衬砌存在裂缝的隧道力学模型及机理研究

衬砌裂缝是隧道工程中最常见的病害,严重时会影响隧道的运营安全,准确评价存在裂缝衬砌结构安全状况是隧道工程师面对的难题。通过分析隧道裂缝病害力学和几何特征,利用接触理论模拟裂缝面的接触摩擦作用,基于地层—结构方法建立了包含纵向裂缝的隧道计算模型,并综合钢筋混凝土理论和脆性材料断裂判据,建立了存在裂缝的隧道衬砌结构安全性评价方法。在计算模型和评价方法的基础上,分析了裂缝角度对衬砌结构安全的影响,计算结果表明,裂缝角度是决定衬砌结构稳定性的重要参数。算例分析表明,该计算模型和评价方法简便易行,意义明确,对深入理解和分析裂缝面承载机理具有指导意义,对存在裂缝的隧道病害检测和状态评定具有借鉴和指导意义。     

存在衬砌病害的隧道计算模型研究与应用

本文根据存在病害时衬砌结构几何特征、承载机理,基于荷载结构方法建立了存在裂缝、厚度不足、材料劣化3类病害的隧道计算模型,并编制了相关计算程序,为分析病害对衬砌结构的承载特征和安全性的影响规律提供了理论依据,为运营隧道状态评定及病害处治奠定了基础。     

基于钢拱架支撑加固衬砌裂损方法的研究

衬砌裂损是隧道工程中最常见的病害,研究衬砌裂损加固方法和防治隧道衬砌裂损具有重大意义。通过对雷公岽隧道裂损区域的检测和力学分析,利用有限元模型模拟计算病害区域对钢拱架支撑加固的响应,建立存在裂损的隧道衬砌结构安全性评价方法。基于计算模型和评价方法,分析了裂损区域对衬砌结构稳定的影响。结果表明,环向钢拱架显著增强了衬砌的承载能力,对裂损区域的衬砌起到支撑作用,可有效防止衬砌局部掉块,提高隧道交通安全。     

存在衬砌背后空洞的隧道计算模型研究及应用

本文根据公路隧道衬砌背后空洞病害特征，在病害成因、病害形成过程与机理分析的基础上，利用接触方法建立了包含衬砌背后空洞的隧道计算模型，并初步分析了空洞形状参数对衬砌结构围岩压力和安全系数的影响。     

基于层次-可拓（AHP Extenics）模型的既有隧道衬砌结构病害评价

为解决既有隧道衬砌结构病害威胁交通安全、影响交通质量和使用寿命等问题，从工程施工、自然环境和工程地质3方面共13个独立的既有隧道衬砌结构病害影响因素入手。首先，采用层次分析法（AHP）建立既有隧道衬砌结构病害形成因素指标体系，提出基于层次-可拓（AHP Extenics）模型的既有隧道衬砌结构病害评价方法； 然后，结合工程实际和专家打分确定病害评价指标权重，进而利用相关函数对病害评价指标和权重进行可拓运算； 最后，得出既有隧道衬砌结构病害评价等级。该方法采用形式化的可拓综合评价模型替代传统的模糊综合评价法，以定量的形式给出定性分析结果，使计算结果更加客观，为既有隧道衬砌结构的病害评价提供了一种新方法。     

基于病害关联性的运营隧道衬砌技术状况评价研究

在运营年限较长的隧道中,衬砌内会存在多种病害并且相互影响,因此有必要建立一套考虑病害关联性的隧道衬砌技术状况评价方法。通过案例收集调查国内15座运营隧道中166处衬砌结构病害的相关信息,并采用数据挖掘方法研究衬砌病害之间的关联性,然后参考现行规范选取了评价指标,采用层次分析法确定指标权重,使用工程可变模糊集理论确定各指标的隶属度向量,建立基于病害关联性的隧道衬砌技术状况综合评价模型。结合堡子梁隧道的实测数据进行计算,结果表明:考虑病害之间关联性时,隧道衬砌的技术状况综合值排列顺序并未改变,但其数值均大幅增长,平均增长幅度为44.11%,这一结果与实际情况相符。     

硫酸盐腐蚀对浅埋公路隧道安全性能的影响

针对受硫酸盐化学腐蚀后Ⅴ级围岩中埋深为10 m的隧道,运用同济曙光软件建立荷载-结构法拉压弹簧模型进行分析计算,计算表明:硫酸盐化学腐蚀可使隧道衬砌产生劣化,这一现象对病害处衬砌的力学性能影响较大,对无病害处衬砌的力学性能影响较小;无论是裂缝还是剥落病害,拱顶处病害比拱腰处病害对隧道安全性的影响大;起拱线处的剥落病害对隧道安全性的影响也不容忽视;隧道衬砌同样位置发生剥落病害或裂缝病害时,剥落比裂缝对隧道整体安全性的影响程度大.     

运营公路隧道衬砌排水系统技术状况评估方法研究

为指导管理单位维护公路隧道衬砌排水系统，保证隧道结构和通行安全，提出一种公路隧道衬砌排水系统技术状况评估方法。根据公路隧道衬砌排水系统结构特点将其划分为排水段、排水单元和排水管段3个层次，分别以各管段的功能性和结构性病害参数作为评价指标建立相应的评价指标体系;参照市政排水管道病害参数的计算方法确定公路隧道衬砌排水系统管段病害参数计算方法;采用SWMMH软件建立公路隧道衬砌排水系统模型，模拟排水系统中地下水的状态，计算各管段和不同工况下排水单元间流量，根据流量比值大小得到不同管段和排水单元的权重；采用分层加权综合评价思想建立功能性和结构性技术状况评价模型。将该模型应用于实际工程中，计算结果能较好地反映排水系统实际状况。     

带裂缝隧道衬砌的安全评价及有限元分析

为研究衬砌裂缝对隧道结构安全的影响,以某公路隧道的裂缝监测为工程背景,从80 处裂缝监测点中选取10 条典型裂缝, 采用综合判定法进行安全性评估,得出危险的裂缝断面,随后应用Midas/ GTS 软件建立典型裂缝断面的有限元模型,并对隧道衬砌结构的承载能力进行安全性分析。计算结果表明: 隧道衬砌出现裂缝使得衬砌结构的承载能力发生变化,其整个受力分布规律也会发生改变,重新分布力会导致现有裂缝发展,并使其他位置发生新的开裂,应根据计算结果对薄弱部位进行加固。研究结果表明: 通过采用定性的安全性评价与定量的理论计算相结合的方法,可以对带裂缝隧道衬砌结构的安全性作出科学的评估。     

六甲洞隧道病害衬砌结构的安全性评价

隧道衬砌出现病害时,衬砌结构的承载能力和安全性能会发生较大改变。根据相关的病害检测资料,利用带病害的隧道衬砌结构计算模型,计算分析了六甲洞隧道病害断面在加固前和加固后的断面衬砌结构的承载性能,并对隧道整体结构的安全性能做出了评价。     

软土地区盾构隧道管片开裂特性实测分析及影响因素研究

基于某软土地区城市地铁1号线的实测数据，统计分析该地铁线路整体与典型区间的病害情况与裂缝分布特点，结果表明: 管片裂缝的分布密度与隧道收敛位移具有明显关联性，区间隧道病害以密布于隧道拱顶的纵向裂缝为主，且分布规律与管环旋转角度相关。在此基础上，为探明软弱地层条件对盾构隧道带来的不利影响，基于断裂力学的非线性数值分析方法建立地层结构法有限元模型，模型中管片采用弥散开裂本构并嵌入简化的钢筋网单元，纵向接头通过考虑张开的间隙接触模型模拟。计算结果阐明了管片开裂的特性与影响因素，结果表明： 1)随着地层土体弹性模量和侧压力系数的减小，在地应力条件下隧道损伤区域明显增加； 2)随着埋深增加，当前主要开裂区与预测开裂区深度在原有基础上进一步扩展，从而引起隧道整体开裂率的上升； 3)参数分析探明了实测拱顶裂纹分布规律的成因为封顶块位置的差异。     

山岳隧道衬砌裂缝肇因诊断方法研究——以力学因素为例

诊断衬砌异状肇因为隧道安全评估与维修补强对策设计至关重要之项目。依据隧道检测案例与技术文献报导,研究隧道衬砌裂缝力学因素,提出可诊断力学因素的5种典型裂缝型态。继而透过典型裂缝型态的特征与空间分布,开发出诊断山岳隧道衬砌裂缝力学肇因之流程与方法,并以一实际铁路隧道检测案例验证所提流程与方法。     

连拱隧道衬砌厚度不足对结构安全性的影响研究

为解决因衬砌厚度不足而诱发的连拱隧道结构裂损及安全问题，针对整体式曲中墙连拱隧道，通过相似模型试验，重点研究衬砌厚度不足条件下连拱隧道围岩压力特征、衬砌内力分布以及裂损演化规律。研究结果表明： 1)连拱隧道中墙墙角部位的弯矩最大，中墙墙角外表面产生裂缝,内表面结构压溃，裂损程度最为严重，为最不利位置。 2)衬砌厚度不足部位的边缘是衬砌薄弱截面，左线左拱肩存在衬砌厚度不足时，厚度不足位置右边缘的衬砌内侧开裂；左线左边墙存在衬砌厚度不足时，厚度不足位置上边缘的衬砌外侧开裂。 3)连拱隧道中墙顶部与拱腰接触部位出现较大的拉应力，衬砌厚度不足位置的改变对中墙顶部衬砌受力造成一定的影响，厚度不足位置对侧隧道中墙右上角部位的裂缝出现晚于拱顶裂缝，是连拱隧道结构破坏的重点区域。     

岩溶隧道断续节理掌子面突水判据及灾变过程

为了给岩溶区隧道掌子面突水灾害的预警与防治提供理论支持,针对岩溶隧道掌子面断续节理防突岩体,从断裂力学角度分析了地应力和岩溶水压力等自然营造力作用下断续裂纹的压剪起裂属性以及分支裂纹尖端应力强度因子随水压和支裂纹扩展长度的变化规律,推导了断续节理岩体发生轴向张拉贯通破坏突水的临界水压力。运用两带理论和推导的临界水压力公式,建立了基于最小安全厚度的岩溶隧道掌子面断续节理防突层失稳突水判据,并分析了掌子面前伏岩溶水压力、断续主裂纹长度、断续裂纹排距及裂纹与最大主应力夹角等对防突层最小安全厚度的影响规律。采用可考虑流固耦合效应和岩体结构特征的三维离散元数值分析方法,研究了岩溶隧道近接前方高压富水溶腔顺序开挖中掌子面防突层岩体位移场、渗流场等演化规律及其临突特征。数值模拟结果表明：随着岩溶掌子面的不断推进,掌子面防突层岩体挤出位移逐渐由单一卸荷引起向卸荷和前伏岩溶水压共同影响过渡;掌子面各测点位移及位移增加幅度均持续增大;掌子面挤出位移和掌子面水流速度在突水通道即将形成时出现激增和突升现象,具有明显的突水前兆特征。     

公路隧道裂损病害快速加固及修复技术探讨

隧道衬砌裂损是公路隧道最常见病害,如何尽可能在不间断交通、减少影响交通的情况下,进行隧道快速病害处治,是隧道工程中面临的难题.总结以往隧道衬砌裂损加固处治技术,并结合快速修复不间断交通的技术要求,探讨不同衬砌裂损快速处治技术在快速处治方面应用的可能性,提出不间断交通的隧道衬砌快速加固修复过程中值得注意的问题,为隧道衬砌...     

大直径盾构隧道中隔墙顶裂缝模式及扩展机制研究

为揭示盾构隧道中隔墙顶部混凝土开裂机制,依托南京地铁某大直径盾构隧道区间,采用现场调研和扩展有限元分析相结合的方法,对隧道中隔墙顶部混凝土裂缝模式、分布特征以及开裂过程开展研究。结果表明： 1）区间内中隔墙顶部出现96处裂缝,模式包括Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Y型和Z型,其中Y型和Z型裂缝是Ⅰ型裂缝的亚类型。2）裂缝起裂于烟道板水平向差异位移施加的对侧,Ⅰ型和Ⅱ型裂缝的长度和末端宽度发展曲线呈现3阶段变化特征;裂缝末端宽度与长度之间为非线性关系,250 mm和225 mm是Ⅰ型和Ⅱ型裂缝末端宽度快速增长的临界裂缝长度。3）Ⅱ型裂缝中,同一工况下2条裂缝的扩展曲线基本吻合,板缝间距对曲线各阶段长度与斜率影响较大;Ⅲ型裂缝中,首条裂缝扩展过程与Ⅰ型和Ⅱ型裂缝基本一致,其余2条裂缝的扩展均具有明显的脆性特征。     

董志黄土塬地区浅埋隧道施工地表纵向裂缝发展时空规律研究

为了避免地表纵向裂缝对黄土隧道工程的安全产生危害，依托于甘肃省庆阳市境内董志黄土塬地区浅埋铁路隧道工程，针对浅埋黄土隧道施工地表纵向裂缝发展的时空规律开展研究。通过对现场地表纵向裂缝发育情况的调查，结合室内计算机数值模拟计算，分析裂缝的形成原因，并根据裂缝成因整理模型土体中纵向裂缝发展状态的确定方法。在对不同隧道埋深工况下地表纵向裂缝的发展状态和不同时间点中地表纵向裂缝的发展状态进行分析后，得出地表纵向裂缝发展的空间规律与时间规律，最后总结形成浅埋隧道施工地表纵向裂缝发展时空规律，并提出减少地表纵向裂缝的防控措施建议。     

黄土隧道施工地表裂缝测试方法及深度预测

黄土隧道施工易产生地表裂缝,近年来逐渐引起人们重视。虽然现场地表裂缝的出现位置、发展方向和裂缝宽度容易测试和判别,但裂缝发展深度难以测定。结合实践,尝试用物理探测和人工探坑相结合的方法,对郑西客运专线黄土隧道地表裂缝进行了现场实测,并对裂缝的发展深度进行了预测。形成了一套完善的预测地表可见裂缝深度的探坑方法。两类测试方法的分析结果表明:极浅埋黄土隧道易形成贯通裂缝,而较深的隧道难以形成贯通裂缝。     

重载列车对隧道裂损衬砌承载性能的影响研究

为定量分析重载列车动载作用下隧道裂损衬砌裂缝的演化机制和承载性能的变化规律，采用扩展有限元与直接循环法相结合的方法模拟裂缝在列车荷载作用下的扩展路径，并通过模型试验对方法的有效性和准确性进行验证。模型试验与数值模拟的误差仅为3.7%，表明该数值模拟方法较为精确。研究发现： 1）在重载列车动载作用下，裂损衬砌仰拱处的动力响应相较于衬砌其他位置会更为剧烈，裂损衬砌仰拱处的安全系数与衬砌其他位置相比则更小，因此裂损衬砌仰拱位置为重载列车动载下的危险部位； 2）重载列车轴重对裂损隧道衬砌的动力响应影响比初始裂缝深度及车速对裂损隧道衬砌的动力响应影响更为明显，而裂损衬砌的安全性能受初始裂缝深度影响比受轴重及车速影响更为显著。