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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UEL 308

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

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