富水大断面公路隧道水压模型试验及衬砌结构力学行为研究

为研究隧道衬砌在围岩压力及外水压力综合作用下的受力特征、结构安全性及破坏过程，采用自制的均匀水压模拟加载装置及隧道地层复合试验台架，实现对围岩压力及外水压力的分别控制加载，完成在深埋条件下不同外水压力作用下衬砌结构受力模型试验。运用ANSYS有限元软件分阶段计算衬砌在水土压力作用下的受力特征，计算各部分安全系数，并与试验结果对比分析。研究表明：采用抽真空的方法模拟外水压力时，外水压力值越大，试验结果越接近真实情况，当外水压力达到150 kPa时，其差值可控制在5%以内；在外水压力及围岩压力的作用下，墙脚及拱底分别受最大正弯矩及最大负弯矩作用，且安全系数较其他位置小；随着外水压力的增大，衬砌所受的轴力及弯矩持续增大，且增大速率基本呈线性，其中墙脚位置增长速率最快；随着荷载的增大衬砌结构墙脚最先发生破坏，墙脚裂缝发展导致衬砌结构应力重分布，最终引起拱底开裂；墙脚的裂缝导致墙脚处承受的正弯矩不断减小，拱底承受的负弯矩不断增大，安全系数不断减小；当墙脚的裂缝宽度发展至1.5~2.0 mm时，试验数据及数值模拟结果计算所得拱底安全系数降低至1.5左右，拱底不再满足承载要求，与试验中衬砌的开裂行为相吻合。所提出的模型试验方案可为类似模型试验提供参考，研究成果可为富水大断面公路隧道的设计及安全评估提供依据。     

连续配筋水泥混凝土路面开裂过程及影响因素分析

为了解CRCP路面的开裂过程及影响因素,借助有限元软件ANSYS,对CRCP路面早期及后期的开裂过程进行了分析,并讨论了地基阻力、筋材模量、温差及黏结刚度对CRCP路面开裂行为的影响。结果表明:在水泥混凝土面层铺设初期,裂缝大约在其间距为40 m时稳定;当水泥混凝土板长小于15 m时,地基摩阻力对板中混凝土的应力影响很小;筋材模量越大,筋材约束混凝土变形的能力就越强,最终水泥混凝土的开裂间距越小;温差越大,水泥混凝土路面的开裂速度也越快,但最终水泥混凝土的裂缝间距是趋于一致的;筋材与混凝土间的黏结刚度越大,水泥混凝土路面的开裂速度越快,最终的裂缝间距也越小。     

公路隧道外水压力的相似模型试验研究

针对确定公路隧道衬砌外水压力的技术难题,利用自行设计的模型试验装置,采用相似理论,进行了38组工况试验。试验主要研究了水头高度、渗透系数、隧道排放量以及组合排放系统等因素与外水压力和折减系数的关系。通过对相似准则的分析得出,进行工程类比时应注意水头高度的相似关系为平方关系。试验结果表明:水头高度越小、隧道排放量越大、围岩渗透系数越小,隧道外水压力则越小;无论隧道是否完全封堵,只要周边存在排水点,且隧道在其渗流影响的范围之内,隧道外水压力就可折减。此外,深入分析组合排放系统的试验结果,提出了对于隧道周边富水洞穴应采用"复合回填"的处治方式的理念。最后指出,采用这种相似模型试验确定的外水压力是岩石隧道外水压力的上限值。     

腐蚀离子环境中盾构隧道衬砌结构侵蚀劣化机理

为揭示外水压与周围腐蚀离子环境长期耦合作用下盾构隧道衬砌结构侵蚀劣化机理,对压力渗透下管片混凝土多孔介质渗透深度与离子侵蚀运移进行理论解析,建立管片接头离子侵蚀对流-弥散运移数值模型,在一维渗流状态下验证了考虑压力渗透作用的腐蚀离子侵蚀理论的合理性,并建立可考虑压力渗透、离子对流-弥散运移以及管片接头非连续的盾构隧道衬砌结构离子侵蚀数值模型,重点分析了整环管片衬砌结构侵蚀劣化规律。结果表明:水压力的存在对海水渗透具有促进作用,外水压力越大,对海水渗透效果越显著;外水压力的增大将导致氯离子含量的增加,外水压力越大,同一位置累积到相同离子浓度所需的累积时间越短;管片接头处离子含量分布具有局部集中的特点,整环管片衬砌结构离子侵蚀大小关系为拱顶拱腰拱底;服役初期仅管片接头附近外排钢筋出现锈蚀,而后出现外排钢筋整体性锈蚀,体现出不均匀锈蚀的特点,且随着服役时间的延长,外排钢筋不均匀锈蚀差异减小。     

大断面公路隧道二次衬砌受力特性模型试验

为研究大断面公路隧道运营期二次衬砌受力特征,开展室内相似模型试验,采用主动加载方式模拟隧道在运营过程中承受的围岩压力,对3车道和加宽带2种断面二次衬砌受力、变形及破坏规律进行研究。试验结果表明： 1）按规范设计的大断面隧道衬砌结构在设计荷载作用下内力和变形均较小,结构具有较高的安全储备; 2）衬砌各截面内力（弯矩、轴力）随围岩压力的增加呈现先慢后快的增加趋势,偏心距则呈现逐渐减小的变化趋势; 3）开挖断面越大,内力控制截面越多; 4）开挖断面大小对衬砌变形及破坏形态也有一定影响,断面越大,拱顶、边墙变形越大,衬砌各部位开裂荷载差异越明显,且衬砌开裂过程持续时间越长。     

超长超宽现浇隧道新型裂缝控制技术及应用

以国内最长最宽的水下隧道太湖隧道为例，基于侧墙结构内部水化热及与底板的不同步收缩引起的高开裂风险问题，采用ABAQUS有限元仿真分析多场耦合作用下的侧墙结构温度及应力，提出针对性控裂措施并进行现场应用。研究表明：基于普通C40混凝土热力学参数结合现场实际，提出的分段长度20 m、浇筑间隔时间30 d工况下，隧道开裂风险系数为1.38;提出新型抗裂材料配制高抗裂性能混凝土即抑制水化热及补偿全过程收缩的机理，结合新老混凝土温度场自平衡系统以降低内表温差及利用补偿不同步浇筑结构结合面温差的机理，形成系统性高成效控裂措施，开裂风险大幅降低至控制系数0.7以内；综合现场入模温度控制和其他施工工艺，现场控裂效果良好，跟踪持续监测12个月，外观质量好，无有害裂缝产生。     

破碎泥质岩隧道滞后形变与衬砌刚度关系规律试验研究

为了解破碎泥质岩隧道滞后变形与衬砌刚度的关系,以云桂铁路小寨隧道工程为依托,通过室内模型试验对小寨隧道实际开挖、支护及支护完成后围岩的劣化过程进行模拟,对围岩劣化过程中二次衬砌的围岩压力、位移及内力的变化规律进行研究。研究结果表明： 衬砌刚度对于控制泥质岩隧道滞后变形有着重要的影响; 二次衬砌的刚度越大,其承受的围岩压力及内力越大,则最大弯矩越大,容易出现开裂;针对小寨隧道的实际情况,30 cm的初期支护+I25b型钢钢架+40 cm的C35钢架混凝土二次衬砌是较优的支护结构设置。     

隧道内连续配筋混凝土路面早期裂缝发展研究

对隧道内CRCP从铺筑至7d龄期的裂缝长度、宽度和间距进行调查,结合早期温度场、应力场的分布,得到了隧道内CRCP早期裂缝的发展规律及影响因素.研究表明:混凝土铺筑后的前4d,尤其是前2d,内部温度明显高于气温,应力呈显著上升趋势,85％的早期开裂出现在这一阶段;水泥水化、早期干缩是混凝土内部温度、应力上升的主要因素;使用低热水泥、降低单位用水量、提高混凝土的均匀性可以有效地控制裂缝长度、宽度和间距.     

基于弹性地基梁法的隧道纵向变形开裂机理及治理方案研究

在隧道穿越山岭的过程中,常需要穿越堆积层边坡等不良地质层,而堆积层坡体具有较差的工程特性。在遇到降雨的情况下,堆积体内雨水大量入渗等原因易导致隧道衬砌结构的变形,隧道支护结构发生开裂等破坏,严重降低了隧道施工和运营的安全可靠度。以湖南省张家界某堆积体边坡隧道为依托工程,首先结合工程地质勘察报告开展坡体表面与深部位移监测和隧道二衬裂缝宽度监测,分析滑坡面的位置和隧道二次衬砌发生开裂的原因。其次基于弹性地基梁理论构建滑坡推力下隧道计算模型,建立微积分方程,将基于不平衡推力传递系数法得到的滑坡推力作用在隧道结构上,从而得到滑坡推力作用下平行于堆积层边坡的隧道支护结构的受力和变形特性。然后采用所得到的隧道支护结构的理论计算方法探讨降雨强度、堆积体力学参数以及隧道支护结构下侧加固强度对二次衬砌裂缝开展规律的影响。最后采用所得到的隧道支护结构的理论计算方法建立了边坡安全系数与二次衬砌裂缝宽度的拟合关系曲线为y=-5.559x+7.645 3。从而计算出二衬不开裂情况下边坡的安全系数值为1.375 4,并对该堆积层边坡进行锚杆支护优化设计。为后续类似工程的施工设计提供建议。     

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。     

隧道施工技术及质量控制

隧道工程通常包括岩石隧道和软土隧道,一般山体中的隧道多为岩石隧道,因此又称作山岭隧道;而水底或者城市中修建的多为软土隧道,所以称之为城市道路隧道或者水底隧道。文章主要分析了山岭隧道的施工技术以及质量控制措施。     

公路水下隧道地质勘察技术分析

通过总结我国公路水下隧道地质勘察设计经验,结合钻爆隧道、盾构隧道、沉管隧道及堰筑隧道4种水下隧道建设工法的设计与施工特点,提出水下隧道地质勘察成果不仅应满足各设计阶段的要求,而且还应满足工法的需要。强调地质勘察质量取决于勘察方案的合理性、勘察手段的针对性以及勘察成果的完整性。制订切合实际的地质勘察方案,投入与各阶段设计深度相适应的地质勘探工作量,对提升地质勘察工作的质量和保证工程安全至关重要。通过综合分析,给出了不同地质条件下各类水下隧道的合理勘探方法与应达到的勘察深度,对提高水下隧道工程质量与安全具有参考价值。     

火灾高温下盾构隧道衬砌结构热力耦合模型试验

为研究火灾高温下盾构隧道衬砌结构的热力耦合行为，利用自主研制的温度加载设备和衬砌管环外压加载设备，分别设计并开展整环衬砌结构的无外压受热模型试验和热力耦合模型试验。试验使用不考虑接头效应的钢纤维混凝土匀质管片。首先，介绍2种试验设备的原理、主要构造和各类参数；在此基础上，针对模型试验过程进行细致的说明。然后，通过对衬砌管片结构形式的分析确定试验的火灾加载工况；详尽描述不同试验的相关结果，重点分析衬砌结构内表面各处温度场的变化过程、分布情况、管片的变形结果及破坏模式。研究结果表明：温度加载设备和衬砌管环外压加载设备能够较好的满足整环衬砌热力耦合研究的模型试验要求；试验初期底部管片的升温速率相对顶部管片有所滞后，但各部分间的温差数值随加热的持续进行会逐渐减小，衬砌结构内部能够形成稳定的温度场；无外力作用下匀质管片的破坏形式表现为沿幅宽方向的贯穿裂缝，各管片结构的裂缝发展路径存在差异；衬砌管片由于外压作用产生的压应变随温度的升高而减小；外压荷载对衬砌结构在高温下产生的膨胀变形存在抑制效果。研究结果可为盾构隧道整环衬砌结构热力耦合研究的进一步发展提供参考。     

我国隧道及地下工程近两年的发展与展望

总结我国隧道及地下工程近两年的发展情况。1)铁路、公路、地铁、水工等主要领域的隧道总数和总长度快速增长。2)重难点隧道及地下工程建设进展顺利:青藏铁路关角隧道、兰新高铁祁连山隧道、兰渝铁路木寨岭隧道、烟台地下水封LPG洞库、渝黔高铁天坪隧道等相继完工;港珠澳大桥沉管隧道、引松供水隧洞、引汉济渭输水隧洞、武汉三阳路长江隧道、大瑞铁路高黎贡山隧道、京张高铁八达岭地下车站、惠州地下水封油库、湛江地下水封油库、珠海横琴地下综合管廊等在如期建设中。3)特长山岭隧道建设技术、软岩隧道大变形控制技术、高瓦斯隧道建设技术、岩爆隧道建设技术、大断面矩形顶管及矩形盾构设计与应用技术、隧道机械化施工水平等方面取得了进一步的突破。我国隧道及地下工程修建技术整体处于国际先进水平。国家新型城镇化建设、新一轮西部大开发、"一带一路"、海绵城市、城市地下综合管廊、城市轨道交通、京津冀协同发展、长江经济带、珠三角经济区等战略规划,为我国隧道及地下工程领域技术发展带来了前所未有的契机。最后,基于隧道及地下工程发展方向,指出超长隧道技术,高地应力软岩大变形控制技术,高水压、大断面水下隧道建设技术,高地温、高地热隧道建设技术,高地震烈度与构造活跃带的隧道建设技术,隧道运营维护管理技术,新材料研发与应用的开发等是今后需要深入研究的关键课题。     

狮子洋隧道盾构施工危险源分析及对策

以广深港铁路客运专线狮子洋隧道盾构工程为依托,通过对狮子洋隧道盾构施工中的重大危险源:带压进仓、常压进仓、泥水系统、盾尾密封等进行分析,制定了针对性的应急措施和安全控制要点,施工中有效规避了重伤以上安全责任事故的发生,细化并规范了特长水下盾构隧道施工防灾、救灾管理,以期为类似工程特别是大直径水下盾构工程施工提供参考。     

引水洞爆破施工对既有隧道衬砌的影响分析

某铁路隧道建成运营后,受溶洞区域水压大的影响,岩溶核心段出现衬砌渗漏水现象。为了解决衬砌渗漏水问题,通过在正洞顶部施作引水洞,截取岩溶水,减小作用在隧道衬砌周围的荷载。本文结合某铁路隧道引水洞爆破施工,通过从爆破震动、结构变形等动态监控和土压力、型钢应力、混凝土应变等静态监控,分析引水洞施工期间正洞衬砌结构受力和变形情况,得出爆破震动速度和结构受力都控制在允许标准以内,并且隧道结构变形很小、结构受力相对稳定,说明引水洞施工对正洞衬砌结构影响小,保证了运营线的安全。     

杨家湾隧道衬砌脱空和渗漏水预防

伴随《铁路"十二五"发展规划》的实施,西南山区铁路高隧线比和长大隧道多的特征日益显著,隧道工程质量缺陷对铁路建设和运营的安全影响度也越来越高。近期开通的铁路隧道不同程度地出现渗漏水、脱空和裂纹等现象。为了提高复合式衬砌隧道工程建设质量,在总结杨家湾隧道建设中防止衬砌脱空和渗漏水成功案例的基础上,提出衬砌台车的设计与制作、在衬砌端头设置台阶、纵向止水带采用"牵引"或"悬挂"方式、防水层铺设、混凝土分层浇筑等施工工艺,有效地解决了隧道衬砌脱空、渗漏水等问题。     

海底盾构管廊隧道结构病害分析及治理技术

水下隧道在长期运营过程中受各种因素的综合影响,尤其结构处于海水侵蚀下,极易引起隧道结构不同形式的病害,若不及时地进行有针对性的治理,必将对隧道结构及运营安全带来严重威胁。本文通过对病害的检测,判析隧道结构缺陷及病害对隧道结构稳定性的影响,并对病害产生的原因进行分析;针对不同类型的病害,提出有针对性的治理及修复措施,并严格科学施工,取得了较好的治理效果。本文研究可为水下盾构隧道的长期安全运营提供保障,同时,可为水下盾构隧道的病害治理提供依据。     

隧道地下水处治的国内外研究现状分析

为深入研究隧道设计、施工面临的地下水处治难题,为高压富水隧道设计、施工提供理论依据,对隧道地下水处治技术的现状进行分析。不同部门在不同时期和社会经济条件下,提出了不同规范和地下水处理措施。针对隧道工程设计、施工过程所遭遇的地下水问题,尤其是隧道衬砌水压力荷载问题,各行业部门在隧道(洞)工程支护结构设计中对富水地层地下水压力对支护结构的影响认识并不一致,尤其是对外水压力能否折减仍存在一定争议,对地下水作用的认识仍未达成共识。为此,对隧道地下水问题从概念和方法上进行研究,在研究现状及存在的主要问题分析基础上,提出了下一步研究思路。     

基于六盘山隧道衬砌混凝土腐蚀破坏分析及对策

宁夏盐渍地区混凝土工程(桥基、隧道)腐蚀破坏比较严重,通过现场水质调查分析和综合评价,分析了混凝土腐蚀破坏模式及其机理。针对工程病害以及该地区特殊的地质水文环境,研制了掺有粉煤灰和高效减水剂的双掺耐腐蚀混凝土配方。通过试验确定了的这种混凝土性能优于规范中抗硫酸水泥,并接近高抗硫酸水泥,在保证双掺混凝土抗腐蚀性能的基础上降低了工程成本。同时,对隧道衬砌混凝土常见的开裂、渗漏破坏提出了相应的设计、施工建议,取得了较好的社会和经济效益。