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。     

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。     

空洞在围岩水平侧压力系数不同时对二次衬砌结构的影响

本文建立了山岭隧道衬砌背后空洞影响数值计算模型,并对水平侧压力系数不同时空洞对二次衬砌结构变形和内力的影响进行分析,研究结果表明：水平侧压力系数不同时,隧道衬砌结构的变形差异较大;水平侧压力系数不同时,弯矩的变化比轴力的变化更为明显,但水平侧压力系数的增加会导致轴力和弯矩都迅速增加;拱腰衬砌对拱顶空洞的产生是非常敏感的,尤其是当侧压力系数较大时,拱腰处的弯矩甚至会发生符号的改变;仰拱部位的衬砌结构在空洞产生后,随着侧压力系数的增加仰拱部位衬砌结构所受到的弯矩减小,但随着侧压力系数的增大,仰拱所受到的轴力大大增加,有可能产生压溃破坏。     

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。     

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。     

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。     

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。     

公路隧道衬砌背后空洞对围岩压力分布影响的研究

地质雷达检测结果表明,衬砌背后存在空洞是隧道施工质量典型缺陷之一,在缺陷段衬砌易出现开裂。尽管实际施工中对空洞进行了注浆处治,但仍常常发现衬砌裂损病害。在隧道安全评估计算中,当采用荷载结构法时,计算模型仅仅只对空洞处不施加荷载及约束条件,其它条件与没有空洞缺陷部位相同,这种计算结果与现场病害出现部位不符。介绍以数值试验为主要手段,通过地层结构法对不同部位及宽度的空洞衬砌进行分析,以期找出衬砌背后空洞对围岩压力分布影响的规律,对以往荷栽结构计算模型进行修正,为隧道衬砌结构病害评估、处治及养护措施提供理论依据。     

冲击回波法精细探测公路隧道衬砌空洞的模型试验及分析

为研究空洞缺陷尺寸以及监测点和震源点的位置对检测结果的影响,根据冲击回波法的特点,设计并进行一系列空洞直径不同时混凝土板的检测试验,模拟检测公路隧道衬砌的壁后空洞。采用快速傅里叶变换分析振动加速度信号,研究应力波的频域信号特征,以探索冲击回波法探测衬砌空洞的可能性与机制。试验结果表明,冲击回波法在探测衬砌空洞缺陷中显示出较为良好的检测效果,影响检测效果的因素主要包括空洞缺陷直径、测点布置和激振位置等。     

公路隧道衬砌背后空洞成因及规律研究

衬砌背后空洞是常见的公路隧道质量缺陷之一。衬砌背后空洞不但会恶化支护与围岩间的相互作用关系,还会给隧道结构带来巨大的安全隐患,是导致隧道衬砌结构产生病害主要原因。本文首先从设计、施工和养护3个方面系统地分析了衬砌背后空洞产生的主要原因,然后结合宁波地区11座公路隧道的无损检测数据对公路隧道衬砌背后空洞的变换规律进行了深入研究,研究成果可为国内外相关工程提供借鉴。     

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。     

隧道衬砌空洞积水模型试验研究

文中通过模拟隧道衬砌空洞积水病害，使用探地雷达对其进行探测，得出雷达原始图像；利用软件分析原始图像得出积水高度，并与实际积水高度进行比较。通过试验得出利用探地雷达定量分析衬砌空洞积水高度是可行的结论。     

基于探地雷达的隧道衬砌空洞高精度正演识别研究

隧道衬砌空洞易引发衬砌破坏、渗漏水等工程问题,但因衬砌内部金属(如钢筋、钢拱架)对雷达波的屏蔽作用,会增加雷达剖面的复杂性,进而影响检测效果。依托MATLAB软件平台,采用高阶时域有限差分法分别对400 MHz天线和900 MHz天线时隧道衬砌矩形空洞和三角形空洞进行正演模拟。结果表明:高阶时域有限差分法能高精度模拟雷达波在衬砌中的传播特性,展示衬砌中钢筋、空洞、工字钢的反射波、绕射波的能量、振幅、相位特征;900 MHz天线可分辨出长度在0.3 m及以上的界面,远高于400MHz天线的检测精度,但检测界面相对于真实界面小。     

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。     

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。     

铁路隧道衬砌空洞成因分析及整治

为解决不良地质条件下铁路隧道衬砌空洞整治效果难以保证的难题, 依托隧道整治实际工程, 采用理论分析与数值计算, 对衬砌空洞成因、近似标准流程化的整治技术方案、不良地质条件下衬砌结构安全性验算、整治效果评价等方面进行研究。 研究结果显示: 1)衬砌空洞主要是由地下水侵蚀、岩溶等不良地质作用以及初期支护不平整、冲顶不满、人为因素等施工质量问题导致的; 2)通过结构安全性验算、地质雷达无损检测和衬砌强度试验的效果验收可知，所建立的铁路隧道衬砌空洞系统整治理念与方法体系具有良好的效果。     

高地应力区深埋隧道软弱围岩支护结构力学特性研究

通过对高地应力区深埋隧道上下台阶法施工过程的弹塑性三维有限元数值模拟,对初期支护锚杆、喷射混凝土、钢支撑及二次衬砌混凝土的力学特性进行了分析。结果表明：喷射混凝土拱顶、拱肩处的位移和最大主应力及拱肩处的剪应力较大,受钢支撑影响显著;隧道开挖后的应力集中对其周边1.0m范围内的锚杆轴力有很大的影响;钢支撑轴力和竖向剪断力随距掌子面距离的增大而增大;二次衬砌不同层位、不同位置处的主应力和剪应力有较大的区别。分析结论为高地应力区深埋隧道支护结构设计及其稳定性评价提供了依据。     

条石衬砌公路隧道病害检测及安全性评估

采用地质雷达对白岭窟隧道条石衬砌壁后空洞病害进行了检测,基本探明了该隧道壁后空洞的分布形态和分布规律。根据病害检测结果,开展了不同空洞组合、不同围岩特性、特定位置不同外水压力、不同衬砌厚度等条件下衬砌的内力有限元分析,并对衬砌结构进行了整体抗拉(压)强度检算、偏心距检算以及条石衬砌灰缝局部抗拉和抗剪验算,继而对隧道的整体安全性进行了评估。     

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。     

探地雷达在承朝高速公路东营子隧道质量检测中的应用

采用地质雷达检测的方法可以对隧道衬砌混凝土的厚度、密实度、脱空进行检测,具有精度高、快速、无损检测等优点。文章结合探地雷达在承朝高速公路东营子隧道检测的工程实例,分析隧道衬砌后空洞、松散的典型波形,总结探地雷达的应用效果。