunnels by using analytical solutions is presented. The governing equations for the stresses and displacements are expressed in terms of series expression. Combined with the boundary conditions at lining inner region, lining-surrounding rock-mass interface, and infinity area, the undetermined coefficients of the analytic functions are obtained by solving a linear equation set. Forces solutions for linings are also presented according to the tangential stress at the two boundaries. Conformal mapping function for the MCA tunnel is given from the optimization method. Calculation results show that solutions with high accuracy can be obtained when the number of
terms of power series is greater than 30. The effects of the degrees from the tunnel crown to the invert, coefficient of the lateral earth pressure, and distance from the rock-mass to the interface on regulations of the lining forces and rock-mass stresses are also thoroughly investigated.

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隧道工程环境问题分类及环境负效应分析

李国锋 １，秦鲜卓 ２，杨磊 ２，叶飞２

（ １．云南富龙高速公路建设指挥部，云南 文山 　６６３４００ ；
２．长安大学 公路学院，陕西 西安 　７１００６４ ）

摘要：对隧道工程中出现的环境问题进行梳理及总结，并按组成要素进行科学分类，剖析各类环境问题如何诱发形成环境负效应的原因以及两者的因果关系，最后针对性地提出环境负效应的预防和控制方法。结果表明：隧道工程诱发的环境负效应大体上可分为生态环境效应和社会环境效应，环境效应进一步分为直接环境效应和次生环境效应。这些环境负效应会互相叠加，最终形成一种复合效应；对环境负效应的预防与控制应从溯源控制和总量管理两方面同时进行，并贯穿于隧道工程的设计、施工及运营阶段。

关键词：隧道工程；环境负效应；生态环境效应；社会环境效应

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扩挖支护对软弱围岩公路隧道初期支护结构影响分析

王　星， 夏永旭， 黄腾飞， 周天跃， 秦　楠， 王　蕾

（长安大学公路学院， 陕西 西安　７１００６４）

摘要： 由于山子顶软弱围岩公路隧道施工现场所采用的环形开挖留核心土法并不能保证隧道施工的顺利进行，提出扩挖支护施工方案。 首先论述扩挖支护施工工序，然后采用 ＡＮＳＹＳ 有限元方法构建扩挖支护厚度为 ０、２０、３０、４０、５０、６０ ｃｍ ６ 种三维计算模型，系统分析扩挖支护与初期支护的力学行为。 研究得出： 扩挖支护是软弱围岩隧道一种相对优越的施工方案，且当扩挖支护厚度达到 ６０ ｃｍ 时初期支护的主压应力为 １６． ４ ＭＰａ，主拉应力为 ０． ４８６ ０３ ＭＰａ，满足其材料强度要求。

关键词： 公路隧道； 软弱围岩； 扩挖支护； 初期支护； 数值模拟

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基于新意法原理的隧道全断面预加固效果研究

唐勇三 １，林剑飞 ２，叶飞 ３，宋京 ３，赵汝亮 ３

（ １． 福建省高速公路建设总指挥部 　 福州市 　３５０００１ ；
２． 莆田湄渝高速公路有限责任公司 　 莆田市 　３５１１００ ；
３． 长安大学公路学院 　 西安市 　７１００６４ ）

摘要：基于新意法基本理论，以湄渝高速岐山隧道为依托，采用有限差分程序模拟玻璃纤维锚杆超前预加固隧道核心土下的全断面开挖，通过对比预加固开挖与传统工法下挤出变形、收敛变形及超前核心土应力分布情况对预加固效果进行了验证。结果显示，预加固措施可以在一定范围内减小挤出变形，但对掌子面前方扰动范围的影响甚微；两工况掌子面挤出位移均在中心位置达到最大，预加固在掌子面中心处对挤出位移的减小效果最为明显；两工况下掌子面前方预收敛的分布特征与挤出位移基本一致，但掌子面通过后预加固对后方收敛的发展不再起控制作用；两工况下掌子面前方拱效应形成位置基本一致，而预加固措施能够有效加强前方拱效应。

关键词：新意法；全断面预加固；超前核心土；数值模拟；研究

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高速公路隧道行车安全若干问题探讨

叶飞，高翔，秦鲜卓，秦楠

长安大学 公路学院，陕西 西安 710064

随着我国经济与技术的快速发展，高速公路隧道建设取得了巨大的成就，带来了良好的社会、经济效益。但是，频繁的交通事故也引起了人们对公路隧道行车安全的担忧。近年来国内外发生多起重特大隧道交通事故，令人触目惊心。

2012年3月13日，一辆比利时牌照客车在瑞士南部瓦莱州谢尔附近9号高速公路的一处隧道失控撞上紧急停车带的水泥墙，导致28人死亡，其中包括22名儿童。2014年3月1日，晋济高速岩后隧道内2辆甲醇车追尾，致使甲醇泄漏起火燃烧，波及隧道内42辆车及煤炭等货物，事故共造成31人死亡，9人失踪。2017年8月10日，西汉高速秦岭1号隧道发生客车正面碰撞隧道洞门墙事故，车辆严重变形，致36人死亡，13人受伤。

一桩桩惨重的交通事故，无不在警醒隧道建设各方与管理单位：隧道交通安全问题始终是重中之重。

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考虑黏度时效性与空间效应的Ｃ － Ｓ双液浆盾构隧道管片注浆机理分析

叶飞 １，孙昌海 １，２，毛家骅 ３，韩鑫 １，陈治 ４

（ １． 长安大学 公路学院，陕西 西安 　７１００６４ ；
２． 山东省交通规划设计院，山东 济南 　２５００３１ ；
３． 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 　１０００４４ ；
４． 广东省南粤交通投资建设有限公司，广东 广州 　５１０１０１ ）

摘要：在假定Ｃ － Ｓ双液浆符合宾汉姆流体的基础上，考虑双液浆黏度时变性与空间效应，并认为盾构隧道管片注浆符合球形渗透模型，通过平衡方程与 Ｄｕｐｕｉｔ － Ｆｏｒｃｈｈｅｉｍｅｒ公式，对宾汉姆流体壁后注浆渗透扩散规律进行理论分析，得到 Ｃ － Ｓ双液浆扩散半径计算公式以及管片受力计算公式。通过具体实例分析了注浆压力、注浆管内浆液流速以及Ｃ － Ｓ双液浆黏度参数 Ａ 与参数 Ｙ 对浆液扩散半径及管片受力的作用，对比了不同注浆参数对注浆效果的影响。结果表明：浆液扩散半径随注浆压力与注浆管内浆液流速的增大而增大，随黏度参数 Ａ 与参数 Ｙ 增大而减小，其中注浆压力与参数 Ｙ 对浆液扩散影响较大，注浆管内浆液流速与参数 Ａ 对浆液扩散影响较小；管片受力随注浆压力与注浆管内浆液流速增大而增大，但注浆压力的影响效果不断增大而后趋于稳定，注浆管内浆液流速的影响效果不断减弱而后趋于稳定；管片受力随参数 Ａ 与参数 Ｙ 增大而减小，其中参数 Ａ对管片受力的影响呈负线性关系，影响效果较弱，参数 Ｙ 对管片受力的影响呈现“三段式”变化———缓慢减小阶段、加速减小阶段以及快速减小阶段，影响效果明显。

关键字：盾构隧道； Ｃ － Ｓ双液浆；理论分析；浆液扩散；管片注浆

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软弱围岩隧道掌子面及超前核心土挤出位移特征研究

叶飞 1，宋京 1，唐勇三 2，林剑飞 3，贾涛 4

（1. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；
2. 福建省高速公路建设总指挥部，福建 福州 350001；
3. 莆田湄渝高速公路有限责任公司，福建 莆田 351100；
4. 北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037）

摘要：为研究软弱围岩隧道掌子面及超前核心土的挤出位移特征，用 Solexperts AG 公司生产的 GMD 滑动测微计对湄渝高速岐山隧道 F215 构造破碎带区域进行了挤出位移实测，通过有限差分程序进行系列数值试验，着重研究了隧道穿越软弱围岩期间挤出位移的变化特征，并分析了破碎带长度和硬软岩刚度比的影响。结果表明，（1）挤出位移的大小可反映前方围岩质量，挤出位移在超前核心土内的分布可反映前方围岩的节理裂隙发育情况；（2）隧道开挖在掌子面前方造成的扰动范围大致为 1.5 倍的隧道开挖跨度；（3）隧道接近前方变化地质区域时，挤出位移的增大或减小具有超前性；（4）软岩段长度在一定范围内会影响掌子面进入软岩区后挤出位移的大小和变化趋势；（5）硬岩与软岩间的刚度比越大，挤出位移变化速率越大，且隧道由软岩区向硬岩区掘进时挤出位移的变化时机越早，而由硬岩区向软岩区掘进时的变化时机不受刚度比影响；（6）可将对挤出位移的监测分析作为超前地质预报的补充手段判断掌子面前方围岩情况。

关键词：隧道；软弱围岩；岩土控制变形分析法；挤出位移；滑动测微计；现场实测；数值计算

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基于不完全拱效应的隧道预处理机制与计算方法

叶飞 1，樊康佳 1，宋 京 1，段智军 1，贾涛 2

(1. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；
2. 北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037)

摘要：隧道开挖中，掌子面–超前核心土的变形同样会使其周围产生拱效应，但该种拱效应不同于后方已开挖区域周围的拱效应，称之为不完全拱效应。不完全拱效应的发挥与预收敛变形和挤出变形有很大的关系，基于不完全拱效应提出了超前核心土周围围岩压力的计算公式，此公式与太沙基公式的不同在于考虑了预收敛变形对围岩压力的影响，并在黏性土的推导中考虑了非垂直滑移面效应，假定破裂面与垂直方向存在夹角  。 算例分析显示，随着预收敛变形的增加拱顶土压力的变化可分为近线性快速下降、缓慢下降及稳定阶段，计算土压力随内摩擦角、埋深比及黏聚力的增大而减小，且在黏性土中随破裂面倾角的增大而增大。在此基础上，推导了计算基于新意法的超前核心土加固参数的理论计算公式，结合算例验证了理论公式的适用性，该公式计算简单，便于理解，可用于新意法的初步设计阶段。

关键词：隧道工程；不完全拱效应；超前核心土；新意法；理论分析

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Numerical and experimental validation study of flame extent of a pool fire under the ceiling

Yongdong Wang a , b , Alexandros Vouros c , Jianping Zhang b , * , Michael A. Delichatsios b

a School of Highway, Chang’an University, Xi’an, Shaanxi 710064, China
b FireSERT, School of Built Environment and Built Environment Research Institute, Ulster University, Newtownabbey, BT37 0QB, UK
c Civil Engineering Department, University of Patras, 26504, Patras, Greece

a b s t r a c t: The purpose of this work is to establish dimensionless correlations for the flame extent under a ceiling that can be used for large-scale calculations of radiative heat fluxes for which numerical simulations may be prohibitive. Towards this objective, this paper presents a numerical study of the flame height in an open pool fire and the subsequent flame extent under the ceiling. The stoichiometric mixture fraction is used to define the continuous flame height which also coincides with the maximum mean temperature along the centerline of the fire. The size of the pool fire is 0.1 m ? 0.1 m having heat release rates (HRRs) from 2 to 100 kW for two ceiling heights of 30 and 50 cm. The predicted free flame height and horizontal flame extent are compared to existing correlations and experimental data in the literature. It is found that the predicted continuous flame height is about three fifths that of the experimental mean flame height reported in the literature. The predicted horizontal flame extent also agrees well with existing experimental correlations, although some difference may indicate that the relation between the mean and continuous flame heights derived for an open free pool fire may no longer apply due to the presence of the ceiling which affects air entrainment and the turbulence of the ceiling flame jet.

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火灾下盾构隧道衬砌管片结构变形理论分析

韩兴博，柴伦磊，夏永旭

(长安大学 公路学院，西安 710064)

摘要：火灾高温会使盾构隧道管片衬砌的力学性能产生劣化，其受力变形也较常态下更为复杂。考虑到火灾下衬砌截面温度场的真实分布情况以及管片材料高温下力学性能的非线性，建立了高温下圆形衬砌变形的理论计算模型;针对盾构隧道管片衬砌，基于自由变形理论，得到了其高温下变形的解析解;根据具体算例得到了发生火灾时管片变形规律，为管片火灾下的防火设计提供了理论依据，并将计算结果与设计规范相对比，对灾后隧道内人员财产救援进行的时机给出了建议。

关键词：火灾;衬砌管片;变形;理论分析

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