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。     

TBM圆形铁路隧道衬砌类型力学性态模型试验研究

依托大瑞铁路高黎贡山隧道全断面隧道掘进机（TBM）段圆形模筑混凝土衬砌工程,开展了不同衬砌结构的模型试验研究。采用卧式加载试验装置,对圆形模筑混凝土、单层管片和管片双层三种衬砌类型进行试验,得到三种衬砌管片的弯矩、轴力和位移。研究结果表明:在相同荷载条件下,模筑混凝土衬砌破坏时能承受更大的弯矩;在试件破坏前,单层管片衬砌和管片双层衬砌在拱脚处轴力有突变,产生应力集中现象;分块对管片刚度有一定的削弱作用;等厚度的圆形模筑混凝土和管片双层衬砌,前者刚度大,力学性态好。     

基于截面极限承载力曲线的衬砌结构安全性评价方法研究

复合式衬砌由初期支护、防水层和衬砌组成，是中国现行山岭隧道的主要结构形式，而衬砌是保证隧道长期运营安全的关键。衬砌结构的安全性评价一般根据相关的隧道设计规范进行。现行规范中素混凝土衬砌和钢筋混凝土衬砌的安全性检算公式分别给出，在某些截面内力条件下，不能直接按照安全系数大小进行安全性比较。针对这种状况，首先对现行的衬砌结构安全性评价方法进行简化，提出衬砌截面安全包络线的概念，根据衬砌截面内力是否位于安全包络线内侧，即可判定衬砌截面的安全性。然后，在探讨截面安全包络线与极限承载力曲线关系的基础上，提出利用截面极限承载力曲线计算衬砌截面安全系数，进而评价衬砌安全性的方法。研究结果表明：根据衬砌截面安全包络线的概念，对于任意截面内力可简便直观地判定衬砌截面是否安全；衬砌截面内力点（M，N）位于极限承载力曲线关于坐标原点的几何相似曲线上，坐标原点和截面内力点的连线与极限承载力曲线相交，交点到原点的距离与内力点到原点的距离的比值则为衬砌截面的安全系数；利用考虑材料非线性的衬砌截面极限承载力曲线，避免了现行规范中出现素混凝土衬砌比钢筋混凝土衬砌截面极限承载力大的现象。研究成果对衬砌截面安全性评价及衬砌结构设计理论的完善具有一定的参考意义。     

隧道单层衬砌高强喷射混凝土试验研究

近年来,单层衬砌作为新的隧道结构形式,由于其具有经济、低碳、环保特点,广泛应用于隧道及地下工程中。但对于组成单层衬砌结构主要材料的喷射混凝土的力学和耐久性能要求比以往喷射混凝土要求更高。该文围绕提高喷射混凝土强度和密实度进行了相关的试验研究,研究证实采用聚羧酸高性能减水剂、无碱速凝剂和低水胶比以及单掺或双掺矿物掺合料可有效提高混凝土的强度和密实性。     

扬州瘦西湖盾构隧道衬砌结构受力的现场试验研究

以扬州瘦西湖盾构隧道为背景,对管片衬砌结构在施工期和后期的结构荷载和内力进行现场追踪试验,探讨施工阶段同步注浆对隧道衬砌结构受力的影响,总结隧道衬砌结构荷载和内力在施工阶段随时间的变化规律。研究结果表明:现场测试方法可以较为全面准确地得到隧道衬砌结构荷载和内力在施工期的分布;衬砌结构荷载总体随时间呈先减低后趋于平稳的规律,施工期的注浆作用会使衬砌结构荷载大于稳定后的结构荷载;衬砌结构内力在注浆阶段不稳定,注浆作用对结构的轴力影响较大。     

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。     

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。     

影响铁路隧道衬砌结构内力的因素分析

以新建的200km时速双层集装箱运输的赣州至韶关铁路单线隧道衬砌断面为研究对象,借助数值模拟手段,得到了围岩压力百分比、弹性反力系数、二次衬砌厚度、浅埋隧道覆土厚度和偏压隧道地面坡对隧道衬砌内力的影响规律,其结果可为今后200km时速的铁路隧道衬砌设计和优化提供参考。     

基于FLAC~(3D)的隧道单层衬砌结构力学特征研究

为了研究单层衬砌结构力学特征,采用了FLAC~(3D)有限差分软件,利用软件内置的接触面单元(interface单元)对不同结构层的层间接触效应进行了模拟。以巴哈高速公路东天山隧道2~#斜井工程为工程背景,建立了不同衬砌结构型式下考虑层间接触效应的数值仿真模型,分析了现场Ⅳ级围岩条件下的单层衬砌结构力学特征及其围岩稳定性,并与原复合式衬砌支护设计方案进行了对比。研究结果表明:(1)FLAC~(3D)模拟计算中采用接触面单元(interface单元)施加于不同结构层之间,可模拟衬砌结构不同层间接触形式的相互作用,较好地反映层间接触面的力学特征及位移特性;(2)对于受力性能而言,单层衬砌结构以组合梁承载模式进行承载,衬砌结构内力呈现"小弯矩、大轴力"的分布特征,衬砌结构截面应力以压应力为主,可充分发挥混凝土材料的受压性能;(3)由于单层衬砌结构具有良好的层间接触性能,不同结构层可实现"协同受力、共同变形",使其承载模式优于复合式衬砌,能以较小的结构厚度满足隧道支护要求,因此单层衬砌具有较高的经济性;(4)单层衬砌隧道拱腰、拱脚及边墙底部YAI值较小,围岩稳定性较差,易发生失稳,现场施工时应对上述部位加以防范。     

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。     

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。     

偏压连拱隧道洞口段二次衬砌施工时机探讨

 针对富溪隧道左线出口段在围岩变形尚未稳定的情况下能否进行二次衬砌施工的问题，根据隧道变形监测结果推测衬砌施工后隧道的剩余变形，并据此计算出衬砌结构的内力和安全系数。结果表明，衬砌施工后产生的变形大小对其内力和安全性影响较大。若衬砌结构变形仅为剩余变形的6.5%，其安全性能够得到保障。现场监测结果表明，衬砌施工后内部应力普遍较小，未超过混凝土强度。这说明在围岩变形没有完全趋于稳定的情况下，只要能够保证衬砌施工质量，可以提前施作二衬。     

钻爆法双层隧道的衬砌结构设计与分析

以某钻爆法双层隧道项目为例,采用同济曙光、midas Civil结构设计软件对隧道二次衬砌进行建模分析。通过研究车道板、车辆荷载及围岩级别对衬砌结构的影响,得到主要结论:车道板及车辆荷载作用对双层隧道衬砌结构的影响不可忽略;对于围岩级别较差或浅埋隧道,车道板可有效控制衬砌边墙的变形,并大幅减小衬砌结构内力峰值;对于围岩级别较好或深埋隧道,车道板无法改善衬砌结构内力,甚至导致内力水平增加。     

软弱围岩公路隧道衬砌结构形式拓扑优化

首次基于连续体的结构优化理论和有限元方法,采用简化的假定条件,应用拓扑优化理论,以应变能最小即刚度最大为约束条件,成功对不同应力场软弱围岩公路隧道衬砌结构体进行了结构优化.单拱隧道衬砌结构拓扑优化结果表明:不同的应力场和不同的围岩强度,衬砌结构的断面型式和厚度差别较大;随着侧压力系数的增大,衬砌结构断面高跨比应越来越小...     

膨胀土隧道复合式衬砌受力特性研究

本文依托新建山西中南部铁路通道上庄1号隧道项目,通过数值模拟和现场监测等手段,对膨胀土隧道复合式衬砌受力特性进行研究,研究结论:初支和二衬施作前3~5天内力变化较大,施后约1周左右能达到平衡状态;二次衬砌拱墙施作对初期支护内力产生明显影响,弯矩、轴力的最大影响程度分别为26.07%、0.97%;二次衬砌的弯矩、轴力分别是初期支护内力的2.83%、0.38%,证明了隧道的初期支护是最主要的承力结构,二次衬砌在此主要用作安全储备。成果可为类似工程借鉴。     

复合式曲中墙连拱隧道衬砌结构内力测试

以常吉(常德—吉首)高速公路土江冲隧道为依托,采用应变计对初期支护钢支撑内力和喷射砼应力、二次衬砌结构的内力进行现场测试,分析了复合式曲中墙连拱隧道衬砌结构的力学特征,并对隧道二次衬砌的安全性进行了评价。     

圆形隧道洞身衬砌结构内力地震动力响应分析

隧道结构内力是衬砌结构检算的依据。论文采用ABAQUS软件对隧道洞身在纵向正弦地震波作用下,对结构内力的效应情况进行了分析。结果表明:结构内力在静态时的正负情况,影响其在动力状态下的响应规律。同时,静力分析的主控检算断面仍然是动力分析的检算断面,设计应结合动力分析内力时程曲线的内力极值,开展结构检算。     

软弱围岩段连拱隧道施工安全及衬砌结构分析

该文以深圳某公路隧道为工程背景,采用有限元程序对该连拱隧道的施工过程进行了数值模拟,得到了隧道围岩的变形规律、应力分布特征,以及围岩位移随时间变化的规律。采用荷载-结构法对隧道二次衬砌内力和截面配筋进行了验算。验算结果表明:设计时可通过增大局部截面厚度和增加钢筋来提高衬砌结构强度,从而最大程度地保证隧道施工的安全进行。     

多层采空区影响下隧道内力变化的数值研究

针对具体工程案例,建立了隧道下穿两层、上覆一层的采空区的数值模型,得到了隧道开挖后隧道变形、衬砌结构内力及地层变化的规律,探究了多层采空区对隧道的叠加效应。主要发现有：隧道上、下的采空区对隧道变形的影响规律不同;多层采空区的存在大大增加支护结构的截面偏心距,从而降低结构的承载能力;有无采空区时隧道周围的地层变形特征差异显著。     

复合地层条件下水下盾构隧道衬砌结构受力特征研究

针对工程中常用的无衬垫接头抗弯刚度非线性的特点,采用描述接头轴力、弯矩及转角关系的解析公式,提出盾构隧道衬砌结构受力计算的迭代计算方法。基于南京市纬三路过江通道的工程背景,分析了接头抗弯刚度的取值对盾构隧道衬砌结构受力及变形的影响,对工程中遇到的典型土岩复合地层中衬砌结构的受力进行了计算。计算表明,所提出的迭代计算方法简便易行,收敛较快,复合地层中衬砌结构的受力分布与均一地层中相差较大。复合地层的作用使得衬砌结构内力分布更不均匀,可能使得某一部分管片内力显著增大,设计时需要针对实际地层分布形式进行计算。