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。     

中巴公路浅埋偏压隧道二次衬砌受力监测分析研究

利用振弦式传感器对中巴喀喇昆仑公路堰塞湖改线段浅埋偏压隧道的二次衬砌进行现场监测,采集得到初支与二次衬砌间应力和二次衬砌混凝土应变的随时间变化规律并进行分析。测试结果表明,隧道初支与二次衬砌间接触紧密,二次衬砌有效承担了初支传递的围岩形变应力,且在二次衬砌施作后50d后应力基本保持稳定;初支与二次衬砌间所受的应力右幅大于左幅,存在偏压受力情况;二次衬砌混凝土应变初始阶段是拉应变,随着时间的增长,混凝土应变转为压应变阶段并逐渐变形稳定。综合监测结果可知,各监测值都在规范规定的安全值范围内,该浅埋偏压隧道二次衬砌结构受力稳定,可靠安全。     

二次衬砌结构拱顶处存在空洞或裂缝时的数值模拟

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。     

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。     

寒冷地区隧道衬砌裂缝成因及预防

隧道衬砌混凝土因材料缺陷、施工不当和设计疏漏等均可能诱发裂缝,衬砌裂缝的基本预防方法是相应地优选材料、优质施工和精心设计。衬砌裂缝在围岩压力、行车震动和温变应力等的影响下会逐渐发展,若不进行有效控制,裂缝的不断发展会诱发隧道渗漏水,严重时会发展为结构失稳。对于寒冷地区隧道,渗漏水会诱发隧道冻害,温变应力主要表现为更容易致裂的拉应力,因此,衬砌裂缝的设防尤为重要。针对寒冷地区隧道的气温特点和衬砌裂缝成因,提出了尽量隔离各衬砌段以减少其周边约束的防裂措施。     

高地震烈度下超大直径海底盾构隧道地震响应分析

运用FLAC3D软件采用动力有限元法对高地震烈度下超大直径海底隧道地震响应进行分析。通过分析得出如下结论:①与单纯自重应力场作用下相比,地震作用会造成结构内力增大,拱顶及拱腰为其受力薄弱部位;②在重力及地震共同作用下,衬砌结构的拉应力主要出现在拱顶附近,最大拉应力超过C60混凝土的抗拉强度设计值,拱顶的衬砌管片可能出现局部脱落;③衬砌结构的最大受力和位移一般发生在地震2-6 s的时间段;④各关键点位置的位移、弯矩、剪力、轴力时程曲线具有相似的变化规律;⑤隧道衬砌最大水平位移为3.6 cm,最大竖向位移为3.7 cm。     

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。     

超大跨度公路隧道衬砌的变形规律及裂缝处理

为研究超大跨度公路隧道二次衬砌裂缝的变形规律及产生原因,以滨莱高速姚家峪隧道为依托,对超大跨度公路隧道二次衬砌开裂段进行监控与量测。监测内容包括拱顶沉降、净空收敛及裂缝宽度,并对监测结果进行分析。结果表明:二次衬砌变形规律与洞内气温变化相关,随着气温上升,变形表现出先增大后逐渐平缓的规律;混凝土材料的收缩及温度应力作用是隧道二次衬砌开裂的主要原因,因此冬季施工时应加强混凝土的养护,防止裂缝持续发育;衬砌裂缝主要位于隧道洞口段,并沿起拱线上下纵向曲折延伸,施工时应采用低压速灌法、环氧树脂等协同处理。     

裂损衬砌承载安全与裂缝评定标准研究

现行规范中对隧道衬砌裂缝评定标准体系仅考虑了裂缝深度和长度,未考虑裂缝深度的影响。为此,采用Abaqus有限元软件建立不同裂缝深度、不同裂缝部位的隧道衬砌有限元模型,以分析不同裂缝深度、不同裂缝部位对隧道衬砌结构承载安全的影响。研究结果表明:拱顶裂缝对结构危害性最大;裂缝深度对结构承载性能影响较为显著,当裂缝深度由0发展到1/2H时,结构整体承载力下降速率较快,此阶段裂缝应重点控制;当裂缝深度由1/2H发展至贯通时,结构整体承载力下降速率较为缓和,结构整体刚度下降,在结构开裂处已不具有传递拉压应力的介质,此处承载能力已基本丧失,当裂缝发展到此阶段时,需及时处治;结合现有分级标准,提出了考虑衬砌裂缝深度的分级标准,将不同规模的衬砌裂缝划分为4个等级,为衬砌开裂处置提供科学依据。     

长大隧道开敞式TBM同步衬砌施工技术应用前景及发展趋势

目前我国所使用的TBM以开敞式为主,通常情况下,隧道掘进之后需要施作初期支护以及二次模筑混凝土衬砌,隧道施工总工期较长。为了解决开敞式TBM不能同步施作现浇混凝土二次衬砌的难题,结合南疆铁路吐库二线中天山隧道和兰渝铁路西秦岭隧道工程实例,研发了有轨运输出渣（开挖直径88 m）和连续皮带机出渣（开挖直径1023 m）2种工况条件、2种断面下的开敞式TBM同步衬砌施工技术,并成功应用。探讨了该技术的应用前景及发展趋势,指出： 该技术具有重大的推广意义和广阔的应用前景,下一步需要深入地、系统地研究不同工况、不同断面条件、不同作业范围的同步衬砌施工技术,如小断面同步衬砌、现浇混凝土仰拱同步衬砌、全断面同步衬砌等施工技术,使之形成系列工法,推动我国长大隧道TBM施工技术的全面发展。     

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。     

青岛胶州湾海底隧道总体设计与施工

海底隧道修建在我国处于起步阶段,没有规范和成熟的经验可以借鉴。为了科学、安全、经济地建设青岛胶州湾隧道,为我国海底隧道建设积累经验和规范的编制奠定基础,从工程调研类比分析、理论计算分析、室内试验、现场试验、工程实践等方面对胶州湾海底隧道进行系统的科学研究,对跨海通道的型式（轮渡、环湾高速公路、大桥、隧道）进行比较分析,得出以下结论： 1）总结出海底隧道全〖HJ2.5mm〗天候、经济运行的优点; 2）得出三车道海底隧道最小岩石覆盖层厚度25 m、线净间距一倍洞径和最大纵坡4%等总体设计关键参数; 3）得出采用复合式衬砌、多心圆椭圆型的合理断面和支护参数; 4）采用“以堵为主、限量排放”的防排水方案,限排标准为04 m3/(d•m),保证了结构安全和最小排水量; 5）采用控制爆破保护围岩、多重防腐锚杆、C35湿喷高性能混凝土、C50耐久性混凝土等系统耐久性设计,预测使用寿命超过120年; 6）采用超前钻3～5个钻孔进行超前探水结合地质素描、物探等手段的综合超前地质预报,查明了工程地质和地下水情况; 7）采用凿岩台车、湿喷混凝土机械手等大型机械全断面或台阶法的快速安全施工方法以及综合的防塌方涌水技术措施等,保证了施工安全。     

高地热环境隧道衬砌结构受力特征模型试验研究

随着我国交通事业的发展,深埋高地热条件下的长大隧道越来越多。地热温度不仅对衬砌结构的受力特征有影响,而且会影响隧道结构的耐久性,但目前国内对高地热环境下隧道力学行为的研究有限。针对以上问题,以拟建的高地热环境下的高黎贡山隧道为工程背景,采用室内相似模型试验,通过逐步改变温度的方式,得到不同温度下隧道衬砌结构各部分受力特征和变化趋势： 1）在地热温度作用下,隧道衬砌结构产生内力重分布,即在一定温度范围内,轴力基本随温度呈线性增长;弯矩总体上变化不明显,拱项部位弯矩随温度升高呈降低趋势,其他部分则呈相反变化趋势。2）衬砌结构的拱脚位置受温度影响最明显,应作为设计与施工时的重要控制部位。3）在温度荷载作用下,支护结构的整体安全储备（安全系数）明显降低。     

探地雷达在隧洞衬砌质量检测中的应用

通过对电磁波在隧洞混凝土衬砌中的反射特征进行研究,并结合具体工程实例,阐述在隧洞衬砌质量检测中根据波形记录和雷达图像如何识别混凝土衬砌脱空、钢支撑、钢筋及保护层厚度、衬砌渗漏、衬砌厚度及衬砌混凝土内部缺陷等反射特征,从而确定隧洞的衬砌质量。     

铁路隧道衬砌施工工装工艺及信息化技术试验研究

针对当前铁路隧道衬砌存在的拱顶脱空、施工缝处空鼓、混凝土开裂掉块、渗漏水等质量缺陷，对缺陷成因及工装工艺方面存在的不足进行简析。以张吉怀铁路吉首隧道为例，开展新型智能衬砌台车工装工艺及信息化技术研发和试验应用。提出分层自动浇筑、端头透明堵头板、拱顶斜孔浇筑、端头零搭接装置、加强型中埋式止水带等先进施工工装工艺。拱墙衬砌台车信息评估系统通过PLC智能集成台车浇筑状况、布料系统、拱顶自动振捣、拱顶空洞监测、端部搭接监测、侧部压力监测、液压系统、行走系统及衬砌数据报表，实现衬砌浇筑和质量控制实时可视化管控。通过现场试验和第三方检测验证，二次衬砌混凝土缺陷每250 m检测范围由31处减少至4处，混凝土强度提升约12%。     

基于张吉怀铁路隧道衬砌缺陷控制的新型信息化衬砌台车研究与应用

为有效解决、控制和减少衬砌开裂、掉块、脱空等质量缺陷，保障隧道工程建设安全和运营安全，系统地研发了新型信息化衬砌台车，并形成了以衬砌施工信息为基础的隧道二次衬砌病害控制方法。采用旋转式对接快速分料系统，解决了混凝土离析和施工冷缝问题，提高了混凝土浇注施工效率；采用自动振捣系统，减少了漏振、欠振现象，有利于保证混凝土的密实度；采用V型槽零搭接装置，克服了顶裂施工缝的问题；采用可伸缩式堵头板解决了超欠挖时端模封堵的难题；采用信息采集与控制系统，实现了自动化和信息化施工。试验证明，采用新型信息化衬砌台车能够减少开裂、掉块、脱空等衬砌质量缺陷，有效提高衬砌施工质量。     

硫酸盐作用下隧道衬砌腐蚀规律研究

针对西南地区隧道结构硫酸盐腐蚀现状,对围岩环境进行了模拟,采用相似理论,进行了4种工况的试验。在特定时间段以钻芯法测取顶部、拱腰、拱脚及边墙位置的混凝土强度,并根据测试结果分析了各部位腐蚀强度的关系,试验得出:隧道衬砌各部位的强度随时间以抛物线变化,先增大后减小,其中顶部腐蚀速度最大,其他部位的腐蚀速度随着衬砌水平夹角的减小而减小,通过对各部腐蚀强度的关系分析,得出了隧道衬砌各部腐蚀强度的关系式。     

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。