衬砌背后空洞对连拱隧道结构受力和破坏的影响研究

为研究衬砌背后空洞而诱发的连拱隧道结构破坏机制及解决维修整治难题，以衬砌背后存在空洞时的连拱隧道为研究对象，通过相似模型试验和有限元数值模拟，研究空洞位置及尺寸变化时连拱隧道围岩压力分布、结构安全状态及破坏演化规律。结果表明： 1）因为衬砌背后空洞的存在，连拱隧道内侧拱肩的土压力大于外侧拱肩，雁形区承受较大的围岩荷载； 2）空洞位置发生变化时，空洞同侧隧道拱顶、拱腰裂缝的形态及传播规律差距显著，空洞对侧隧道以及连拱隧道底部的影响相对较小； 3）当空洞位于中墙顶部时，拱顶安全系数比空洞位于其他位置时更小，而裂缝尺寸更大，且拱顶裂缝最早出现； 4）随左洞拱顶空洞尺寸的增加，中墙与右洞拱部交接处越容易产生裂缝，连拱隧道破坏程度越严重，空洞角度比空洞深度对连拱隧道结构破坏影响更明显，空洞角度的增加使得空洞区域内、空洞左侧边缘及左拱脚的裂缝更早出现。研究揭示了空洞位置及尺寸变化时的连拱隧道裂缝分布规律及扩展过程，建议对连拱隧道衬砌背后形成大尺寸的空洞及时进行注浆充填。     

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。     

砌石衬砌背后双空洞对隧道结构安全性影响

为深入研究砌石隧道衬砌背后不同规模空洞的存在对隧道结构安全性及力学特性的影响规律,保障隧道运营的安全性,针对砌石隧道衬砌背后双空洞分布空间和规模进行安全性影响分析。基于成渝线某砌石隧道的现场检测结果,统计分析砌石衬砌背后空洞深度和宽度分布特征,获得相适应的正态分布规律以及概率性分布区间,利用ANSYS有限元软件建立平面应变模型,对衬砌结构整体应力、典型截面的结构安全系数及灰缝截面的抗拉抗剪验算进行研究,揭示不同规模空洞病害下衬砌结构安全性的变化规律。研究结果表明:拱顶及拱腰双空洞和左右拱腰双空洞出现频率最高,且砌石衬砌背后空洞分布的宽度及深度特征呈现正态分布;衬砌空洞深度近似服从N(24.88,6.67)正态分布,空洞深度主要为20~30 cm;衬砌空洞宽度近似服从N(1.39,0.46)正态分布,空洞宽度大多分布于1.0~2.0 m之间;两空洞间衬砌截面安全系数低于其他截面,需作为砌石衬砌安全性评价及空洞病害整治的重点;左右拱腰双空洞比拱腰及拱顶双空洞对衬砌结构安全性危害更大;空洞宽度2.0 m是影响砌石隧道结构安全性的临界空洞宽度,建议将空洞宽度控制在2.0 m以内。     

深埋砂层隧道欠厚二衬安全性及加固效果分析

为研究隧道二次衬砌厚度局部不足对隧道结构受力的影响及加固效果，依托蒙华铁路某隧道，运用有限元软件建立隧道二次衬砌局部厚度不足荷载-结构模型，对衬砌缺陷位置、缺陷厚度及缺陷范围对二衬结构安全性能的影响进行了分析，并结合现场加固方案对其加固效果进行评价。结果表明:衬砌厚度不足对其所在缺陷部位的安全系数影响最大；拱顶安全系数相对最小，拱脚对缺陷厚度最敏感；衬砌欠厚时对结构轴力影响很小，但会造成欠厚位置弯矩值的大幅度降低；对衬砌加固后，结构弯矩值能得到有效改善，安全系数显著提高。     

衬砌背后空洞对隧道结构承载力影响的模型试验研究

在隧道的建设过程中,因地质条件、施工等因素的影响在衬砌背后留有空洞的现象是比较普遍的,为了研究这种隧道病害对衬砌结构承载力造成的影响大小及对不同病害工况条件下衬砌结构受力破坏特征,通过对重庆某高速公路隧道典型断面因施工或环境原因造成二衬背后空洞的结构缺陷．睛况,在室内采用几何比为1：25的大比例模型试验,全面研究结构在不同围岩条件下、不同空洞位置以及不同地应力场（塑性地压、偏压及围岩松弛的垂直地压）作用下,隧道产生病害的形式、规律以及承载力的大小。同时采用相同的补强形式加固隧道结构,再进行破坏试验,最终得出空洞对结构承载力的影响是明显的,相同条件下,围岩类别越高,其承载能力越大,空洞对水平应力敏感,在水平应力为主应力时,拱顶空洞的影响大于拱腰空洞的影响;竖直应力作用为主的地应力场,产生病害时对应的竖直荷载高低排序为：无缺陷时最高,中等空洞最低。     

云南山区国省干线运营公路隧道衬砌病害状况分析

基于云南山区100余座国省干线运营公路隧道服役状况检测数据,统计了隧道衬砌裂缝、衬砌背后空洞和衬砌渗漏水等病害特征,得到了各典型病害的主要存在形式、存在部位及其分布规律,分析了各典型病害主要成因。结果表明:衬砌裂缝以环向裂缝为主,边墙及墙脚处裂缝居多,裂缝多集中在宽度小、长度短的区间。衬砌背后空洞以拱顶和拱腰处为主,多集中在长度14m以内、横向宽度10cm～50cm范围。围岩越好,发生衬砌背后空洞的概率越大。渗漏水类型以浸渗为主,渗漏水多集中在边墙处。所得结论可为云南省公路隧道维修加固、病害防治和设计、施工优化提供参考及数据样本。     

纵向裂缝对山岭隧道衬砌结构安全性的影响分析

以云南地区某高速公路隧道为研究背景,采用荷载-结构方法和带裂缝衬砌截面刚度退化模型,从截面承载性能和结构安全性两个方面,分析了纵向裂缝位置、裂缝深度对衬砌截面和整个结构承载性能的影响。计算结果表明:随着裂缝的出现,衬砌截面极限承载力和刚度下降,并引起衬砌结构内力重分布,各开裂部位安全系数随裂缝深度的增加均表现为不同程度的降低,呈非线性变化。对于同样的裂缝深度,拱顶部位安全系数最低,拱顶两侧安全系数随偏离拱顶距离的增大而明显增大。对于衬砌结构而言,裂缝位于拱顶及其附近,对结构安全影响明显,裂缝位于拱腰、边墙、拱脚等部位则影响较小。除拱顶裂缝外,结构安全系数最小部位并未出现在裂缝处。     

拱部空洞条件下衬砌裂损规律研究

衬砌背后空洞是一种广泛存在的隧道结构病害,空洞的存在会导致结构受力不均,产生严重的应力集中效应,对结构安全造成了严重的影响和威胁。文章通过数值模拟研究了空洞对结构裂损规律的影响,研究结果表明:(1)衬砌背后无空洞时,仰拱内侧、两侧拱脚外侧受拉较严重,两侧拱脚内侧出现受压破坏;(2)拱顶背后存在空洞时,拱顶部位向外凸起变形,拱顶外侧、两侧拱肩内侧受拉开裂,拱脚裂损情况加重;(3)左侧拱肩部位开裂时,结构变形呈非对称形式,左拱肩外侧、拱顶内侧开裂,左拱脚、仰拱左侧裂损情况有所减轻。     

铁路隧道工程缺陷整治处理控制

结合新建瑞昌至九江铁路吴家铺隧道缺陷整治处理工程实例,分析铁路隧道工程缺陷形成原因,针对隧道脱空及空响、衬砌厚度不足、仰拱(底板)底空洞及虚砟、衬砌钢筋保护层厚度不足、衬砌钢筋和施工缝止水带外露、衬砌裂缝和渗漏水、衬砌砼不密实、拱顶掉块及蜂窝麻面和错台等缺陷提出整治处理措施。     

外力作用下隧道二衬开裂过程的数值分析

应用分布裂缝模型计算钢筋混凝土衬砌及素混凝土衬砌的裂缝开展过程,得到了在不同弹性抗力及松散土压、塑性地压、偏压三种受力模式下的裂缝开展过程及荷载(所有荷载施加范围为90°,下同)。松散土压下,拱顶首先开裂,最终破坏时衬砌裂缝主要分布于拱顶内侧及拱腰外侧;塑性地压下拱脚首先开裂,最终破坏时裂缝主要分布于拱脚外侧及边墙内侧;偏压作用下拱腰首先开裂,最终破坏时裂缝主要分布于拱腰内侧及拱顶外侧;各受力模式下,第一条裂缝产生时的荷载约为极限的荷载的6%～15%,第二条裂缝的开裂荷载约为极限荷载的15%～30%。并且随着弹性抗力的增加,衬砌开裂荷载与极限荷载的比值也相应提高。     

空洞在围岩水平侧压力系数不同时对二次衬砌结构的影响

本文建立了山岭隧道衬砌背后空洞影响数值计算模型,并对水平侧压力系数不同时空洞对二次衬砌结构变形和内力的影响进行分析,研究结果表明：水平侧压力系数不同时,隧道衬砌结构的变形差异较大;水平侧压力系数不同时,弯矩的变化比轴力的变化更为明显,但水平侧压力系数的增加会导致轴力和弯矩都迅速增加;拱腰衬砌对拱顶空洞的产生是非常敏感的,尤其是当侧压力系数较大时,拱腰处的弯矩甚至会发生符号的改变;仰拱部位的衬砌结构在空洞产生后,随着侧压力系数的增加仰拱部位衬砌结构所受到的弯矩减小,但随着侧压力系数的增大,仰拱所受到的轴力大大增加,有可能产生压溃破坏。     

基于数值模拟分析的隧道衬砌质量缺陷影响研究

由于设计、施工等因素导致的我国地铁区间隧道渗漏水,衬砌掉块、厚度不足、开裂、脱空以及不密实等病害频发,严重危及地铁的运营安全。针对地铁区间隧道施工造成的衬砌质量缺陷,在分析缺陷成因基础上,对不同隧道缺陷的形式及缺陷的特性进行了统计分析。基于统计分析,对隧道衬砌施工中存在典型缺陷对隧道结构受力特性的影响进行了数值模拟研究,分析了衬砌背后空洞、不密实、厚度不足以及组合缺陷等条件下隧道衬砌的安全特性。基于数值模拟分析,提出了施工中隧道衬砌缺陷地质雷达无损检测的测线布置方式,指导了区间隧道衬砌质量的检测作业,取得了良好的效果。     

围岩空洞对公路隧道渗流力学特征的影响分析

以雅安至西昌高速公路土山岗2号隧道工程为依托，基于流-固耦合作用机理，运用有限差分软件FLAC3D进行数值模拟分析，探究了二次衬砌背后不同位置出现空洞情况对二次衬砌应力场、二次衬砌背后孔隙水压力以及围岩渗流场的影响规律。研究结果表明:隧道衬砌背后存在空洞时，渗流场不均匀分布，围岩孔隙水压力较无空洞状态明显减小，折减幅度与空洞位置无关。空洞处的二次衬砌主应力增大，当空洞位于隧道拱顶、拱脚位置，增加幅度最大。其衬砌结构的最大主应力位置从仰拱内侧转移到了空洞位置处。衬砌结构的最小主应力均出现在隧道拱脚内侧，未受空洞位置影响。     

铁路隧道衬砌品质提升信息化施工关键技术与成套装备创新

为提升铁路隧道拱墙衬砌、底部衬砌、水沟电缆槽衬砌结构实体品质，解决隧道整体衬砌质量缺陷难题，采用拱墙衬砌智能化模筑、底部衬砌一体化浇筑、水沟电缆槽同步一次性浇筑施工技术，结合混凝土自动喷雾养护施工工艺，有效减少或消除衬砌空洞、裂缝、不密实、渗漏水、止水带偏位、施工缝压溃、开裂掉块等质量缺陷问题； 通过成套装备研发，创新施工缝质量控制技术、拱顶浇筑饱满度控制技术、拱墙衬砌预防空洞施工技术、仰拱与边模一体化施工技术、水沟电缆槽机械化施工技术、喷雾养护温度及湿度自动化控制技术，提高铁路隧道衬砌混凝土浇筑、振捣、养护等工序施工工艺质量及施工标准，辅以信息化手段和自动监测技术，达到衬砌全过程质量可控。结果表明： 该施工技术与成套装备创新一定程度上可实现衬砌施工自动化、信息化和智能化，极大地提高衬砌施工技术水平，降低工人劳动强度，有效减少衬砌质量缺陷，提升衬砌施工品质，确保隧道衬砌满足设计及运营安全要求。     

隧道衬砌施工缺陷对结构安全的影响研究

运用理论分析和数值模拟等研究手段,基于地层-结构法原理,就衬砌厚度不足、衬砌背后空洞和衬砌结构裂缝3种病害对衬砌结构安全性的影响进行研究,得出缺陷在衬砌结构不同位置处以及沿隧道纵向不同长度上衬砌结构的应力和安全系数的变化规律,为隧道结构的安全性评价和后期的运营监测提供依据。     

隧道复工病害治理技术

介绍了某隧道,在原施工地段存在衬砌背后空洞、开裂、渗漏水,衬砌厚度不足等病害及已施工拱部钢筋混凝土的被炸毁,洞口坍塌等复杂施工技术难题的治理方案。     

衬砌背后空洞对围岩力学状态影响的试验研究

设计了3组室内相似模型试验,研究了拱顶背后空洞对围岩结构压力分布的影响机制,主要试验结论：衬砌背后空洞使拱顶上部围岩出现了卸载现象,而空洞两侧围岩压力在一定程度呈现压力集中现象;随着施加荷载的增加,空洞高度与范围的逐渐减小反而使得围岩压力集中现象逐渐减弱;衬砌背后空洞对空洞附近围岩接触压力及围岩应力状态产生了较大的影响,空洞的存在改变了围岩与衬砌之间的正常接触作用关系,使围岩结构与衬砌结构处于一种不利的受力状态,降低了围岩整体稳定性。     

连拱隧道衬砌裂缝现场调查与数值模拟分析

裂缝对于隧道的安全运营有着十分不利的影响。该文对云南地区多座连拱隧道的衬砌裂缝病害进行了现场调查与统计分析,得到衬砌裂缝的主要类型和分布特征规律,并就产生裂缝的主要影响因素进行了总结。在此基础上应用Abaqus有限元分析软件,分别考虑偏压、局部空洞和不均匀沉降的作用,对连拱隧道衬砌结构进行了数值模拟,分析了裂缝的分布及发展规律,总结了裂缝产生的主要原因,即衬砌的施工质量问题在偏压、局部空洞和不均匀沉降等外界因素的诱导下,导致隧道衬砌的开裂。     

隧道二次衬砌质量控制新技术

为解决隧道二次衬砌背后脱空、混凝土不密实、厚度不够、强度不足、施工缝开裂掉块等施工质量问题，依托在建的张吉怀铁路某隧道工程，施工中采用三维激光隧道扫描测量系统确保初期支护断面不侵限；采用激光定位和磁焊机焊接提升防水板固定效果；研发并使用新型台车分层逐窗自动布料系统，实现隧道拱墙衬砌混凝土自动分层逐窗浇筑；设置刹尖孔、拱顶安装防空洞监测装置和液位器装置，有效防治拱顶空洞；优化拱部振捣方式和施工缝施工工艺；制订并落实隧道二次衬砌质量管理新办法的技术和管理措施。通过以上措施，实现二次衬砌厚度零欠厚，拱部脱空率下降至5%以内，二次衬砌混凝土强度满足设计要求，总体施工质量得到大幅提高，为隧道施工和运营安全提供保障。     

某铁路明洞拱部裂缝成因分析

某双线铁路明洞结构拱部产生纵向裂缝,为分析该明洞拱部裂缝产生的原因,对裂缝分布情况及裂缝形态进行分析,拱部裂缝宽度与回填土石厚度存在正相关性,裂缝宽度随回填土石厚度增加而增大;当回填土石厚度为15 m时,裂缝宽度为0.55~1.00 mm。通过对明洞施工数值计算分析认为： 当回填土石厚度小于5 m时,随着拱顶回填土石厚度的减小,拱顶拉应力增大,此时施工动载对明洞结构受力影响较大;边墙回填密实度对拱顶拉应力影响显著,密实度为60%时,拱顶拉应力值为完全密实时的1.44倍,且已超出结构极限强度。综合分析认为,回填土石施工时机不当及边墙回填不密实是导致该明洞拱部产生裂缝的主因; 提出明洞结构设计计算应纳入施工动载,施工应严格掌控回填土石施作的时机,同时应加强建设管理等。