地层空洞影响下地铁盾构隧道衬砌结构响应试验研究

为探究盾构隧道管片背后空洞对隧道结构的影响,采用模型试验手段,考虑空洞形成过程,分别就无空洞,拱顶、拱腰、拱底背后空洞4种工况下衬砌结构变形、受力、与地层接触压力的响应规律进行研究.研究结果表明:无空洞时,衬砌受到均匀的地层压力,同时地层也提供给衬砌充足的地层反力,管片内力呈"对称式"分布.有空洞时,空洞的存在改变了衬...     

背后空洞引起高速铁路隧道衬砌裂缝形态的FEM对比分析

衬砌背后空洞和衬砌开裂是威胁高速铁路隧道行车安全的最主要问题。高速铁路隧道衬砌背后空洞不仅是威胁隧道结构安全的重要因素,更是造成衬砌结构开裂最主要的原因。通过基于虚拟裂缝模型的扩展有限元方法(XFEM)和基于弥散裂缝模型的常规有限元分析方法(CFEM)的地层结构模型,对高速铁路隧道衬砌拱肩背后一定范围内空洞引起的衬砌开裂形态进行数值模拟分析,开裂形态表现为拱肩背后空洞近拱顶边缘的二次衬砌内侧开裂,同时初期支护环向贯通开裂。研究表明,扩展有限元法能较好地描述衬砌开裂的走向、长度等开裂形态以及扩展规律等,而ANSYS中的SOLID65单元能实现对衬砌背后空洞引起衬砌开裂范围的定性描述,两者之间相互补充和相互验证能较为准确地描述衬砌开裂的几何信息,进而有助于衬砌结构开裂应力场分析。     

弱抗力地层盾构隧道失稳破坏的模型试验研究

以外径10.8m的大断面盾构隧道为研究对象,针对标准贯入度N≤5的软弱黏土地层条件,进行盾构隧道管片衬砌结构的失稳破坏模型试验,分析拼装方式、接头抗弯刚度、管片刚度、地层空洞及地层改良对盾构隧道稳定性的影响,探明盾构隧道的失稳破坏形态。结果表明,与增强管片结构刚度措施相比,地层改良更能显著提高盾构隧道的稳定承载力;地层空洞的存在加剧了管片衬砌的失稳,空洞位置越靠近隧道拱腰水平位置,盾构隧道的稳定性越差;从提高盾构隧道的稳定性方面考虑,建议采用错缝拼装方式、刚性管片接头,并避免管片缺陷的产生。盾构隧道失稳是管片衬砌结构强度破坏与整体刚度降低耦合发展的结果。在无管片缺陷、无地层空洞情况下,盾构隧道失稳时的管片衬砌最大单点位移80~140mm,椭圆扁平率2%~5%,可为外径10m级盾构隧道失稳判定提供参考。     

含壁后空洞盾构隧道管片安全分析

为探究空洞对盾构隧道的影响机理,通过建立考虑环、纵向接头的盾构隧道精细化数值模型,研究不同空洞深度、面积、位置等多种情况下管片内力、变形及截面安全系数的变化规律,并探讨管片不同拼装点位对含壁后空洞隧道的影响。研究结果表明：隧道壁后不同位置空洞对结构安全不利影响的排序为：隧腰>隧底>隧顶;空洞面积为5.0 m²时,随空洞深度增加,隧顶或隧底空洞中心处隧道截面弯矩及安全系数呈先减小后反向增大的趋势,且管片椭变先减小至0后反向增大,弯矩分别在空洞深0.3、0.2 m时反弯,左隧腰空洞中心处截面安全系数不断降低,管片椭变及弯矩大幅提升;空洞深度为0.5 m时,隧顶或隧底空洞中心处隧道截面弯矩均在空洞面积3.75 m²时反弯;空洞范围内存在纵缝会降低空洞中心处隧道截面内力并提升其安全系数,但其最大张开为空洞内无接缝时的2.0～3.5倍。研究成果可为盾构隧道壁后空洞安全评价、拼装点位选取提供参考。     

地震作用下隧道衬砌背后空洞影响机制研究

研究目的:由于隧道衬砌背后空洞的存在对隧道抗震影响很大,本文以高烈度地震区的敦煌-格尔木铁路阔克萨隧道为研究背景,研究隧道衬砌背后空洞位置、空洞大小、围岩级别和隧道埋深等因素对隧道结构的地震动力响应规律及影响机制,并提出合理的加固方案,确保地震作用下隧道运营安全。研究结论:(1)空洞的存在降低了衬砌结构的变形性能和抗震特性;(2)对空洞隧道拱顶最大主应力影响最敏感的因素是围岩级别,其后依次为空洞环向大小、空洞位置、空洞径向大小和空洞轴向大小,而隧道埋深则是最不敏感的因素;(3)回填注浆加固方案可降低隧道衬砌的拉应力,改善衬砌的内力和应力分布,回填注浆+套拱加固方案要比回填注浆+锚杆方案作用效果好,回填注浆+锚杆+套拱组合加固方案抗震效果最佳;(4)本研究成果对隧道衬砌背后存在空洞时在地震作用下的空洞影响机制和加固方案选取具有一定的指导意义。     

地质雷达无损检测在隧道二次衬砌中的应用

研究目的:运营隧道二次衬砌的病害检测、维修加固对于保证隧道的行车安全和衬砌的受力安全等具有重要的意义.本文以地质雷达检测蕉溪岭隧道群二次衬砌的病害,以直刚法研究空洞病害对二次衬砌的影响,并分析其原因,同时针对空洞大小提出一些相应的整治措施.研究结论:二次衬砌的病害原因主要是拱顶背后存在空洞及渗漏水.空洞的存在使得二次衬砌的受力复杂、不利,且拱顶和拱腰为受力的薄弱位置.拱顶背后空洞存在的主要原因是施工单位对设计意图理解不到位,未按新奥法施工,其次是二次衬砌封顶困难等.拱顶背后空洞较多时必须进行处理,以使二衬结构处于良限的受力状态,确保营运安全.     

地质雷达无损检测在隧道二次衬砌中的应用

研究目的：运营隧道二次衬砌的病害检测、维修加固对于保证隧道的行车安全和衬砌的受力安全等具有重要的意义。本文以地质雷达检测蕉溪岭隧道群二次衬砌的病害，以直刚法研究空洞病害对二次衬砌的影响，并分析其原因，同时针对空洞大小提出一些相应的整治措施。 研究结论：二次衬砌的病害原因主要是拱顶背后存在空洞及渗漏水。空洞的存在使得二次衬砌的受力复杂、不利，且拱顶和拱腰为受力的薄弱位置。拱顶背后空洞存在的主要原因是施工单位对设计意图理解不到位，未按新奥法施工，其次是二次衬砌封顶困难等。拱顶背后空洞较多时必须进行处理，以使二衬结构处于良限的受力状态，确保营运安全。     

某铁路隧道衬砌拱腰拉裂拱顶压溃病害原因探析

隧道衬砌缺陷致害研究是当前热点,对衬砌病害产生原因进行探析对隧道施工及设计来说尤为重要。通过结合相关资料、建立FLAC2D二维模型对某隧道出现的拱腰拉裂、拱顶压溃病害原因进行初探,研究结果表明:(1)拱顶背后存在空洞是引起隧道衬砌拱腰拉裂、拱顶压溃病害的主要原因。(2)拱顶背后存在空洞将引起衬砌受力发生显著变化,具体表现为拱部由衬砌背后无脱空工况下的洞内侧受拉转变成洞外侧受拉,且拱顶衬砌内表面处出现压应力集中。     

钢纤维混凝土管片结构力学特性研究

为探究钢纤维混凝土管片结构力学性能,对主筋用量不削减、掺入30 kg/m³钢纤维的钢筋钢纤维混凝土管片结构开展极限承载力试验。管片错缝拼装形成试验结构,通过环向24组千斤顶模拟水土作用对结构施加荷载,通过逐步减小腰部荷载模拟侧部卸载工况,直至结构破坏。在卸载工况下,结构每环在0°,90°,180°或270°等弯矩较大位置附近的3处纵缝先后发生混凝土压裂和压碎,最终在0°或180°附近管片钢筋屈服、混凝土压碎,结构形成4个塑性铰破坏。根据试验测试的应变数据对结构内力进行计算,分析钢纤维混凝土对结构刚度和承载力的提升作用。研究结果表明,相比普通混凝土结构,在刚度方面,管片初裂时,钢纤维混凝土管片刚度提升6.91%,当裂缝宽度超过0.2 mm时,钢纤维混凝土管片刚度提升3.45%,提升作用降低的原因是随着荷载增大,钢筋应力逐渐增加,钢筋对管片刚度的作用增大而钢纤维混凝土对刚度作用基本不变;接头混凝土压裂时,钢纤维混凝土接头刚度提升18.7%。在承载方面,钢纤维混凝土管片极限承载力提升6%,接头极限承载力提升3%,整体结构极限承载力提升4.2%。并且,由于钢纤维混凝土对接...     

高速铁路隧道拱顶二次衬砌背后存在空洞时气动荷载对其的影响

为了探索隧道拱顶二次衬砌背后不同范围内存在空洞条件下高速列车气动荷载对隧道二次衬砌结构的影响,采用隧道空气动力学的流体力学分析方法及结构力学分析方法,对二次衬砌结构的受力进行研究。研究结果表明:在气动荷载作用下,隧道二次衬砌结构处于"拉—压"的循环受力状态中;在隧道拱顶二次衬砌背后存在空洞时,衬砌结构上产生的瞬态应力变化规律与其受到的气动荷载变化规律一致,当列车运行速度为350km·h-1时,二次衬砌结构上产生的最大瞬态应力是同一时刻气动荷载的约39倍;在最大正峰值气动荷载作用下,随着拱顶二次衬砌背后空洞范围的增大,拉应力范围逐渐变小,拉应力值先增大后减小;在最大负峰值气动荷载作用下,隧道拱顶二次衬砌第一主应力仅有压应力而无拉应力作用,而且随着拱顶二次衬砌背后空洞范围的增大,二次衬砌受压区的范围逐渐变小,压应力值先增大后减小;二次衬砌结构上产生的最大应力绝对值随着列车运行速度的提高而增大,且与列车运行速度的平方成二次函数关系。     

衬砌刚度对盾构隧道抗震性能的影响分析

研究目的:提高盾构隧道的抗震性能是保证隧道安全运营、保证人民生命及财产安全的必然要求。盾构隧道抗震减震措施主要有改变衬砌一定范围内围岩的性能和改变结构本身的性能。改变衬砌结构本身性能方面有多种方式,如增加衬砌厚度,改变管片环向或纵向接头方式、改变衬砌刚度等。本文通过数值分析比较不同的衬砌刚度对盾构隧道抗震减震性能的影响,为盾构隧道抗震设计提供参考。研究结论:根据不同衬砌刚度盾构隧道的受力分析,得出单纯提高管片的刚度并不能提高盾构隧道的抗震性能,反而增加衬砌管片的受力。随着隧道衬砌刚度的增加,衬砌结构的位移减少量不足2 mm,因此增加衬砌刚度对约束盾构隧道在地震作用下的变形并不明显。     

施工期盾构隧道管片衬砌裂损病害统计分析

研究目的:针对某地铁盾构隧道工程施工期管片衬砌结构大范围开裂及脱落现象,对管片裂损病害的形态特征、分布规律以及危害程度进行统计分析,以期探明多种施工因素影响下管片衬砌结构的裂损机理,从而为隧道维修养护提供参考。研究结论:(1)管片裂损按照所占比例由大到小依次为:拱顶脱落、纵向裂纹、边角部裂损,拱顶脱落及纵向裂纹是施工期影响管片质量的最主要因素,且管片裂损病害的主要致因包括不良千斤顶推力作用(推力过大和推力不均)、管片错台以及管片环间接触面不平整等因素;(2)纵向前裂纹数量更多、波及范围更广、病害程度更深,是威胁隧道结构承载力及耐久性的最主要病害形式;(3)拱顶脱落对隧道结构的纵向受力特性影响较大,但其发生、发展与管片结构榫槽设置有关,通过对管片参数的优化、调整能够有效降低这一管片病害的发生;(4)该研究对于盾构施工控制具有指导意义。     

基于三维非连续接触模型的管片错台分布规律及影响因素研究

针对盾构隧道施工阶段中管片环缝错台的问题,建立围岩-管片-螺栓三维非连续接触模型,基于管片与围岩、管片接头之间的非连续性,考虑围岩与衬砌的相互作用,模拟盾壳前移、浆液硬化、围岩补强等产生的动态效应,对管片错台分布规律和影响因素进行深入研究。研究结果表明,管片环整体向扁圆化发展,拱腰外扩、拱底隆起,管片环缝错台也主要位于拱腰和拱底。管片环脱离盾壳时,衬砌整体变形与管片环缝错台最大,随着浆液硬化,衬砌整体变形速率变缓,管片环缝错台缩小,最终趋于稳定,说明浆液的硬化和围岩的补强对隧道整体变形和管片环缝错台起到一定控制作用,且封顶块点位对隧道整体变形的影响较小。     

盾构隧道拱顶背后空洞引起管片裂损机理研究

同步注浆不均则衬砌管片背后易形成不密实或者空洞,导致管片变形、裂损和掉块。针对这一问题,依托一地铁盾构隧道建立三维地层结构模型,采用扩展有限元法对拱顶背后空洞引起混凝土管片裂纹的应变及变形特性进行探究。研究结果表明:拱顶背后空洞范围对管片裂纹的分布位置、扩展方向、最终裂纹形状都有很大影响,管片最大位移出现在拱顶背后空洞范围的中心,且随着空洞范围的增大而增大。     

盾构隧道沉降下整体道床变形及层间脱空分析

研究目的:盾构隧道管片沉降引起的整体道床脱空已成为影响地铁安全运营的重要因素。为揭示盾构隧道管片沉降下整体道床力学特性,建立轨道-整体道床-管片衬砌空间耦合有限元模型,并依托北京机场线T2支线东、西两侧线路的管片实际沉降监测数据,分析道床脱空下整体道床的变形以及破坏特征。研究结论:(1)当管片发生局部沉降,沉降波谷位于伸缩缝处时,道床上表面在沉降起始处出现开裂,道床底部两侧小范围会出现开裂;沉降波谷位于两伸缩缝中间位置时,道床上表面会出现大范围的开裂现象,且出现在管片沉降的起始位置,道床底部两侧及管片沉降波谷处会出现开裂现象;(2)当管片发生连续沉降,在两个沉降区的波谷都不位于伸缩缝处时,道床底部会出现大范围的开裂,道床上表面所受拉应力比较小,不会出现开裂;在其中一个管片沉降区的波谷位于伸缩缝处时,道床的两侧小范围会出现开裂,道床上表面会出现大范围的开裂;(3)该研究成果对地铁盾构隧道的养护维修具有一定的借鉴价值。     

正断层错动下乌鲁木齐地铁1号线隧道结构受迫影响研究

以乌鲁木齐地铁隧道穿越九家湾活动正断层工程为例,建立穿越活动正断层隧道结构的三维弹塑性有限元模型,模拟分析在正断层错动作用下隧道二次衬砌应力、塑性区分布规律及裂缝分布特征;通过大比例尺跨活动正断层隧道剪切错动室内模型试验,明确隧道结构在断层剪切错动下的破坏范围及破坏形态。结果表明:数值模拟结果与模型试验结果的规律一致性较好;断层面处隧道衬砌承受压—剪—扭的组合作用,衬砌破坏最严重;二次衬砌开裂主要以纵向裂缝为主,集中在仰拱内侧、墙脚外侧及拱顶内侧;剪裂缝集中在断层迹线处的隧道拱脚,环向裂缝多出现在拱腰位置;上盘二次衬砌开裂范围均大于下盘;设防时应加强环向主筋及箍筋,使隧道整体结构形成环—纵向骨架,从而减少纵向和斜向开裂,并防止纵向裂缝的贯穿。     

泡沫混凝土在隧道衬砌背后空洞中的处治技术研究

泡沫混凝土是一种新型独特的多功能建材,具有轻质、整体性能好、低弹减震性好等特点。结合G312线六盘山隧道加固改造工程背景,对隧道在施工过程中进行了衬砌背后空洞区探测,综合分析衬砌背后空洞原因,确定采用泡沫混凝土对衬砌背后空洞进行处治;重点讨论了材料优点和使用要求以及隧道衬砌背后空洞处治施工工艺。通过该方法和手段保证了衬砌背后空洞的受力安全,降低对隧道衬砌的附加荷载,并形成缓冲层,为隧道加固改造工程及类似施工提供技术参考。     

隧道衬砌空洞敲击回声特性

为提高隧道衬砌空洞检测效率、指导隧道衬砌空洞自动敲击检测装置研制，开展隧道衬砌空洞敲击回声特性研究。依托我国双线隧道结构形式建立隧道衬砌声-结构耦合模型，以边长分别为0.4,0.6和1.0 m、衬砌厚度分别为0.05,0.15和0.35 m的9种空洞为重点，仿真分析敲击力、敲击点位置、空洞边长和衬砌厚度与衬砌回声声场分布特性间的关系；通过模型试验，验证仿真模型参数设置及仿真分析方法的可靠性。结果表明：空洞边长越大或空洞处衬砌厚度越小，基频越低；9种空洞的振动主频在318～1 837 Hz，计算时按200～2 000 Hz取值，该范围下隧道空间内声模态对隧道衬砌敲击回声声场分布影响较小；为识别边长0.4 m、衬砌厚度0.15 m的最小空洞，敲击力幅值应不小于5 kN，脉冲宽度应不大于0.3 ms；回声采集传感器应布设在距敲击点不大于1.0 m，且与敲击点轴线夹角不大于30°的范围内；面积不小于1.0 m²、衬砌厚度小于0.20 m的空洞，其敲击回声声压级超过50 dB，空洞特征易于识别。     

装配式圆形衬砌环结构变形特性试验研究

盾构隧道一般采用预制管片拼装的方式施做衬砌结构。荷载作用下衬砌结构的径向位移及管片间接缝内外侧的张合位移是衡量这类装配式结构变形状态的基本指标。通过圆形拼装衬砌环结构的极限承载试验,获得了衬砌环结构径向位移和接缝张合位移随荷载发展的曲线,分析给出了其关键性能点的荷载、整体变形、径向位移、直径变化率以及接缝张合位移。     

考虑围岩蠕变特性的TBM隧道管片衬砌受力特性研究

为研究深部高地应力岩层中修建TBM隧道时管片衬砌结构的力学行为,以某深埋TBM工法隧道为研究对象,建立基于围岩蠕变和管片分块效应的衬砌-围岩复合模型,研究考虑时间效应下管片衬砌的受力特性。结果表明:考虑围岩蠕变效应下管片衬砌受力表现出明显的时间效应。随着围岩蠕变时间的延长,管片衬砌的形变、内力和接缝张开量均呈现两阶段增长,具体表现为前期呈线性增长,后期增加趋缓。洞周围岩应力经历三阶段变化,即先减小后增大直至稳定。围岩蠕变时间为100年时,管片衬砌的内力和形变量均接近极限值。研究结果可为深部高地应力且考虑围岩蠕变效应下的TBM隧道衬砌结构设计提供参考。