衬砌背后空洞对隧道结构安全影响的模型试验研究

隧道衬砌背后空洞现象是隧道建设与运营中主要病害之一,这会改变隧道衬砌与围岩的相互作用关系,引起隧道结构应力集中而破坏。采用物理模型试验方法,模拟了隧道衬砌背后无空洞、单空洞、多空洞等3种工况。通过对比分析这3种工况在上覆荷载的作用下围岩压力、衬砌轴力及弯矩变化规律,获得了以下主要结论:①隧道无空洞时,衬砌与围岩接触良好,围岩压力、衬砌轴力及弯矩均随上覆荷载的增加而增大;②隧道衬砌背后存在空洞时,空洞范围内围岩压力无法传递到衬砌结构上,导致围岩压力、衬砌轴力及弯矩均随上覆荷载增加而减小,但衬砌结构因偏心距增大容易发生开裂破坏;③衬砌背后空洞对衬砌拱顶安全系数的影响最大,空洞数量越多安全系数降低越明显,但未改变安全系数在隧道横断面内的分布规律。     

浅埋隧道局部存水冻胀作用机制与安全性评价

为揭示寒区隧道局部存水冻胀作用机制并提出有效的衬砌结构安全评价方法, 设计了三维地质力学模型试验, 通过设置3种积水范围冻胀试验工况, 观测冻胀过程中裂缝开展和衬砌结构受力等情况; 改进了局部存水冻胀数值计算方法, 建立了基于岩体力学法并耦合冻胀力和围岩荷载的冻胀数值模型, 对比了不同存水位置、不同局部存水厚度和不同存水范围下隧道冻胀力和结构内力的变化规律, 进一步揭示了局部存水冻胀对隧道受力的影响机制, 评判了衬砌结构的安全性。分析结果表明: 局部存水冻胀具有显著的区域性特征, 衬砌冻胀开裂发生在局部存水与非存水交界处, 冻胀力大小取决于交界处冻胀产生的应力集中效应, 衬砌裂缝多为纵、斜向裂缝; 衬砌局部存水冻胀最不利位置由优到劣依次为拱脚、边墙、仰拱、拱腰和拱顶, 衬砌受力随局部存水厚度的增大而增大, 局部存水范围的增大有利于衬砌受力均匀化; 不同部位局部存水冻胀条件下衬砌结构容许压应力比均小于1, 满足抗压检算要求; 拱顶、拱腰和仰拱容许拉应力比均大于1, 不满足抗拉检算要求, 实际工程应针对上述部位采取适当的防冻胀措施予以处治; 揭示的隧道局部存水冻胀作用机制和建立的衬砌结构安全性评价方法为寒区隧道冻害防治提供了一定理论依据。      

公路隧道衬砌厚度不足对衬砌安全性影响

针对Ⅲ级和Ⅳ级围岩两种不同的支护形式,建立衬砌厚度不足计算模型.在有无病害条件下,比较隧道衬砌各位置的内力和安全系数,并根据衬砌厚度不足病害程度和宽度,采用数值计算的方法,分析公路隧道衬砌厚度不足对衬砌安全性的影响.分析结果表明:隧道衬砌边墙、拱腰和拱顶的弯矩、剪力和轴力都比较大,属于病害发生的敏感部位;隧道衬砌出现厚度不足病害时,安全系数显著减小;衬砌安全系数随着病害程度的加剧,左边墙呈线性减小,而拱腰和拱顶呈曲线形减小;衬砌安全系数随着病害宽度的增加,先是显著减小,最后又有小幅增长,但整体呈减小趋势;随着病害区域从边墙向拱顶转移,衬砌受影响的范围逐渐增大.     

大断面扩建隧道施工初期支护受力分析

运用ANSYS有限元软件对重庆渝州隧道原位扩建施工进行数值模拟,计算得到隧道地表沉降、扩建隧道初期支护弯矩及锚杆轴力;对比分析了计算结果与监控量测数据,得出原位扩建浅埋隧道的地表沉降影响范围,发现隧道扩挖后围岩内力的重分布对扩挖方向初期支护弯矩和系统锚杆轴力影响较大;指出在设计和施工时应该加强扩挖方向围岩及结构的支护和...     

公路隧道二次衬砌厚度的优化

应用工程类比法对榆树沟隧道二次衬砌厚度进行了优化设计,选取了Ⅱ类围岩浅埋、Ⅲ类围岩及Ⅳ类围岩三种不同的复合式衬砌结构类型,对隧道开挖后围岩和初期支护的力学状态采用FLAC软件进行了模拟计算,对二次衬砌的力学状态采用ANSYS软件进行了分析。结果表明三种衬砌结构类型的二次衬砌内力都较小,最大轴力为165 kN,最大弯矩为-15.97 kN.m,且都发生在Ⅱ类浅埋断面,二次衬砌的安全系数较大;衬砌周边位移最大的是Ⅱ类围岩浅埋,其洞周位移最大值(18 mm)发生在拱脚处,边墙围岩收敛较小,且围岩越好,周边位移越小;现场监控量测的净空收敛数值均远小于允许收敛值,二次衬砌接触压力的量测值均远小于规范计算值。可见,二次衬砌工作状态良好,安全储备较大,减薄二次衬砌厚度的隧道结构是安全的。     

水压条件下矿山法隧道主体结构的受力特征

为探明水压条件下矿山法隧道主体结构的受力特征,采用模型试验研究高水压条件下衬砌的力学行为、结构与围岩、地下水相互作用关系及结构破坏模式.研制了马蹄形断面非均布水压-土压加载装置,模拟大断面隧道衬砌主体结构在不同水压与土压共同作用下的力学行为.研究表明:弯矩沿衬砌周向总体上呈蝴蝶形分布,轴力呈近似椭圆形分布;土压力增大使结构弯矩、轴力、最大变形量和偏心距均增大;侧压系数增大使结构弯矩不同程度地减小,而使轴力增大;水压增大使衬砌轴力迅速增大,而弯矩增大较慢;高速铁路隧道衬砌结构承受的极限水压不宜超过500 kPa.      

砂卵石地层下伏膨胀岩土盾构隧道结构内力特征

成都地铁二号线区间盾构隧道局部穿过砂卵石下伏膨胀岩土地层,为获得下伏地层膨胀荷载对盾构隧道衬砌结构内力的影响规律,采用数值方法分析了下伏地层在不同范围发生局部膨胀时对衬砌结构外侧压力的影响.通过现场测试得到了盾尾注浆时和隧道贯通后衬砌结构荷载及内力的分布规律,并与不同膨胀荷载下结构内力的计算结果进行了比较.研究表明:膨胀圈厚度及范围对膨胀后压力增量的影响较小,膨胀力对压力增量的影响较大;局部膨胀荷载的存在将增大管片结构弯矩,对结构受力不利,负弯矩是下伏膨胀岩土地层盾构隧道结构设计的控制因素.计算砂卵石下伏膨胀岩土地层中盾构隧道结构内力时,应考虑膨胀荷载的影响,膨胀荷载可采用数值分析等手段确定.      

寒区隧道冻胀效应测试与分析

为研究寒区隧道冻胀力随时间和空间的分布规律, 基于温度场变化定义了测试冻胀力, 通过衬砌压力和钢架应力间接反映真实冻胀力的变化规律; 提出了冻胀力简化测试方法, 研发了温度场-冻胀力同步测试系统; 以四川省省道215线鸡丑山隧道为例, 布置5个测试断面开展大规模现场测试, 并选取典型断面K117+700 (简称700断面) 和K117+600 (简称600断面) 分析了隧道环境温度、围岩温度、衬砌压力与钢架应力; 以围岩冻结(12~次年2月) 和未冻(7~9月) 时对应的衬砌压力和钢架应力差值为测试冻胀力, 结合温度场分析了隧道周边各测点测试冻胀力; 采用现有冻胀模型计算理论冻胀力, 并与测试冻胀力进行了对比, 研究了寒区隧道冻胀规律。分析结果表明: 隧道环境温度随时间呈季节性正弦函数变化, 受环境温度影响, 围岩温度呈季节性正负温变化, 并出现季节性冻融现象; 当围岩为负温时处于冻结状态, 支护系统受到围岩压力和冻胀力的共同作用, 且温度越低冻胀效应越明显, 各断面测点应力峰值均出现在1月, 700断面衬砌和钢架最大应力分别为149kPa、31MPa; 当围岩为正温时处于未冻结状态, 支护系统仅受到围岩压力作用; 同一断面不同测点的测试冻胀力差值可达5.23MPa, 说明冻胀力除与围岩温度有关外, 还与富水条件和围岩级别有关; 最大冻胀力实测值比理论计算值小1.25MPa, 因此, 寒区隧道支护设计时建议考虑89.17%的冻胀力折减系数。      

浅埋富水地层防水型铁路隧道衬砌结构力学特性分析

运用荷载-结构法,计算分析了不同地下水位线对浅埋富水地层铁路隧道衬砌结构轴力、弯矩峰值大小及位置的影响。计算分析结果表明:随着地下水位的降低,衬砌结构轴力峰值不断减小;衬砌结构弯矩峰值呈现出不同程度的波浪形增大;轴力在衬砌横断面上呈“鸡蛋”式分布。当地下水高于拱顶时,隧道衬砌结构轴力和弯矩值都比较大,设计时应将水荷载作为浅埋富水地层隧道结构受力的主要荷载之一。     

煤矿斜井管片衬砌与可压缩层联合支护的效果

为研究盾构斜井管片衬砌与可压缩层联合支护体系中可压缩层参数对管片衬砌力学性能的影响,以神华新街台格庙矿区主斜井工程为依托,建立考虑管片衬砌与可压缩层之间接触效应和管片整环刚度折减效应的数值计算模型,分析有无可压缩层、不同可压缩层刚度及厚度等因素下管片衬砌内力和变形的分布规律和变化情况;采用相似模型试验对上述问题进行了进一步研究,并对有无可压缩层时管片的极限承载力和破坏形式进行了探讨.研究结果表明:可压缩层刚度越大,管片所受围岩压力越大且分布越不均匀,同时使得管片弯矩减小,轴力增大,当可压缩层模量与围岩模量之比在0.1~0.5之间变化时更为明显;随着可压缩层厚度的增大,管片所受围岩压力依次按不均匀、均匀、不均匀的趋势变化,当可压缩层厚度与管片厚度之比为1.7时围岩压力最小,管片轴力则随可压缩层厚度的增大而减小;可压缩层存在与否对管片变形影响甚微,通过自身的挤密吸收围岩压力且促使应力重分布,从而减小并均匀化传递至管片上的荷载,使得管片内力随外荷载的增长更平缓,量值更小且分布更均匀,并使管片的极限承载力提高了40%;有无可压缩层时管片破坏均经历椭变、椭变加剧、裂缝出现和扩展、失稳破坏的过程,且有可压缩层时管片的破坏更严重.      

落石冲击下拱形明洞结构受力的模型试验研究

为研究落石冲击下拱形明洞结构的受力特点,通过改变落石质量及回填土厚度,利用1∶30缩尺模型试验分析了结构落石冲击所在断面不同部位的横向应变、轴力及弯矩等内力响应最大峰值的大小及分布特征,对各内力最大峰值随回填土厚度的变化趋势进行了分析,最后利用结构变形、弯矩及轴力图,对落石冲击下有回填土拱形明洞结构受力模式进行了总结. 研究结果表明:拱顶部位力学响应最显著,拱肩次之,拱腰及仰拱最小;结构受力形态可描述为拱顶部位轴向受拉、拱肩及以下部位为轴向受压的力学模式;与静力学分析隧道或明洞衬砌结构的荷载-结构模式不同,现行隧道设计规范中按素混凝土偏心受压构件对拱顶结构进行安全检算的方法并不适用于落石冲击工况;回填土厚度的增大有利于结构拱顶、拱肩及仰拱结构的受力,但对拱腰部位影响复杂,在设计时需结合落石规模、边墙形式及回填方式等进行具体分析.      

公路隧道衬砌火灾后力学行为分析

公路隧道发生火灾后,衬砌结构将发生物理与力学性能的改变,如厚度变薄和弹模降低等。首先分析混凝土构件在火灾后的损伤机理、力学特性和耐火性能,然后根据混凝土火损等级,进一步研究衬砌结构厚度与弹性模量的变化对衬砌结构体系的影响。采用荷载-结构法分析超高次公路隧道结构体系在火损后的力学行为,探寻其残余承载能力及内力与变形规律,找出特征破坏点与破坏机制。     

隧道洞口段二衬病害评价分析及处治技术

为治理隧道洞口段二衬病害,以某隧道进洞口段二衬开裂病害实例,从二衬裂缝分布、衬砌厚度、钢筋间距、仰拱回填等方面分析衬砌病害特征,采用荷载结构法通过数值计算获得典型病害断面的弯矩、轴力、剪力和安全系数,评估隧道结构安全状态.研究表明:S0型和S5型衬砌最小安全系数均低于规范要求,运营安全风险较高.针对二衬病害提出了围岩注...     

隧道衬砌背后空洞对其支护结构力学性能的影响性研究

为深入研究隧道衬砌背后空洞对其支护结构力学性能的影响,依托某高速公路隧道,利用室内模型试验、数值模拟手段分别对其支护结构应力进行分析,并对两种手段的研究结果进行了对比分析。研究结果表明,当隧道拱顶、右侧拱腰部位衬砌背后存在空洞时,对应部位的支护结构最先出现裂缝,且产生较大的弯矩值及衬砌应力;隧道衬砌背后空洞将减弱其支护结构与围岩的相互作用,严重影响其力学特性。     

不良地质条件下公路隧道施工力学特性研究

为深入研究不良地质条件下隧道施工力学特性,提高隧道施工效率,保证施工安全,依托某高速公路隧道,利用现场监测、数值模拟手段研究施工过程中隧道支护结构接触压力、弯矩值、轴力值情况,并对其进行对比分析。研究结果表明:在偏压软弱地层条件下,围岩与初支间接触压力极易形成应力集中;二衬与初支间接触压力分布不均衡;右侧拱脚弯矩值较大,且分布范围较广;隧道衬砌轴力在拱顶和仰拱处均产生了应力集中。研究成果为类似工程提供了技术支持。     

水平泥砂互层隧道围岩稳定性研究

以大梁峁特长公路隧道为依托,针对水平层状岩体隧道,采用ANSYS数值分析软件将水平泥岩砂岩互层岩体等效为正交各向异性的方式,对隧道开挖过程中围岩稳定性进行了数值试验分析,通过分析围岩塑性区、围岩应力、隧道变形、锚杆轴力、初支及二衬内力,得出施工采用支护参数的合理性和水平泥岩砂岩互层隧道围岩变形和初支、二衬应力的分布特征.     

复杂地层内地铁联络通道冻结施工冻胀控制研究

针对地铁联络通道冻结施工时常面临的冻胀过大且冻胀率较难测定的施工难题,依托杭州某复杂地层内越江隧道联络通道冻结施工实例,采用数值分析不同假定冻胀率对冻土体内力和主隧道变形的影响,通过冻土体内力变化制定出冻土体的临界冻胀率,同时对主隧道竖向变形进行监测,并结合主隧道计算竖向变形反馈出实际冻胀率,最后根据实际冻胀率和临界冻...     

软岩隧道拉锚结构数值分析与支护机理研究

为研究拉锚结构在软岩公路隧道的支护效果并推进其应用发展,针对两台阶法开挖的Ⅴ级围岩公路隧道,使用FLAC3D进行数值分析。根据拉锚结构构件连接方式,提出拉锚结构模拟方法并建立模型,对4种不同支护方法的隧道围岩位移、应力和支护结构受力特性进行了对比分析,总结拉锚支护的结构受力特性和支护机理。结果表明:拉锚支护在改善围岩应力状态、减少隧道位移和发挥支护结构效用3个方面均最优;拉锚支护能够明显改善拱腰处应力状态和变形情况;拉锚支护的锚杆所受轴力大于传统支护,其轴力大小分布从杆尾到杆端越来越大;拉锚支护的横向钢带在各点的应力均大于钢拱架,尤其在拱腰处。     

围岩蠕变对运营隧道衬砌裂缝发育的影响研究

二次衬砌混凝土开裂是公路隧道运营期间较易遇到的问题。针对此问题,以江西某高速公路软弱破碎砂岩隧道为例,利用FLAC3D软件建立基于Cvisc蠕变模型的公路隧道三维模型,分析了围岩蠕变10年内衬砌内力的变化程度,并结合现场衬砌裂缝规律的统计结果进行了力学分析。结果表明:随着围岩蠕变时间的延长,衬砌拱脚及拱肩位置处剪应力呈线性增长;衬砌拱脚处的偏应力增量最大,其次为拱腰;围岩蠕变10年后,衬砌的最大剪应力、偏应力增量分别为2.11,1.3 MPa,达到了衬砌混凝土的容许应力;剪应力和偏应力的增长促进了衬砌裂缝的发育。     

寒区隧道衬砌刚度分布对冻胀压力的影响

为保证衬砌结构具有合理的安全度,考虑冻胀水体、衬砌和围岩之间的共同作用特征,提出了约束冻胀模型和冻胀压力的理论计算式,并采用考虑围岩抗力的荷载-结构模型求解衬砌刚度分布.在此基础上,以结构安全度为度量指标,探讨了冻胀压力与衬砌刚度之间的关系.结果表明:等厚衬砌断面结构刚度在拱顶及仰拱中部较小,边墙部位较大;增大衬砌厚度使衬砌刚度增大,导致冻胀压力增大,同时也提高了衬砌承载能力;增大衬砌厚度导致的冻胀压力增大不如衬砌承载能力的提高显著,因此,增大衬砌厚度是提高衬砌抗冻能力的有效措施.