复合式曲中墙连拱隧道衬砌结构内力测试

以常吉(常德—吉首)高速公路土江冲隧道为依托,采用应变计对初期支护钢支撑内力和喷射砼应力、二次衬砌结构的内力进行现场测试,分析了复合式曲中墙连拱隧道衬砌结构的力学特征,并对隧道二次衬砌的安全性进行了评价。     

一种无中导洞连拱隧道衬砌开裂原因分析及结构优化

为解决传统连拱隧道中导洞法施工工序繁琐、结构受力转换复杂等问题,云南某隧道采用了一种无中导洞连拱隧道,其后行洞钢拱架焊接于先行洞钢拱架,使初期支护相互搭接形成了连拱隧道中墙,从而避免了中导洞开挖,但在隧道施工中,先行洞二次衬砌左侧起拱线至左拱腰出现了大量纵向与斜向裂缝。结合隧道实际地质和施工状况,运用Flac3d建立了地层-隧道结构数值模型,研究分析了初期支护各自独立封闭成环和初期支护搭接处界面特性对无中导洞连拱隧道衬砌开裂的影响。结果表明:后行洞初期支护独立闭合成环时,即使初支结构之间产生了一定的滑移,隧道衬砌结构仍处于安全状态;后行洞初期支护未独立闭合成环时,搭接处会产生较大的相对滑移,初期支护承载力不能充分发挥,难以有效控制围岩变形和塑性区发展,先行洞二次衬砌承受了较大的围岩荷载,其左拱腰内侧边缘拉应力远超过了衬砌混凝土的抗拉强度,由此造成了左拱腰处衬砌开裂。因此,为避免无中导洞连拱隧道衬砌出现裂缝,建议在设计中应使连拱隧道初期支护各自独立闭合成环,合理加强中墙位置初期支护结构,施工中对关键施工环节、关键受力部位采取有效控制措施,保证支护结构的整体承载力。     

基于围岩浸水的黄土公路隧道衬砌开裂分析

针对甘肃省境内某黄土公路隧道的衬砌开裂现状,采用统计分析的方法对隧道衬砌裂缝的分布特征进行了系统研究;通过有限元数值模拟,详细分析了多种围岩浸水工况下隧道结构的变形规律和应力特征,并将数值模拟结果与隧道现场裂缝分布特征进行对比,给出了围岩浸水恶化条件下衬砌结构开裂的原因、规律和特征。研究结果表明:地表水通过土体裂缝入渗是衬砌开裂的主要原因,衬砌裂缝主要分布于拱部和边墙;围岩发生浸水后,浸水范围内的土体强度降低,失去承载力,隧道上部围岩下沉,挤压衬砌结构;随着围岩浸水范围的扩大,隧道结构的受力与变形状态逐渐恶化,结构呈压扁趋势且产生偏压,引起拱部内表面被拉裂,边墙内表面由于局部压应力过大产生开裂;拱部开裂先于边墙且开裂情况最为严重,隧道上下行线相邻两边墙衬砌开裂情况较另外两边墙严重,数值模拟结果与现场衬砌裂缝特征基本吻合;在相似工程条件的黄土隧道设计时,应加强隧道拱部结构的抗拉性能和边墙结构的抗压性能。     

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。     

公路隧道衬砌背后空洞积水冻胀的力学简化模型研究及误差分析

为解决高寒地区公路隧道衬砌背后积水冻胀问题,针对特定的环向长条形空洞,建立了2种不同的简化计算模型,即将衬砌结构简化为拱脚为铰支座约束和弹性固定端约束的半圆拱模型。采用荷载-结构法,推导衬砌结构在冻胀力作用下的内力公式,利用MATLAB计算不同参数下的理论值,并绘制内力变化曲线,确定整个衬砌结构在空洞不同大小时的内力分布规律。计算结果表明： 冻胀力引起的衬砌弯矩和轴力极值位于不同的衬砌位置,仅仅考虑弯矩或轴力对衬砌的影响具有一定的误差。对衬砌背后冻胀力的内力影响规律以及2种简化模型的误差进行定量分析,为公路隧道施工和运营维护提供了一定的参考价值。     

煤系地层公路隧道衬砌结构分析和设计

以高平至陵川高速公路郭家川2号煤系地层隧道为依托工程,利用ANSYS对衬砌结构进行了数值模拟,研究了煤系地层公路隧道衬砌结构的应力应变特征和变形规律。研究表明:煤系地层的地质构造和节理特征对隧道衬砌结构受力和变形有重要影响;隧道侧压力系数对衬砌结构的内力影响很大;衬砌结构拱脚和拱顶处弯矩很大,应力集中系数大,拱脚和拱顶处应作为结构安全性监控、隧道设计与施工控制性部位。     

上长坪连拱隧道无中导洞施工方法比选研究

目前国内外连拱隧道大多采用中导洞法施工，而对无中导洞施工研究相对较少，缺少相关工程经验，且未对无导洞法施工技术优缺点和适用范围做深入而系统的研究。本文研究的上长坪隧道为分离式隧道过渡到连拱隧道，因其与大桥衔接过渡，设计的中隔墙厚度不等厚，采用复合式薄直中墙，其结构设计新颖，在设计无法做变更及4个月完成504 m的工期要求下，为实施高难度操作的设计方案，采用竖直型钢喷射混凝土结构及斜向支撑成功解决了中墙二次衬砌浇筑的难题，其竖直型钢喷混结构浇筑在左右洞二次衬砌之间作为中隔墙的结构部分，成功开创了复合式薄中墙设计施工新工艺。同时，此工法有效解决了防水漏水问题及成本控制问题，为无中导洞施工方法增加了新的工艺类型，提供了Ⅳ级围岩隧道无中导洞施工新型案例。     

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。     

无中导洞城市连拱隧道施工工法分析研究

为确定无中导洞城市连拱隧道施工工法的适宜性,基于工程地质条件,采用数值模拟手段,研究了无中导洞连拱隧道开挖过程围岩竖向位移及隧道水平位移情况,对无中导洞连拱隧道围岩、衬砌结构等在不同开挖步时的力学特征以及隧道加强区受力机理进行分析,并模拟了加强区底部锚杆注浆及拱腰拱脚处搭设锁脚锚杆并注浆等加固措施。结果表明:隧道开挖后中部加强区隆起明显,这对于隧道中部加强区混凝土的稳定相当不利,应该采取控制隆起的措施;上台阶开挖时,拱脚处衬砌受力较大,宜将直角改为圆角以减小弯矩。开挖完成后,中部加强区底部的衬砌几乎处于纯弯状态,有必要提高该区域初衬厚度;对加强区底部岩体进行锚杆注浆加固的效果较好,能有效减少拱底隆起和初衬受力,同时对保持中部加强区混凝土的稳定也有较好的效果;在拱底和加强区底部搭设锁脚锚杆,特别是在加强区底部的锁脚锚杆对维持混凝土加强区的稳定有较大作用。     

重庆市某医院迁建项目对既有轨道交通结构安全影响分析

山城重庆市地质环境复杂,土地资源有限。随着轨道交通与城市建设的高速发展,轨道交通下穿/近接建筑物的情况越发普遍,这给城市地下空间开发带来了严峻的挑战。文章采用MIDAS/GTS软件建立有限元模型,分析建筑结构基坑支护施工过程中对既有轨道交通隧道结构的安全影响以及隧道结构内力变化特性。结果表明:区间隧道洞体开挖过程中,隧道围岩处于整体稳定状态,仰拱拱脚及侧墙少部分围岩存在受拉破坏风险;因拟建项目的施做而引的轨道9号线区间暗挖隧道变形均小于控制指标,拟建项目轨道结构变形风险可控;通过对地层结构法提取的轨道隧道结构初期支护、二次衬砌及共建段衬砌结构内力进行验算,验算结果满足规范要求。     

公路软岩隧道初期支护结构内力数值分析

采用非线性数值软件ANSYS对公路软岩隧道初期支护结构内力进行数值分析,研究公路软岩隧道开挖过程中初期支护的力学行为,为施工提供动态设计依据。分析结果表明,软岩隧道在系统锚杆支护作用下,开挖各阶段初期支护结构各部位轴力值增大,弯矩和剪力值都减小,但增大值和减小值变化范围都非常小;支护结构弯矩较大值主要集中在拱脚,最大值出现在右侧拱脚区域;轴力的最大值出现在左侧边墙和左右拱脚部位;剪力最大值出现在左侧拱脚处。     

浅埋大断面公路隧道渐进破坏规律与安全控制

围绕浅埋大断面公路隧道渐近破坏过程与机制，以大永高速公路甸头隧道下穿大西二级公路工程为背景，开展了室内相似模型试验与现场监测分析。针对不同围岩级别条件（Ⅳ₃，Ⅴ₁和Ⅴ₂），分析了隧道毛洞开挖过程中围岩应力和位移变化规律，提出了基于变形差率的隧道施工安全控制指标，隧道施工现场监测验证了该指标的科学性，保障了隧道施工安全。研究结果表明：①隧道的破坏首先发生在拱顶位置，随着隧道的不同分部的开挖，破坏区向拱肩和地表扩展；围岩级别为Ⅳ₃时，隧道开挖后围岩形成一定厚度的塌落拱，塌落拱高度约为0.67M（M为隧道最大跨度）；围岩级别为Ⅴ₁和Ⅴ₂时，隧道开挖将引起围岩坍塌，形成塌方等较严重事故。②隧道开挖过程中，在开挖卸荷作用下，隧道产生不同程度的收敛与沉降，Ⅳ₃比Ⅴ₁，Ⅴ₁比Ⅴ₂，Ⅳ₃比Ⅴ₂最大地表变形分别减少了63.0%、20.0%和70.4%；隧道开挖应力变化方面，Ⅴ₁比Ⅳ₃，Ⅴ₂比Ⅴ₁，Ⅴ₂比Ⅳ₃最大应力变化量分别减少了43.5%、23.0%和56.5%，且Ⅳ₃，Ⅴ₁和Ⅴ₂围岩级别下隧道开挖过程应力和变形影响范围逐个增大。③采用模型试验手段，通过计算典型测点沉降差与测点距离的比值——变形差率，分别探讨Ⅴ₂，Ⅴ₁和Ⅳ₃围岩级别的浅埋隧道施工安全控制标准。隧道施工现场监测结果表明，对于Ⅴ₁级围岩浅埋隧道，当隧道地表横向和纵向变形差率均小于10 mm·m^-1，可防止公路地表裂缝的产生。研究成果对于浅埋大断面公路隧道施工与安全控制具有重要意义。     

偏压荷载下隧道衬砌损伤状态分析与健康分级

为方便判断偏压荷载作用下隧道衬砌损伤程度,文中结合浙江白阳山隧道采用塑性损伤与扩展有限元模型模拟分析偏压荷载作用下隧道衬砌结构损伤演化过程。结果表明,(1)衬砌受力模式为左拱腰内侧受拉、右拱腰外侧受拉及左边墙外侧受拉;(2)衬砌损伤变形主要可划分为4阶段：左拱腰内侧开裂-左拱腰外侧压屈阶段-右拱脚内侧压屈-结构破坏阶段,破坏形态表现为“左拱腰向内塌陷,左边墙、右拱腰向外扩张”;(3)衬砌损伤状态可划分为5级健康分级标准及3级预警标准。     

既有裂损隧道复合式套拱加固方法的研究

复合式套拱加固方法在隧道衬砌加固、病害处治工程中应用较少,通过依托G312线六盘山隧道加固改造工程,对该方法进行了介绍,并给出了套拱加固施工工序,在此基础上对钢管注浆锁脚、衬砌背后空洞回填、衬砌背后虚渣处治、衬砌局部置换、衬砌裂缝处治和衬砌内轮廓修整等工序在工程中的应用进行了说明。工程实例验证和数值计算结果表明,采用复合式套拱加固方法对裂损隧道衬砌加固是可行的,计算后衬砌安全系数满足规范要求,为今后类似隧道的加固补强提供了新的方法思路和重要依据。     

膨胀土隧道复合式衬砌受力特性研究

本文依托新建山西中南部铁路通道上庄1号隧道项目,通过数值模拟和现场监测等手段,对膨胀土隧道复合式衬砌受力特性进行研究,研究结论:初支和二衬施作前3~5天内力变化较大,施后约1周左右能达到平衡状态;二次衬砌拱墙施作对初期支护内力产生明显影响,弯矩、轴力的最大影响程度分别为26.07%、0.97%;二次衬砌的弯矩、轴力分别是初期支护内力的2.83%、0.38%,证明了隧道的初期支护是最主要的承力结构,二次衬砌在此主要用作安全储备。成果可为类似工程借鉴。     

隐式中墙连拱隧道工法探讨

为了选择合理的施工方案,针对隐式中墙复合式连拱隧道,对多种施工方案进行了数值模拟。分析结果表明:在多种施工方案条件下,隐式中墙复合式连拱隧道结构均能保证施工安全;对称中隔壁法和平行中隔壁法在结构安全和变形控制上较为有利。平行中隔壁法中的主辅洞间隔、同步并行施工方案是最经济、最快捷、最环保的方案,其综合进度指标比普通中导洞法提高107%,比三导洞法提高79%,可大幅提高连拱隧道的施工效率。上台阶开挖和拆撑为控制变形的关键工序,辅洞拱部与中墙搭接处、辅洞仰拱与中墙搭接处为结构安全控制部位。     

断层带处公路隧道横断面抗震分析

嘎隆拉隧道是西藏扎墨公路的控制性工程,隧道处于高烈度地震区。根据扎墨公路嘎隆拉隧道地震安全性评价报告和地勘资料,运用Newmark隐式时间积分有限元法并采用黏弹性人工边界,对隧道穿越断层带时的衬砌结构进行了瞬态动力反应分析,通过计算得出拱顶、拱腰、拱脚和仰拱中部的位移时程曲线,并由位移评价了隧道稳定性。计算结果表明,衬砌在地震作用下,其内力增加有限,内力最多增加8.73%。     

基于自制试验平台的公路隧道破坏特征实例研究

为了探究和平公路隧道衬砌结构发生开裂的原因及特征,自行研制了适用于该研究的隧道结构性能测试平台。试验平台由控制系统、供压系统和加载系统组成,能够实现对隧道模型任意位置的精确加载,可研究隧道结构在多种形式外荷载作用下的力学性能。基于该试验平台,以和平公路隧道二次衬砌为原型,根据其现场测试结果进行了几何相似比为10的物理模型试验,详细分析了隧道结构在试验过程中的变形规律和破坏特征。将模型试验结果与现场裂缝分布特征进行对比以验证试验结果的可靠性,并根据试验结果对隧道原型的工作状态进行评估。研究结果表明:在依据现场实测确定的偏压加载工况下,隧道结构整体呈压扁趋势,最大径向位移位于拱顶右侧;结构的受力变形过程可分为3个阶段,分别以拱顶开裂和仰拱开裂为分界点;拱顶内表面和拱脚外表面被拉裂,边墙内表面由于局部压应力过大也产生开裂;拱顶最先开裂且开裂情况最为严重,偏压一侧边墙较另一侧边墙严重;随着外荷载的增加,拱部开裂状况加剧,最终形成主开裂区并引起结构整体的失稳破坏;模型试验结果与隧道现场裂缝分布特征基本吻合;隧道原型研究断面目前虽处于安全状态,但应及时采取有效的处治措施,防止衬砌裂缝的进一步发展和结构的失稳破坏。     

偏压连拱隧道衬砌优化分析

浅埋偏压连拱隧道衬砌形式直接关系到整个隧道施工及正常运营,该文采用有限元数值方法对不同衬砌形式下偏压连拱隧道结构受力及应变特征作了计算分析。结果表明,偏压连拱隧道采用分层曲墙结构将有助于改善结构受力状况,减小应力集中及上部位移,降低衬砌开裂渗水的可能性,从而为偏压连拱隧道合理设计提供理论根据。     

软岩隧道横洞施工对主洞衬砌结构影响分析

针对隧道中先浇筑主洞衬砌结构后进行横洞开挖的施工工序中横洞施工对主洞衬砌结构形变破坏的影响,以某软岩隧道为工程依托,通过隧道衬砌应力监测、初支结构形变监测以及横洞施工时主洞衬砌结构形变破坏的监测,对深埋软岩隧道横洞施工对主洞衬砌结构形变破坏影响进行了研究与分析。研究表明,隧道交叉段围岩形变量较大,围岩形变速率较大,最大水平收敛位移达到537mm。最大拱顶下沉值达到346.1mm,围岩形变速率平均值达到9.93mm/d;依托工程隧道衬砌为主要受力结构,受力随着时间呈逐渐增大趋势。局部位置处形成应力集中区,应力值达到1.13 MPa和1.03 MPa。衬砌混凝土在左拱脚与右拱腰位置处呈现受压状态,最大压应力值为0.889 MPa。拱顶呈受拉状态,最大拉应力值为6.45 MPa。深埋软岩隧道中的横洞施工对主洞衬砌结构的形变破损有着较为严重的影响,影响范围达到140m。在此软岩隧道中不宜采用先浇筑主洞衬砌结构后对横洞进行爆破开挖的施工工法。