组合补强对缺陷病害隧道结构承载力影响的室内模型试验研究

以重庆市在建的笔架山隧道为现场原型,室内采用几何比为1∶25的大比例模型试验,选取不同围岩类别、不同地应力场及不同缺陷形式条件下,进行加载试验至结构产生病害后,采取不同的组合补强措施,再加载至结构破坏,重点对各种不同条件下,补强后结构的最终破坏形式、承载力状况进行研究,得出对于无空洞缺陷或无衬砌减薄的病害隧道,应根据结构是以受拉或是以受压产生的病害来决定内表面的补强形式,然后再结合锚杆补强的组合补强方式;对于有空洞或有衬砌减薄缺陷的隧道结构,补强时首先是进行回填压注,然后再与内衬.拱架 锚杆补强或与内表面补强 锚杆补强两种补强方式合用。而对于无仰拱病害隧道的补强,对两个拱脚应做特别处理,内表面采用内衬.拱架补强时应施作基础,否则采用注浆和打锁脚锚杆的方式加固。     

碳纤维补强公路隧道设计计算方法的研究

面对日益艰巨的公路隧道修复加固任务,碳纤维补强技术以其施工便捷、高强高效、耐久性好,扰动小等传统加固技术不可比拟的优点,有望被应用于隧道衬砌加固领域。本文针对碳纤维补强公路隧道衬砌,按荷载结构法,以碳纤维补强钢筋混凝土偏压构件截面承载力、裂缝和变形的理论为基础,提出了裂缝发展分析方法,初步形成了一套适用于碳纤维补强公路隧道衬砌结构的设计计算方法。本文研究成果将为碳纤维加固修补公路隧道衬砌结构提供设计依据,推动碳纤维补强技术在该领域的应用。     

钢筋混凝土套拱加固病害隧道安全评价研究

考虑到现阶段钢筋混凝土套拱加固病害隧道安全验算方法的不足,采用理论分析的方法推导了钢筋混凝土套拱加固病害隧道4种情况的安全系数,计算过程中根据隧道技术状况对原衬砌结构的承载力进行相应的折减,同时考虑了新增钢筋混凝土套拱承载力的利用系数,并以长安坝隧道为工程实例,对推导公式予以验算。研究结果表明:现有方法中将原衬砌结构与钢筋混凝土套拱简化为一整体的素混凝土结构,安全系数偏大,存在一定的风险;将原衬砌结构作为安全储备,不考虑其剩余承载力,安全系数偏小,设计过程中有可能出现过分浪费材料的情况,经济性较差。考虑原衬砌结构的承载力折损情况及新增钢筋混凝土套拱承载力利用系数时,安全系数处于上述两者之间,计算结果相对更加客观、合理。     

隧道工程衬砌结构补强加固技术研究

隧道工程衬砌结构病害对其正常运营会造成极大的不便,甚至有可能引发相关安全事故。该文结合甘肃某公路隧道维修加固工程实践,在阐述其衬砌混凝土结构受力特性以及新型补强加固材料主要性能的基础上,通过Ansys软件,对其衬砌施工缺陷段的二衬结构安全性进行了有限元分析,也对该实例工程进行了多方案对比分析研究,提出了衬砌结构补强加固实施方案的具体合理工程技术措施;最后采用的"灌注裂缝胶+贴碳纤维布+新型网格状钢带补强"加固方法不仅施工工艺较为简单,而且对隧道原有衬砌结构的扰动性较小,具有良好的工程实际应用意义和推广价值。     

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。     

UHPC加固盾构隧道衬砌结构试验

为了研究超高性能混凝土（UHPC）加固盾构隧道衬砌结构性能,首先开展了UHPC材料抗压、抗拉试验研究,然后将其应用于加固盾构隧道衬砌结构,并开展了加固结构的极限承载力足尺试验研究。该加固方法包括以下步骤：在隧道管片内表面进行凿毛处理,在凿毛后的内弧面植入弯筋和化学锚栓,清理凿毛表面,最后在内弧面浇筑0.06 m厚UHPC。未加固衬砌结构整环外径6.2 m,环宽0.6 m,管片厚度0.35 m。加固结构通过外弧面上均匀分布的24个千斤顶进行加载,这些千斤顶分为3组,分别控制其荷载大小,以模拟地层的不均匀压力。标准养护条件下,UHPC18 d龄期（足尺试验龄期）的抗压和抗拉弹性极限强度分别达到138 MPa和12 MPa。加固整环结构的弹性极限由腰部外弧面的混凝土开裂控制,结构破坏是由于原管片接头位置出现4个塑性铰,致使结构变成可变机构。通过分析试验结果以及对比现有加固技术,得到如下主要结论：①UHPC材料的拉压力学性能对养护湿度的依赖性较小,材料存在明显的应变强化现象;②UHPC加固隧道衬砌结构极限承载力由管片接头部位性能控制;③UHPC自身的材料性能得到充分利用,但原隧道管片的材料性能尚未得到充分发挥;④相比未加固结构,初始结构刚度提高1个数量级,结构弹性极限提高了115%,UHPC加固结构承载力和传统的钢板加固相当。     

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。     

深埋高水位山岭隧道支护与衬砌外水压力分析

为保护环境并尽可能降低隧道衬砌结构所承受的水压力,深埋高水位山岭隧道一般采取堵水限排的设计原则。在隧道力学和渗流力学的基础上进行数值分析和模型试验,研究渗流应力耦合作用下支护和衬砌的力学特性。研究结果表明:对于受排水影响明显的山岭隧道,作用于初期支护上的水压力不会随排水条件的改变而发生显著变化。当排水通道从围岩与初期支护的界面转变为初期支护与二次衬砌的界面后,会导致孔隙水压力从初期支护向二次衬砌转移,初期支护产生卸载并朝向围岩变形。隧道有效排水时,二次衬砌承受的水压力可忽略。随着排水系统退化导致排水受阻时,地下水流梯度逐渐下降,有效径向应力逐渐下降,朝向隧道的径向流量减少,且围岩变形减小,二次衬砌上的水压力增大。本研究为深埋高水位山岭隧道的初期支护和二次衬砌的初步设计提供了一个合理的方法,并有助于确定地面、水和支护间的荷载传输机制。     

公路隧道衬砌注浆加固力学特性研究

为深入研究公路隧道衬砌注浆加固的力学特性,全面评价注浆加固效果,利用PYD-50平面应变三向加载地质力学模型试验装置,针对依托工程的衬砌背后不同部位存在空洞、软弱围岩4种不同工况开展了室内模型试验,研究各工况下隧道衬砌结构应力、围岩压力等力学特性;同时,利用数值模拟手段进行分析,并将其结果与模型试验结果进行相互验证。研究结果表明:当隧道衬砌背后存在空洞、软弱围岩情况时,衬砌结构应力、围岩压力分布极不均衡,不利于隧道整体稳定;采取注浆加固措施后,衬砌结构应力最大值减小幅度达16.7%~40%,部分特征方向上围岩压力增幅达11.4%~35.5%,且二者分布更加均衡。以上分析表明,注浆加固措施有效降低了衬砌结构应力集中现象,提高了衬砌结构整体稳定性,其病害防治效果良好。     

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。     

公路隧道二次衬砌厚度不足成因分析和治理研究

二次衬砌厚度不足会导致隧道各种病害,首先从隧道二次衬砌设计和施工两个方面分析导致厚度不足的原因;然后结合隧道二次衬砌应力分布和受载情况分析衬砌厚度不足对结构的影响;最后通过研究总结二次衬砌施工质量控制预防和补强加固两方面治理措施,达到治理衬砌厚度不足引起的各种病害的目的。该项研究对隧道二次衬砌施工和运营养护具有重要借鉴作用。     

甜永高速公路某黄土隧道仰拱开裂原因分析及处置措施

运营后的甜永高速公路某隧道,出现了仰拱开裂等现象,通过进行补充地质勘察、现场试验及监测后发现,引起仰拱开裂的主要原因为黄土在水的浸泡下地基承载力大幅度削弱,拱脚地基承载力不足,致使拱脚沉降导致仰拱起拱弯拉而产生裂缝,导致本隧道仰拱回填及调平层混凝土开裂。针对开裂原因,通过采取钢管桩地基加固+衬砌结构加强+增设盲沟排水系统工程处理措施,取得良好的治理效果。     

严寒地区铁路隧道衬砌冻胀病害处治技术

严寒地区隧道衬砌因季节变化,在冻胀作用下极易破坏。东北某铁路隧道在确保运营和列车安全通行的条件下,对隧道衬砌进行了补强处理和保温处治,以避免隧道衬砌冻胀破坏。通过研究隧道病害特点及区域适应性,提出了已损二次衬砌加强和增设防寒保温措施的处治方案,采用脚手架快速施工技术、波纹板滑道安装技术、波纹板固定安全措施、波纹板+自发泡聚氨酯表层处理技术,有效保证了在列车通行条件下,对隧道衬砌的补强保温施工。隧道运营效果表明:处治施工方法和工艺合理、措施得当,补强保温技术可行,可为类似工程提供参考。     

钢板-混凝土组合结构加固盾构隧道衬砌结构极限承载力足尺试验

提出钢板-混凝土组合结构加固盾构隧道衬砌结构的加固方法,该方法采用钢板作为加固材料,钢板与原衬砌结构的界面黏结采用栓钉、植筋、化学锚栓和钢纤维混凝土组合而成的物理界面黏结。其中,焊接于钢板表面的栓钉作为钢板与钢纤维混凝土之间界面的抗剪连接件,植入原混凝土衬砌内表面的植筋作为原混凝土与钢纤维混凝土之间界面的抗剪连接件,化学锚栓提供钢板与原混凝土之间的径向抗剥离力,而采用钢纤维混凝土作为钢板与原混凝土衬砌之间的填充材料,其具有良好的抗裂性能与耐久性。这种界面黏结形式相比传统盾构隧道加固方法中由环氧树脂形成的化学界面黏结,提高了界面的强度、延性以及耐火性,改变了传统盾构隧道加固方法中,结构破坏源自局部界面黏结脆性破坏的破坏模式。以通缝拼装盾构隧道为加固对象,对加固试件进行模拟上部堆载作用下考虑二次受力的整环足尺静力加载试验,分析结构整体的受力过程、破坏模式和极限承载力等,探究钢板-混凝土组合结构加固法对于提高结构受力性能的作用,并将试验结果与内张钢圈加固法进行比较。研究表明:采用钢板-混凝土组合结构加固法加固盾构隧道,保证了界面黏结的有效性,极限承载力状态下,界面黏结良好,使得加固材料与原混凝土衬砌结构能够共同工作,提高了各类材料(钢板、螺栓等)的利用率,结构整体破坏模式具有良好的弹塑性;相比于内张钢圈加固法,钢板-混凝土组合结构加固法的钢材用量减少了29.4%,而结构极限承载力提高了31.1%,结构延性增加501%。     

桥梁结构粘贴钢板加固法系统研究

结合桥梁结构特点,对主梁受弯、受剪和受拉的承载力不足采用粘贴钢板代替增设的补强钢筋,提高桥梁的承载能力。对粘贴钢板加固法的适用条件、材料要求、力学特点、设计计算、构造措施、工序质量控制及加固工程质量检验评定方法等方面进行了系统研究,此外提出的工序和质量控制对实际加固工程具有指导意义。     

公路隧道叠合式套拱加固技术应用研究

随着运营时间的增长,公路隧道部分衬砌结构因承载能力不足,逐渐发生变形、开裂、错台、掉块等较严重病害,亟需进行加固处治。叠合式套拱是一种强力的加固措施,可以与原衬砌结构结合成一体共同承担围岩荷载,最大限度利用原结构的剩余承载能力,加固效果显著。依托工程实践,对叠合式套拱加固技术进行分析研究,结果显示该方法可显著改善原衬砌强度、刚度及稳定性,极大地提高衬砌承载能力,有效地抑制二次衬砌裂缝的发生、发展,确保隧道运营安全。     

公路隧道二次衬砌施工缺陷处治技术

采用工程类比和经验总结的方法,分析产生隧道施工缺陷的原因,并针对隧道二次衬砌厚度不足、与初期支护之间存在空洞以及表面存在裂缝三大类缺陷提出加固补强方案和施工过程注意事项,可以有效地解决隧道施工缺陷。     

UHPC在隧道衬砌裂损整治中应用的可行性及性能要求研究

为解决隧道二次衬砌裂损整治中面临的净空限制等问题，提出采用超高性能混凝土（UHPC）代替普通混凝土作为衬砌补强材料，并对其可行性及材料力学性能要求进行系统研究。基于异性材料叠合梁理论对裂损衬砌和加固层的共同受力机制进行研究，得到加固材料的力学性能与结构受力特征之间的关系，从而得到加固工程对加固层厚度及UHPC力学性能要求； 在此基础上，提出一种实体单元应力和内力换算的计算方法，并通过有限差分法数值模拟，对衬砌与加固材料之间结合面的受力特征进行分析，从而得到加固工程对UHPC和普通混凝土之间黏结强度的要求。研究结果表明： 对于承载力损失不超过40%的衬砌，可采用UHPC进行加固； 对于承载力损失不超过15%的衬砌，UHPC的使用可将加固层的厚度减小到10 cm左右。     

大断面黄土隧道基底加固与长期稳定性分析

结合兰州周边典型大断面湿陷性黄土隧道的建设,通过室内物理力学试验、微观结构测试和数值模拟等方法,系统研究了兰州地区黄土隧道的病害机理、基底加固措施及长期蠕变规律。结果表明,黄土湿陷变形的力学特性是导致隧道结构典型病害的主因,在黄土增湿及结构劣化作用下,不均匀沉降导致大断面黄土隧道墙脚下沉、仰拱及填充层中部隆起变形并断裂。据此,提出采用旋喷桩基底加固工程措施,以控制地基土变形,确保结构安全,通过室内蠕变试验和数值分析,发现二衬施作后230 d左右,蠕变变形趋于稳定,蠕变5年后,应力场分布基本稳定,在30年蠕变期内,衬砌各项应力指标满足隧道长期运营安全要求。     

粘贴钢板加固地铁盾构隧道承载性能研究

为探究粘贴钢板(简称粘钢)加固盾构隧道衬砌的承载性能和破坏机理,基于上海实施的内张钢圈加固管片衬砌结构试验,建立三维实体精细有限元模型,讨论了通缝隧道衬砌粘钢加固后的力学行为、变形特性和破坏模式,验证了数值仿真手段的可靠性。在此基础上,对广州地铁1号线某区间错缝盾构隧道钢板加固案例展开模拟,评价加固效果。研究结果表明:精细有限元模型能较好地模拟钢板与管片衬砌的共同承载特性,真实反映接头等细部构造的变形及力学指标;粘贴钢板加固后衬砌结构破坏的直接原因是钢板与管片混凝土间环氧树脂黏结失效,呈现明显的脆性特征,常规变形监测难以起到预警作用,应着重关注钢圈与混凝土间黏结状态;某病害错缝盾构隧道进行粘贴钢板作业后承载力提升约59.0%,加固效果显著。研究成果可为相关隧道加固方案的设计与实施提供指导和参考。