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。     

一种无中导洞连拱隧道衬砌开裂原因分析及结构优化

为解决传统连拱隧道中导洞法施工工序繁琐、结构受力转换复杂等问题,云南某隧道采用了一种无中导洞连拱隧道,其后行洞钢拱架焊接于先行洞钢拱架,使初期支护相互搭接形成了连拱隧道中墙,从而避免了中导洞开挖,但在隧道施工中,先行洞二次衬砌左侧起拱线至左拱腰出现了大量纵向与斜向裂缝。结合隧道实际地质和施工状况,运用Flac3d建立了地层-隧道结构数值模型,研究分析了初期支护各自独立封闭成环和初期支护搭接处界面特性对无中导洞连拱隧道衬砌开裂的影响。结果表明:后行洞初期支护独立闭合成环时,即使初支结构之间产生了一定的滑移,隧道衬砌结构仍处于安全状态;后行洞初期支护未独立闭合成环时,搭接处会产生较大的相对滑移,初期支护承载力不能充分发挥,难以有效控制围岩变形和塑性区发展,先行洞二次衬砌承受了较大的围岩荷载,其左拱腰内侧边缘拉应力远超过了衬砌混凝土的抗拉强度,由此造成了左拱腰处衬砌开裂。因此,为避免无中导洞连拱隧道衬砌出现裂缝,建议在设计中应使连拱隧道初期支护各自独立闭合成环,合理加强中墙位置初期支护结构,施工中对关键施工环节、关键受力部位采取有效控制措施,保证支护结构的整体承载力。     

浅埋偏压公路隧道衬砌裂损病害统计及成因反演分析

基于广东地区某三车道高速公路隧道浅埋偏压段衬砌裂损病害检测数据,采用数理统计方法对衬砌裂损病害进行统计分析。结合隧道施工及检测情况,对浅埋偏压段隧道结构受力情况分别采用荷载-结构法和地层-结构法进行了数值反演计算。计算结果表明:对于隧道的浅埋偏压段,地层-结构法得到的衬砌受力情况更加吻合隧道衬砌裂损状态,受隧道施工及地形偏压的影响,浅埋侧隧道拱部围岩塑性应变和围岩压力大于深埋侧,因衬砌钢筋保护层较厚,导致钢筋无法有效约束裂缝发展,进而造成浅埋侧衬砌大面积开裂。     

偏压连拱隧道衬砌优化分析

浅埋偏压连拱隧道衬砌形式直接关系到整个隧道施工及正常运营,该文采用有限元数值方法对不同衬砌形式下偏压连拱隧道结构受力及应变特征作了计算分析。结果表明,偏压连拱隧道采用分层曲墙结构将有助于改善结构受力状况,减小应力集中及上部位移,降低衬砌开裂渗水的可能性,从而为偏压连拱隧道合理设计提供理论根据。     

重载列车对隧道裂损衬砌承载性能的影响研究

为定量分析重载列车动载作用下隧道裂损衬砌裂缝的演化机制和承载性能的变化规律，采用扩展有限元与直接循环法相结合的方法模拟裂缝在列车荷载作用下的扩展路径，并通过模型试验对方法的有效性和准确性进行验证。模型试验与数值模拟的误差仅为3.7%，表明该数值模拟方法较为精确。研究发现： 1）在重载列车动载作用下，裂损衬砌仰拱处的动力响应相较于衬砌其他位置会更为剧烈，裂损衬砌仰拱处的安全系数与衬砌其他位置相比则更小，因此裂损衬砌仰拱位置为重载列车动载下的危险部位； 2）重载列车轴重对裂损隧道衬砌的动力响应影响比初始裂缝深度及车速对裂损隧道衬砌的动力响应影响更为明显，而裂损衬砌的安全性能受初始裂缝深度影响比受轴重及车速影响更为显著。     

连拱隧道设计荷载及其计算模式研究

连拱隧道在线路平面、洞口位置选择等均较分幅修建隧道优越。在西部地区，特别是云南地区由于受地形条件的限制，连拱隧道成为中短高速公路隧道的主体。本文基于双塌落拱的假定，即认为隧道松动压力的计算值应在半结构宽度与整个开挖宽度相应的松动压力之间取值，提出了一种新的连拱隧道荷载确定方法。其中墙顶部荷载较拱顶荷载大，这与接触压力实测值是一致的。另外，在目前连拱隧道的设计计算中，一般把中墙与二衬当作梁杆单元来考虑，不能很好地模拟连拱隧道这种特殊结构，给计算带来较大误差。本文针对目前普遍采用的三层中墙连拱隧道，将广义结点有限元应用于连拱隧道设计计算中，建立广义梁单元计算方法。该方法能考虑结构的实际厚度和几何尺寸，又能给出工程所需的轴力、弯矩和剪力等结构内力，从而可以很好地模拟结构的实际受力情况。本文同时考虑了三层中墙连拱隧道二衬与中墙的相互作用问题，以期对连拱隧道的设计计算有指导作用。     

新型装配式衬砌在矿山法施工铁路隧道中的应用研究

为解决矿山法施工铁路隧道二次衬砌拱顶易出现的空洞、厚度不足、裂缝、掉块等病害，以重庆铁路枢纽东环线胡家沟隧道为依托，采用拱部预制衬砌替换现浇衬砌的方法，研究拱部衬砌预制工艺、高精度悬臂侧墙施工工艺、拱部预制衬砌运输及拼装施工工艺和拼装配套设备，并阐述装配式衬砌在施工中需重点解决的技术难题及对策，如采用高精度衬砌模板台车解决接头直线度的问题、采用全环通长定位筋解决悬臂侧墙钢筋骨架稳固的问题等，形成一套完整的新型装配式衬砌拼装技术。经现场应用表明： 1）采用“拱部预制衬砌+侧墙现浇”的装配式衬砌施工技术是可行的，可以有效解决矿山法施工隧道拱部质量缺陷问题，提高拱部衬砌质量； 2）新型装配式衬砌采用“L”型榫接头及大球形接头，大球形接头较“L”型榫接头更易控制施工质量，更易于拼装； 3）通过采用拱部预制衬砌高精度定制钢模、高精度悬臂模板台车、悬臂侧墙在混凝土浇筑过程中进行二次精调等关键技术，保证了接头施工精度，满足了拼装要求； 4）通过分析衬砌结构受力变形监测数据，得出隧道衬砌结构内力的受力变形规律； 5）新型装配式衬砌施工技术机械化程度高，施工过程中结构稳定可靠，安全性较高。     

基于围岩浸水的黄土公路隧道衬砌开裂分析

针对甘肃省境内某黄土公路隧道的衬砌开裂现状,采用统计分析的方法对隧道衬砌裂缝的分布特征进行了系统研究;通过有限元数值模拟,详细分析了多种围岩浸水工况下隧道结构的变形规律和应力特征,并将数值模拟结果与隧道现场裂缝分布特征进行对比,给出了围岩浸水恶化条件下衬砌结构开裂的原因、规律和特征。研究结果表明:地表水通过土体裂缝入渗是衬砌开裂的主要原因,衬砌裂缝主要分布于拱部和边墙;围岩发生浸水后,浸水范围内的土体强度降低,失去承载力,隧道上部围岩下沉,挤压衬砌结构;随着围岩浸水范围的扩大,隧道结构的受力与变形状态逐渐恶化,结构呈压扁趋势且产生偏压,引起拱部内表面被拉裂,边墙内表面由于局部压应力过大产生开裂;拱部开裂先于边墙且开裂情况最为严重,隧道上下行线相邻两边墙衬砌开裂情况较另外两边墙严重,数值模拟结果与现场衬砌裂缝特征基本吻合;在相似工程条件的黄土隧道设计时,应加强隧道拱部结构的抗拉性能和边墙结构的抗压性能。     

多功能激光断面检测仪在隧道拱墙衬砌前横断面检测中的应用

本文介绍在隧道施工过程中，采用激光隧道多功能断面检测仪对隧道拱墙衬砌前横断面进行检测的方法；通过对隧道拱墙衬砌前横断面进行检测，保证了二次衬砌厚度，表明了衬砌厚度事前控制的作用和意义。     

云南省连拱隧道衬砌开裂和渗漏水调查结果及分析

为了对云南省4条高速公路连拱遂道的健康状态评估提供依据及为以后修建连拱隧道在设计和施工上提供宝贵经验及教训,提高中国高速公路连拱隧道的施工和设计水平,尽可能减少衬砌开裂和渗漏水等隧道病害,采用现场调查方法对云南省玉元、元磨、大保和昆石4条高速公路连拱隧道衬砌开裂、渗漏水等病害进行了较为全面的调查,初步分析了隧道病害产生的主要原因并进行了相应的分类,并据此提出了连拱隧道设计和施工中其相应的病害预防和整治措施,以期为提高中国连拱隧道修建水平提供参考和借鉴。     

高烈度地震区连拱隧道薄直中墙抗减震措施及破坏模式研究

依托宁巧隧道出口段薄直中墙连拱隧道工程,针对其地震烈度高、中隔墙薄(宽厚比仅为0.19)的特点,通过有限差分数值方法,研究了钢带加固、中墙上端和下端设置隔震橡胶支座3种措施的抗震性能。在Ⅷ度和Ⅸ度地震烈度情况下分别对比不同措施对中墙及隧道整体的抗震效果,最后通过振动台试验,研究了有无钢带加固连拱隧道结构在地震作用下的破坏特征。结果表明：连拱隧道薄直中墙抗震受力最不利位置在中墙底部;上述措施均使得直中墙内力减小,安全系数提高;仅从中墙受力来看,优先推荐中墙下端设隔震支座措施;从连拱隧道整体来看,应优先推荐钢带加固;振动台试验表明连拱隧道结构破坏模式主要为受弯破坏,且严重震害集中在与中墙连接的拱肩和拱脚部位,验证了钢带加固抗震措施对连拱隧道结构震害程度的减弱具有显著效果。     

偏压荷载作用下连拱隧道衬砌裂缝仿真分析

通过介绍连拱隧道衬砌裂缝仿真模拟基本原理,分析连拱隧道偏压荷载产生的原因,并针对隧道衬砌处于偏压荷载情况下裂缝的形成和发展进行了数值仿真分析,可为连拱隧道设计、施工及维修管理提供参考。     

随机有限元法在隧道结构可靠性分析中的应用

利用基于神经网络的随机有限元方法对某高速公路隧道衬砌结构可靠性进行分析,总结了衬砌结构可靠度指标的分布规律,得出了衬砌结构容易发生破坏的部位和条件。按照抗压条件计算,最大可靠度位于隧道的顶部,最小可靠度位于隧道的侧壁,说明衬砌结构侧部受压破坏的可能性较大;按照衬砌结构的抗裂条件计算,最大可靠度位于隧道两侧,隧道顶部的可靠度较小,说明隧道从项部开裂的可能性比侧壁大。     

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。     

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。     

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。     

铁路隧道衬砌品质提升信息化施工关键技术与成套装备创新

为提升铁路隧道拱墙衬砌、底部衬砌、水沟电缆槽衬砌结构实体品质，解决隧道整体衬砌质量缺陷难题，采用拱墙衬砌智能化模筑、底部衬砌一体化浇筑、水沟电缆槽同步一次性浇筑施工技术，结合混凝土自动喷雾养护施工工艺，有效减少或消除衬砌空洞、裂缝、不密实、渗漏水、止水带偏位、施工缝压溃、开裂掉块等质量缺陷问题； 通过成套装备研发，创新施工缝质量控制技术、拱顶浇筑饱满度控制技术、拱墙衬砌预防空洞施工技术、仰拱与边模一体化施工技术、水沟电缆槽机械化施工技术、喷雾养护温度及湿度自动化控制技术，提高铁路隧道衬砌混凝土浇筑、振捣、养护等工序施工工艺质量及施工标准，辅以信息化手段和自动监测技术，达到衬砌全过程质量可控。结果表明： 该施工技术与成套装备创新一定程度上可实现衬砌施工自动化、信息化和智能化，极大地提高衬砌施工技术水平，降低工人劳动强度，有效减少衬砌质量缺陷，提升衬砌施工品质，确保隧道衬砌满足设计及运营安全要求。     

交通隧道衬砌裂缝快速修补组合结构的应力状态分析

针对一种能快速修补隧道衬砌裂缝的组合结构，运用ABAQUS模拟完好衬砌、带裂缝衬砌和组合结构修补后衬砌这3个工况。经分析表明:衬砌产生裂缝后，局部会产生较大的拉压应力，使衬砌裂损进一步加剧；组合结构快速修补后，较大压应力和拉应力经重分布而减小，衬砌基本恢复到完好衬砌状态；组合构件边缘处衬砌产生了应力集中，需通过渐变顺接等措施处理。     

复合式直中墙连拱隧道在复杂地形条件下的应用

高速公路连拱隧道可分为整体式和复合式2种主要结构形式,根据中墙的特点,每种结构又可分为直中墙及曲中墙,共4种形式。文章从连拱隧道中墙的构造、连拱隧道跨度、隧道结构防排水3方面对不同结构形式的连拱隧道进行分析比较,阐述不同结构形式的适用条件及优缺点,重点讨论复合式直中墙结构形式连拱隧道在复杂地形及富水地区条件下的优越性。结合工程实例,从设计情况、施工方法及关键部位施工3个方面介绍复合式直中墙连拱隧道在复杂地形条件下的应用及施工技术,为类似工程提供借鉴。     

隧道衬砌裂损承载力有限元分析

隧道工程理论自身的局限性和建设管理的欠缺,运营中的隧道,随着隧道运营时间推移,隧道衬砌出现各种形式的裂损,对隧道结构安全存在较大隐患。本文结合一座隧道衬砌裂损现场调查,总结分析了该隧道衬砌混凝土裂损基本类型和特点,并用有限元模型模拟计算且对比分析了径向、环状裂缝对其承载力影响基本规律,其结果对隧道设计、施工和维护具有指导意义。