二次衬砌结构拱顶存在空洞或裂缝的数值模拟

多种原因将导致隧道在长期运营过程中产生多种形式的病害，拱顶处存在空洞和裂缝是其中最常见的病害。本文采用ANSYS数值模拟分析软件，对隧道拱顶处存在空洞或裂缝时二次衬砌结构的受力状态进行模拟分析。通过模拟分析得知，拱顶处的这两种病害形式将显著改变结构的受力状态，增大二次衬砌结构受拉破坏的可能性，不利于衬砌结构继续承担荷载。因此拱顶部位出现空洞和裂缝后，要加强对隧道裂缝变化过程的长期持续监测，密切关注其发展状态，同时应及时采取维护加固措施进行处理。     

二次衬砌结构拱肩存在空洞的力学行为分析

公路隧道施工缝周边隧道衬砌不密实,会使衬砌结构发生物理与力学性能的改变。本文采用ANSYS有限元软件,对隧道拱肩处存在空洞时二次衬砌结构的受力状态进行了模拟分析。通过模拟分析得知拱肩处的空洞将显著改变衬砌结构的受力状态,增大二次衬砌结构受压或受拉破坏的可能性,不利于衬砌结构继续承担荷载。因此,拱肩部位出现空洞后,要加强对隧道的持续监控,同时应及时采取维护和加固措施。     

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。     

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。     

隧道拱顶存在脱空的数值分析

隧道在长期运营过程中,目前最常见的病害是拱顶出现脱空.脱空对二衬结构受力是很不利的,它会导致结构混凝土出现开裂.为分析隧道拱顶脱空与拱顶纵向裂缝的产生有无相关性,本文基于大型有限元仿真软件ANSYS,计算分析二衬混凝土与围岩脱空后对二衬结构受力状态的影响,判断由于脱空导致二衬结构混凝土开裂的可能性.     

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。     

局部空洞(局部荷载)作用下连拱隧道衬砌裂缝仿真分析

基于对国内外已建连拱隧道的病害调查分析,隧道衬砌裂缝多为局部空洞引起。因此,针对局部空洞现象,利用大型通用有限元软件ANSYS进行计算,重点对衬砌裂缝的形成和发展进行分析,得出不同部位出现空洞时,其裂缝发生部位和衬砌结构最不利的结构受力情况,可为连拱隧道设计、施工及维修管理提供参考。     

海底隧道施工缺陷对衬砌安全性影响研究

根据厦门翔安海底隧道的施工缺陷记录,分析了施工缺陷对衬砌安全性可能造成的影响。采用三维非线性有限单元法,对海底隧道衬砌背后空洞及衬砌厚度不足两种病害进行了数值模拟分析。研究结果表明,不同位置及程度的衬砌背后空洞均会对衬砌整体安全造成影响,拱顶背后空洞不会改变裂缝分布位置,拱腰背后空洞会使衬砌裂缝分布位置发生变化并产生新的裂缝。不同位置及程度的衬砌厚度不足,均只对衬砌厚度不足截面附近位置结构安全产生较大影响;拱顶衬砌厚度不足将会导致拱顶及拱腰产生裂缝,拱腰及边墙衬砌厚度不足不会使衬砌出现新的裂缝。     

硫酸盐腐蚀对浅埋公路隧道安全性能的影响

针对受硫酸盐化学腐蚀后Ⅴ级围岩中埋深为10 m的隧道,运用同济曙光软件建立荷载-结构法拉压弹簧模型进行分析计算,计算表明:硫酸盐化学腐蚀可使隧道衬砌产生劣化,这一现象对病害处衬砌的力学性能影响较大,对无病害处衬砌的力学性能影响较小;无论是裂缝还是剥落病害,拱顶处病害比拱腰处病害对隧道安全性的影响大;起拱线处的剥落病害对隧道安全性的影响也不容忽视;隧道衬砌同样位置发生剥落病害或裂缝病害时,剥落比裂缝对隧道整体安全性的影响程度大.     

不同应力场软弱围岩公路隧道结构安全性数值分析

针对目前隧道衬砌结构在运营中出现较多病害的现状,运用数值计算手段,建立三维有限元数值模型,对不同应力场软弱围岩公路隧道结构安全性进行了评价,详细研究了衬砌结构在不同应力场作用下出现裂缝时的应力和变形,研究结果表明:不同应力场,隧道衬砌结构均先在拱脚处出现裂缝;随着侧压力系数的增大,衬砌结构承载减小;拱脚处应作为隧道结构长期安全性应力监控的重点;另外,在λ为0.5、1.0的应力场中,边墙处压应力值也较大,而在λ为1.5的应力场中,拱顶处的压应力值较大;隧道结构在长期安全性变形的监控中,在λ为0.5的应力场中,边墙、拱顶处应重点监控;在λ为1.0的应力场中,拱肩、拱顶处应重点监控;在λ为1.5的应力场中,拱腰、拱顶处应重点监控.     

高地温隧道荷载模式及二次衬砌安全特性研究

为解决高地温隧道衬砌结构受力特性不明晰问题，以川藏线桑珠岭超高地温隧道为工程依托，采用现场试验和热-力耦合数值计算手段，研究二次衬砌在高地温环境下的力学特性和安全特性，提出高地温隧道荷载设计方法。结果表明： 高地温隧道二次衬砌施作后10 d内应力变化较大，20 d后趋于稳定；最大拉应力位于拱顶处，最大压应力出现在边墙处；高地温隧道荷载修正系数可表示为围岩初始温度的多项式关系；衬砌内外侧压应力均随围岩温度升高呈现出增大趋势，但各点增大速率存在一定的差异，拉应力值随温度呈波动增长；最小安全系数出现在拱顶，随围岩温度的升高而降低，当温度高于60 ℃时，存在被破坏的可能性；二次衬砌最大裂缝宽度位于拱顶处，随着温度升高，裂缝宽度增大。     

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。     

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。     

基于温度效应的隧道二次衬砌混凝土结构力学状态分析

为了研究寒冷地区隧道二次衬砌混凝土结构在环境温度变化情况下的力学状态,基于振弦式混凝土应变计的测试原理,提出温差引起的误差修正公式,并采用数值模拟的方法,对隧道二次衬砌混凝土的温度应力进行了分析。结合陕西省吴堡至子洲段高速公路刘家坪3号隧道现场二次衬砌混凝土应变监测数据,研究了1年内环境温度变化情况下隧道二次衬砌混凝土的结构受力。结果表明:在温度的影响下,混凝土内部在冬季产生了比较大的拉应力,混凝土内侧拱顶产生压应力,其余部位内侧产生拉应力;混凝土外侧拱顶和边墙部位产生了比较大的拉应力,最大值出现在拱顶部位;混凝土的内外侧应力最大值为1.01 MPa,接近C25混凝土的设计抗拉强度1.33 MPa。     

衬砌存在裂缝的隧道力学模型及机理研究

衬砌裂缝是隧道工程中最常见的病害,严重时会影响隧道的运营安全,准确评价存在裂缝衬砌结构安全状况是隧道工程师面对的难题。通过分析隧道裂缝病害力学和几何特征,利用接触理论模拟裂缝面的接触摩擦作用,基于地层—结构方法建立了包含纵向裂缝的隧道计算模型,并综合钢筋混凝土理论和脆性材料断裂判据,建立了存在裂缝的隧道衬砌结构安全性评价方法。在计算模型和评价方法的基础上,分析了裂缝角度对衬砌结构安全的影响,计算结果表明,裂缝角度是决定衬砌结构稳定性的重要参数。算例分析表明,该计算模型和评价方法简便易行,意义明确,对深入理解和分析裂缝面承载机理具有指导意义,对存在裂缝的隧道病害检测和状态评定具有借鉴和指导意义。     

黄土隧道二次衬砌开裂原因分析

在实地调查山西省某在建高速公路黄土隧道二次衬砌裂缝病害特征的基础上,通过数值模拟方式并从黄土结构性角度出发对该黄土隧道二次衬砌裂缝成因进行了分析,相关分析结果对提高黄土隧道二次衬砌开裂机理的认识及处治措施的选择具有参考价值和实际意义。     

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。     

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。     

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。     

高地应力软岩隧道圆形断面扩挖施工围岩及支护受力特征研究

针对高地应力软岩隧道开挖时围岩大变形问题,以某隧道圆形扩挖段为背景,采用三台阶法施工和3层初期支护+小导管注浆+二次衬砌的复合结构支护,并通过现场监测、数值模拟和理论计算研究开挖过程中的围岩变形及支护结构受力。结果表明:上、中台阶开挖时的隧道围岩变形速率较大,在仰拱封闭和第3层初期支护施作完成后,隧道变形趋于稳定;采用3层初期支护结构可有效改善隧道周边围岩应力,3层初期支护基本都是受压结构,拱腰和边墙处竖向应力最大,拱顶处水平应力最大;二次衬砌拱腰、拱顶、拱脚和边墙处安全系数均大于规范要求,保证隧道结构安全。