富水大断面公路隧道水压模型试验及衬砌结构力学行为研究

为研究隧道衬砌在围岩压力及外水压力综合作用下的受力特征、结构安全性及破坏过程,采用自制的均匀水压模拟加载装置及隧道地层复合试验台架,实现对围岩压力及外水压力的分别控制加载,完成在深埋条件下不同外水压力作用下衬砌结构受力模型试验。运用ANSYS有限元软件分阶段计算衬砌在水土压力作用下的受力特征,计算各部分安全系数,并与试验结果对比分析。研究表明：采用抽真空的方法模拟外水压力时,外水压力值越大,试验结果越接近真实情况,当外水压力达到150 kPa时,其差值可控制在5%以内;在外水压力及围岩压力的作用下,墙脚及拱底分别受最大正弯矩及最大负弯矩作用,且安全系数较其他位置小;随着外水压力的增大,衬砌所受的轴力及弯矩持续增大,且增大速率基本呈线性,其中墙脚位置增长速率最快;随着荷载的增大衬砌结构墙脚最先发生破坏,墙脚裂缝发展导致衬砌结构应力重分布,最终引起拱底开裂;墙脚的裂缝导致墙脚处承受的正弯矩不断减小,拱底承受的负弯矩不断增大,安全系数不断减小;当墙脚的裂缝宽度发展至1.5~2.0 mm时,试验数据及数值模拟结果计算所得拱底安全系数降低至1.5左右,拱底不再满足承载要求,与试验中衬砌的开裂行为相吻合。所提出的模型试验方案可为类似模型试验提供参考,研究成果可为富水大断面公路隧道的设计及安全评估提供依据。     

富水炭质板岩地层隧道底部结构破损原因分析及防治措施探讨

云南香丽高速公路穿越富水炭质板岩地段,多座隧道出现隧底结构破损,破损主要特征为隧底填充混凝土沿隧道中线纵向开裂,裂缝上宽下窄,呈"V"字形,对于隧道施工以及后期运营带来极大的安全隐患。该文以香丽高速公路典型富水炭质板岩地层隧道为工程背景,通过现场调查和数值计算分析等方法,分析隧道底部结构破损原因,提出相应的防治措施。结果表明:隧道底部结构破损主要是由于仰拱积水,隧道基底围岩遇水软化,导致隧道底部结构所受拉应力过大,出现张拉裂缝;隧道仰拱现状也对于仰拱受力不利。对于基底围岩进行加固,以及适当调整仰拱曲率可以避免隧道底部结构破损的发生。     

关于铁路隧道仰拱与填充整体浇筑的探讨

为探讨隧道仰拱及仰拱填充整体浇筑的可能性,解决仰拱与仰拱填充分开浇筑与整体浇筑的争论,采用数值计算手段,建立荷载-结构模型,针对填充体不设置中心沟(管)、设置中心管、设置中心沟3种情况,分析仰拱填充不同浇筑时机对衬砌结构受力性能影响差异。研究结果表明:1)当仰拱填充内不设置中心管(沟),仰拱填充与仰拱整体施作,基本不影响衬砌结构受力性能;2)当仰拱填充内设置中心管,仰拱填充与仰拱整体浇筑,对衬砌结构受力性能影响较小,但填充表面中心处拉应力较大,为分开浇筑工况的7倍以上,加之中心管上部填充体厚度较薄,对抗拉不利,易开裂破坏,仰拱不宜与填充整体施作;3)当仰拱填充设置中心沟,仰拱填充与仰拱整体浇筑,对衬砌结构整体受力较为不利,不宜整体施作。     

米拉山隧道凝灰岩开挖与支护力学特性研究

通过对实测数据分析可知,米拉山隧道凝灰岩遇水软化对围岩的变形影响很显著,为此,采用数值模拟方法对米拉山隧道凝灰岩开挖与支护力学特性进行了研究,获得了在不同时期围岩遇水软化和各分步开挖阶段围岩的位移、应力场变化规律,支护衬砌结构的变形、应力分布及内力分布情况。围岩遇水软化后,由于隧道的变形,锚杆与围岩发生相对滑动,锚杆嵌入隧道围岩,隧道变形大的部位也是锚杆受力大的部位,同时该部位锚杆与围岩的相对滑动也最大。隧道下台阶一次性开挖后施作的锚杆受力左右成对称分布,下台阶左右分步开挖施作的锚杆受力成不对称分布,后面施作的锚杆受力小于前面施作的锚杆受力。隧道围岩遇水软化后初期支护发生整体下沉,沉降量由拱脚向拱肩逐渐增大,拱顶沉降相对小于拱肩沉降;通过对不同阶段隧道围岩遇水软化下二次衬砌和仰拱的受力分析,发现在围岩软化的情况下进行隧道的开挖时,下台阶一次性开挖、仰拱一次性施作对隧道的安全性和稳定性方面都有提高,并得出不同阶段隧道围岩遇水软化隧道在后期运营阶段均处于安全状态。     

隧道底部溶洞对衬砌结构安全性影响分析

溶洞的存在降低了围岩整体性,在隧道施工中极易发生坍塌、水害等事故,严重降低了结构安全性。本文通过数值模拟研究了隧道正下方溶洞对衬砌结构受力及安全性的影响规律。结果表明隧道下部围岩存在空洞降低了围岩整体性,导致隧道仰拱下部填充不密实,降低了围岩强度;隧道下部溶洞对仰拱处影响较大,衬砌仰拱中心处外侧受拉严重,极易发生开裂,产生显著的应力集中现象,降低了结构安全性。     

高速公路隧道边墙开裂下沉机理分析及处治措施

针对某运营高速公路隧道边墙下沉开裂的破坏情况,通过现场调研、专项检测和数值模拟手段分析了基岩遇水软化导致的病害发生机理,提出了注浆钢花管锁脚、衬砌结构加固、疏通排水、增设仰拱等综合处治措施及效果评价方法。研究表明:衬砌边墙纵向裂缝和结构下沉主要由基岩软化、承载力降低引起的水平作用力增加以及不均匀沉降导致;地下水敏感围岩的隧道衬砌结构设计应设置仰拱。本案例采用注浆钢花管锁脚、衬砌结构加固、疏通排水、增设仰拱等综合处治措施,有效控制并成功处治了隧道边墙下沉开裂病害,可为类似工程病害整治提供参考和借鉴。     

深圳富水地区限排型城市隧道的结构安全性研究

依托深圳市东部过境高速公路连接线工程,选取典型深埋与浅埋断面,针对二衬外水压力荷载减小导致隧道结构局部安全系数出现下降的情况,运用数值模拟进行结构安全性计算分析。结果表明:对于深埋两车道马蹄形隧道,由于埋深大、水位高,当水位降低引起荷载减小时,结构安全系数略有升高。对于浅埋隧道,由水压力作用产生的围压能够提高结构的抗弯能力,二衬外水压力减小使结构的安全系数降低。     

大跨度软岩公路隧道仰拱承载性能及安全性研究

以陕西宝汉高速公路连城山隧道(双洞六车道)绿泥石片岩段为例,分析了大跨度软岩公路隧道仰拱病害原因,建立了隧道仰拱的弹性地基曲梁模型,推导了仰拱结构内力、仰拱地基反力等计算公式,分析了原设计仰拱二次衬砌极限承载力和受力规律,评价了原设计仰拱结构安全性;在此基础上,探讨了各仰拱参数对仰拱极限承载力的影响规律及敏感度,计算了参数变更后仰拱二次衬砌的极限承载力,并结合仰拱受力测试,进一步考察了参数变更后仰拱结构安全性。结果表明：隧道墙脚以沉降变形为主,导致仰拱两端承受很大的竖向荷载,而原设计仰拱本身承载力较弱,加上仰拱地基软弱并且受地下水的软化效应和高应力下的蠕变效应影响,是连城山隧道仰拱开裂破坏的主要原因;仰拱最危险截面距离仰拱端部约为半幅仰拱相应圆心角的1/5~1/4处,即位于墙脚附近,与现场观察到的墙脚附近仰拱回填开裂、仰拱与仰拱回填脱离等破坏现象一致;增大仰拱厚度、减小仰拱半径、增大仰拱钢筋直径和减小仰拱钢筋间距均能显著提高仰拱极限承载力,其中减小仰拱钢筋间距的效果相对最为显著;而由于仰拱最危险截面的受压区高度很小,提高混凝土强度等级对于改善仰拱整体安全性并不显著;参数变更后的仰拱二次衬砌采用C35钢筋混凝土,厚度为1 m,半径约为13.4 m,钢筋直径为28 mm,钢筋间距为20 cm,极限承载力可达原设计的3.6倍以上,结构安全性大幅提高;为提高材料利用率,建议仰拱混凝土强度等级采用C30。     

隧道仰拱常见病害原因分析及处治措施探讨

分析隧道仰拱常见病害原因,认为基底软化、地下水作用、仰拱结构缺陷是导致仰拱常见病害的根源,总结了目前仰拱常见病害的处治措施,即拱脚锁脚、基底加固、仰拱换拆和地下水引排等,分别通过减小侧向水平力对仰拱基底的挤压作用、加固基底、重新施做仰拱结构、减少地下水作用等4方面对仰拱常见病害进行治理。     

高外水压山岭隧道衬砌结构安全性分析

基于中国在高外水压地区修建长大山岭隧道增多的现象,就涉及隧道衬砌结构在高外水压作用下的力学响应相关问题进行了研究.运用荷载结构法,采用三维有限元模型,以白芷山隧道工程为依托,对白芷山隧道在无外水压、均匀分布的高外水压和不均匀分布的高外水压影响下衬砌结构最大弯矩、轴力值大小及发生位置的变化进行研究；并根据外水压最大断面处衬砌结构的实际配筋情况计算其在外水压分布均匀和不均匀条件下的安全系数.分析结果表明:在高外水压作用下隧道衬砌结构的最大弯矩和轴力值都显著增加,且发生位置也在发生变化；水压最大断面处的安全系数大小在水压分布不均匀情况比水压分布均匀情况整体降低.     

仰拱型式对隧道结构的影响

结合工程需要，采用ANSYS5．7大型有限元分析软件，计算分析了拱形仰拱与梳形仰拱对隧道结构内力与围岩变形的影响，计算结果表明梳形仰拱对隧道结构受力是有利的，因此。梳形仰拱是可以采用的。     

富水隧道施工期及运营期衬砌结构力学特性研究

以米亚罗3号隧道为依托工程,首先通过现场实测应力监测数据,对米亚罗3号隧道施工期支护结构应力的演变规律进行了分析研究;然后进一步借助数值分析软件,对不同初始水头高度下,米亚罗3号隧道运营期间围岩和衬砌结构的力学特征进行了研究。应力监测结果表明:隧道上台阶开挖后,拱顶和拱肩处的围岩-初支接触压力、钢拱架应力和外水压力迅速增大,约在30~40d后趋于稳定;下台阶开挖后,拱腰处的接触压力、钢拱架应力和外水压力快速增长,约在30~50d后趋于稳定;随着下台阶的开挖,拱肩处的围岩-初支接触压力再度缓慢增长,而钢拱架应力则明显下降;二衬施作后,其内力快速增长,并在20d后趋于稳定。数值模拟结果表明:当初始水头高度增加时,运营期间米亚罗3号隧道的洞周位移、二衬内力和外水压力均成一定比例的增加;隧道变形主要为竖直和水平方向的挤压变形,最大位移发生在拱底;相对于无地下水的情况,地下水的存在会影响衬砌弯矩分布,导致弯矩最大截面从拱顶转移至拱脚;衬砌所受外水压力在拱底处最小,其余部位分布较为均匀;随着初始水头的增大,拱腰和拱脚背后围岩的塑性区范围会明显增加。     

中老铁路膨胀性盐岩地层隧道结构体系优化及施工技术探究

为解决膨胀性盐岩地层隧道修建时出现的大量衬砌裂缝、仰拱底鼓开裂等问题,同时为保证隧道后续快速安全施工及长期健康服役,采用现场调查、数值模拟和监控量测等方法,对膨胀性盐岩地层隧道结构及施工技术进行深入研究。研究结果表明:1)含盐地下水对混凝土的侵蚀引起的膨胀压力是原马蹄形隧道衬砌开裂的根本原因。2)250 k Pa的地层膨胀压力可大幅度增大围岩变形,但对隧道掌子面纵向挤压变形基本没有影响,可减小拱顶处的最大主应力,但会大幅度增大仰拱处最小主应力。3)多层支护可对洞周围岩变形起到积极的约束作用,也可明显减小掌子面纵向变形,对初期支护最大主应力基本无影响;无膨胀压力时,会引起墙脚最小主应力集中;有膨胀压力时,可减小其他部位的最小主应力。综合考虑围岩稳定性、支护受力以及施工成本控制等,膨胀性盐岩地层多层支护隧道施工宜采用二台阶法。现场实测证明采用3层衬砌、2层防水、全环注浆并施作隧底阻水榫后,围岩变形量小,衬砌未开裂。通过指数函数对围岩变形进行拟合,证明数值计算结果基本可靠。     

不同埋深铁路隧道仰拱受力特征研究

以董志塬区银西高铁黄土隧道为例,对不同埋深条件下隧道仰拱的基底接触压力和钢拱架应力随时间的变化规律、空间分布特征及其差异性进行了对比研究。研究结果表明,浅埋隧道基底接触压力变化时间较深埋隧道略长;不同埋深隧道仰拱处最小基底接触压力均出现在拱底中心处,最大基底接触压力均出现在拱脚处,且同一部位浅埋隧道基底接触压力明显大于深埋隧道基底接触压力;在仰拱的同一部位处,深埋隧道钢拱架应力明显大于浅埋隧道钢拱架应力;仰拱部位钢拱架承受压应力为主,浅埋黄土隧道仰拱部位的钢拱架最大压应力出现在拱底中心,可达约12MPa;而深埋隧道拱脚部位的钢拱架压应力最大,可达26～33MPa。研究结果可为黄土隧道仰拱设计优化与施工提供参考。     

大瑶山1号隧道下穿水库段衬砌结构设计研究

大瑶山一号隧道下穿水库段由于环境要求的特殊性,提出对地下水必须采用限量排放的措施。通过对隧道衬砌外水压力进行分析,得出了在进行衬砌结构验算时应考虑外水压力的存在。并利用ANSYS有限元软件针对不考虑外水压力和考虑外水压力作用情况进行分析,得出了两种情况的受力状态是完全不同的。提出了在地下水较丰富段落采用"以堵为主,限量排放"的设计思路,为类似工程建设提供借鉴。     

高压富水区山岭隧道施工注浆堵水技术研究

为了保障高压富水区山岭隧道施工安全,现场经常采用注浆堵水措施,而目前隧道注浆堵水时地下水渗水量和支护结构外水压力变化特性尚有待于进一步研究。依托南大梁高速公路华蓥山隧道工程,基于复合式衬砌山岭隧道"堵水限排"的防排水理念,采用理论分析和数值模拟方法,分析了高压富水区复合式衬砌山岭隧道围岩注浆堵水时地下水渗流场特征,推导了高压富水区山岭隧道采取注浆堵水时隧道渗水量和支护结构外水压力的计算公式,得到了隧道渗水量及支护结构外水压力与注浆圈厚度、围岩和注浆圈渗透系数之比及围岩和初期支护渗透系数之比间的关系。研究结果表明:高压富水区山岭隧道注浆堵水时,隧道渗水量和支护结构外水压力的主要控制因素为:注浆圈厚度、注浆圈及初期支护的渗透系数;隧道渗水量和支护结构外水压力随着注浆圈厚度的增加及其渗透系数的减小而降低,综合考虑注浆堵水效果及施工成本,建议注浆圈厚度为6～8 m、围岩与注浆圈渗透系数之比为100～200时较优;高压富水区山岭隧道防排水系统设计,需要考虑注浆圈和初期支护堵水作用以及横纵向排水管排水效果,即综合防排水设计才可以减小排水量,有效降低支护结构外水压力。研究所得隧道注浆堵水的相关参数成功应用于实际工程,为高压富水区隧道工程注浆堵水设计与施工提供了一定的参考。     

基于自制试验平台的公路隧道破坏特征实例研究

为了探究和平公路隧道衬砌结构发生开裂的原因及特征,自行研制了适用于该研究的隧道结构性能测试平台。试验平台由控制系统、供压系统和加载系统组成,能够实现对隧道模型任意位置的精确加载,可研究隧道结构在多种形式外荷载作用下的力学性能。基于该试验平台,以和平公路隧道二次衬砌为原型,根据其现场测试结果进行了几何相似比为10的物理模型试验,详细分析了隧道结构在试验过程中的变形规律和破坏特征。将模型试验结果与现场裂缝分布特征进行对比以验证试验结果的可靠性,并根据试验结果对隧道原型的工作状态进行评估。研究结果表明:在依据现场实测确定的偏压加载工况下,隧道结构整体呈压扁趋势,最大径向位移位于拱顶右侧;结构的受力变形过程可分为3个阶段,分别以拱顶开裂和仰拱开裂为分界点;拱顶内表面和拱脚外表面被拉裂,边墙内表面由于局部压应力过大也产生开裂;拱顶最先开裂且开裂情况最为严重,偏压一侧边墙较另一侧边墙严重;随着外荷载的增加,拱部开裂状况加剧,最终形成主开裂区并引起结构整体的失稳破坏;模型试验结果与隧道现场裂缝分布特征基本吻合;隧道原型研究断面目前虽处于安全状态,但应及时采取有效的处治措施,防止衬砌裂缝的进一步发展和结构的失稳破坏。     

小净距隧道开挖空间效应分析

依托某隧道的设计及施工,建立小净距隧道的三维计算模型,对小净距隧道IV级围岩段台阶法开挖进行数值模拟计算,对其开挖过程中位移场、应力场、喷射混凝土初期支护随空间变化规律进行分析,结果表明:小净距隧道施工过程中存在先行洞和后行洞相互扰动的现象,量测断面的位移主要产生于隧道开挖至量测断面及通过后;边拱和仰拱所受弯矩大,在拱腰位置出现较大的正负弯矩容易造成初期支护混凝土开裂。     

川藏铁路色季拉山隧道装配式仰拱方案研究

为提高钻爆法单线铁路隧道仰拱施工质量,改善洞内作业环境,推进装配式结构绿色建造等,以新建川藏铁路色季拉山隧道工程为依托,对装配式仰拱的结构形式,环向、纵向连接,防水,拼装设备,隧底填充,施工工艺及经济性等进行研究。主要研究结论有:1)仰拱与填充层整体预制成单块空心结构,结构受力条件好,洞内拼装方便; 2)预制块与现浇二次衬砌采用方形榫槽或方形榫槽+预埋钢筋的连接方式,预制块纵向通过张拉精轧螺纹钢进行挤紧,预制块底部采用碎石+回填注浆的垫层进行基底处理。装配式仰拱应用于川藏铁路色季拉山隧道,可实现轨下结构机械化快速施工,有利于提高山岭铁路隧道机械化施工整体水平。     

高水压公路隧道的结构受力特征及对围岩稳定性的影响

以四川省某公路的高水压隧道为对象,采用有限元软件ANSYS11.0,对其结构的受力特征和围岩的稳定性进行了研究。结果表明,水压力对隧道所受的轴力、弯矩、剪力影响最大,受水压力的影响,轴力增加69%以上、弯矩增加97%以上、剪力增加203%以上。在水压力作用系数相同时,在衬砌背后排水系统排出的地下水时,衬砌内力、塑性应变、隧道位移最大值要大于从衬砌渗出的数值,但增幅很小。无论是蛋形断面还是圆形断面,隧道轴力、位移矢量、竖向位移的最大值均有一定程度的减小,两种断面的减小幅度非常相近,圆形断面对隧道结构受力与围岩稳定性要比蛋形断面好。水压力分布不均匀的衬砌内力、塑性应变、隧道位移最大值比分布均匀的要大,其中弯矩、塑性应变最大值增加非常明显,分别增加了100%、443%,水压力分布不均匀对隧道结构受力、围岩稳定性影响较大。