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。     

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。     

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。     

隧道衬砌施工缺陷对结构安全的影响研究

运用理论分析和数值模拟等研究手段,基于地层-结构法原理,就衬砌厚度不足、衬砌背后空洞和衬砌结构裂缝3种病害对衬砌结构安全性的影响进行研究,得出缺陷在衬砌结构不同位置处以及沿隧道纵向不同长度上衬砌结构的应力和安全系数的变化规律,为隧道结构的安全性评价和后期的运营监测提供依据。     

围岩蠕变对运营隧道衬砌安全性的影响

为探究在软弱围岩隧道运营期间围岩蠕变效应对二次衬砌安全性的影响,以九景高速公路隧道为依托,以Ⅳ级围岩区段二次衬砌支护结构为研究对象,采用室内试验和数值模拟手段,首先对该围岩区段泥质粉砂岩在不同应力水平下的单轴蠕变特性进行了室内试验分析,并采用Cvisc模型对蠕变试验数据进行了非线性拟合,获得了Cvisc模型的蠕变参数。然后,利用FLAC3D软件建立了两车道公路隧道三维数值模型,研究了单考虑围岩蠕变作用和同时考虑隧道埋深对运营隧道衬砌结构安全性的影响。结果表明:非线性拟合相关性系数在0.92～0.96之间,可认为Cvisc模型能够很好地描述泥质粉砂岩的衰减蠕变和稳定蠕变关系;单考虑围岩蠕变作用,在同一支护时间,二次衬砌安全系数较高的位置支护结构承受的围岩压力相对较小,围岩的蠕变变形量较大,但过小的支护承载又会导致围岩蠕变变形而增加围岩压力,进而不利于运营隧道衬砌结构的长期安全;同时考虑隧道埋深的影响,二次衬砌支护结构的承载随着隧道埋深的增加而减小,即围岩自身能够承担较大部分的因蠕变变形而增加的围岩压力,从而对运营隧道衬砌结构的长期安全有利。     

基于地层结构法的喷膜防水衬砌结构力学性能分析

为了研究防水膜的黏结作用对喷膜防水衬砌结构力学性能的影响和防水膜与初支及二衬间界面在围岩压力作用下的损伤情况，结合试验测得的界面法向、切向及防水膜的本构参数，建立隧道二维地层—结构模型，在Ⅳ级围岩条件下，对喷膜防水衬砌结构和复合式衬砌结构的力学性能和界面特性进行对比分析。与复合式衬砌结构相比，喷膜防水衬砌结构的协同受力作用能使二衬的轴力和弯矩减小，增大二衬的安全系数，同时使初支的安全系数减小。研究结果表明，防水膜的黏结作用会增加二衬的安全储备但基本不会影响隧道的位移，并且在受力过程中衬砌结构间的界面不会发生损伤。因此，可以对二衬的设计进一步优化，提高隧道的经济性。     

杜公岭隧道衬砌结构加固方案优化研究

针对杜公岭隧道既有初期支护出现的碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀现象,采用数值计算方法分析了该腐蚀现象对病害处治措施安全性的影响,并通过测试隧道病害处治范围内衬砌结构与围岩的矿物成分确定了衬砌结构优化加固方案的范围。计算结果表明:在既有初支发生硫酸盐侵蚀失去承载能力条件下,仅置换二衬时,二衬结构拱脚、边墙关键位置的安全系数较小(最小1.44)、裂缝宽度较大(最大1.23 mm);采用二衬嵌拱方案时,二衬嵌拱结构拱脚、边墙、拱腰、墙脚等位置的安全系数很小(最小0.14);当二衬结构和初期支护同时置换,且新施作初期支护不出现腐蚀劣化时,新施作二衬结构的安全系数(最小2.23)和裂缝宽度(最大0.14 mm)。衬砌结构和围岩的矿物成分测试结果表明:碳硫硅钙石在既有衬砌结构中已广泛分布或正在侵蚀。依据数值计算与矿物成分测试成果,杜公岭隧道病害处治区段内的二衬与初支全部采用置换为抗硫酸盐混凝土结构,围岩采用锚杆进行加固,对于未设仰拱断面均增设仰拱支护。经施工后检测与长期监测,杜公岭隧道衬砌结构加固方案的处治效果良好。     

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。     

大跨径隧道二次衬砌优化分析

该文以广东省惠州到深圳高速公路牛湖山隧道工程实例为背景,运用FLAC软件建立数值计算模型对Ⅳ级围岩条件下的浅埋及深埋大跨径隧道二次衬砌进行数值模拟分析。依据JTG D70-2004《公路隧道设计规范》释放荷载分担比例,对不同的二次衬砌厚度进行了安全系数计算,求出了在不同二次衬砌厚度下的安全系数,并将所得结果与当前设计规范进行对比分析,得出了大跨径隧道二次衬砌结构的优化结果。     

二次衬砌结构拱顶处存在空洞或裂缝时的数值模拟

多种原因将导致隧道在长期运营过程中产生多种形式的病害,拱顶处存在空洞和裂缝是其中最常见的病害。本文采用ANSYS数值模拟分析软件对隧道拱顶处存在空洞或裂缝时二次衬砌结构的受力状态进行模拟分析,通过模拟分析得知,拱顶处的这两种病害形式将显著改变结构的受力状态,增大二次衬砌结构受拉破坏的可能性,不利于衬砌结构继续承担荷载。因此拱顶部位出现空洞和裂缝后,要加强对隧道裂缝变化过程的长期持续监测,密切关注其发展状态,同时应及时采取维护加固措施进行处理。     

二次衬砌结构拱顶存在空洞或裂缝的数值模拟

多种原因将导致隧道在长期运营过程中产生多种形式的病害，拱顶处存在空洞和裂缝是其中最常见的病害。本文采用ANSYS数值模拟分析软件，对隧道拱顶处存在空洞或裂缝时二次衬砌结构的受力状态进行模拟分析。通过模拟分析得知，拱顶处的这两种病害形式将显著改变结构的受力状态，增大二次衬砌结构受拉破坏的可能性，不利于衬砌结构继续承担荷载。因此拱顶部位出现空洞和裂缝后，要加强对隧道裂缝变化过程的长期持续监测，密切关注其发展状态，同时应及时采取维护加固措施进行处理。     

存在衬砌背后空洞的隧道计算模型研究及应用

本文根据公路隧道衬砌背后空洞病害特征，在病害成因、病害形成过程与机理分析的基础上，利用接触方法建立了包含衬砌背后空洞的隧道计算模型，并初步分析了空洞形状参数对衬砌结构围岩压力和安全系数的影响。     

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。     

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。     

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。     

不同围岩和埋深条件下土-结构接触界面对衬砌结构横向地震响应特性的影响分析

土与地下结构在强震作用下易发生错动滑移,会对地下结构的抗震性能产生较大影响。为确保隧道的长期安全性,运用有限元分析方法研究不同围岩和埋深条件下土-结构接触面对盾构隧道衬砌结构横向地震响应特性的影响。结果表明： 1)随着土质条件的提高,无论土-结构接触界面有无考虑错动滑移情况,隧道衬砌结构的轴力极值均显著增大,而剪力和弯矩极值均显著减小,且由土-结构接触界面错动引起的隧道衬砌结构动内力变化幅度显著减小; 随着隧道埋深的增加,由土-结构接触界面错动引起的隧道衬砌结构动内力变化幅度逐渐减小。2)考虑土-结构接触界面错动滑移时,随着土质条件的提高和隧道埋深的增加,隧道衬砌各部位水平滑移量均逐渐减小。3)当隧道围岩条件较差或埋深较浅时,隧道衬砌结构的横截面抗震设计应充分考虑土-结构接触界面对隧道抗震性能的影响。     

隧道喷膜防水衬砌结构力学性能影响因素研究

为研究隧道喷膜防水衬砌初期支护、二次衬砌间的协同受力机制及其影响因素,提供合理的衬砌结构设计参数,结合防水膜的单轴拉伸、黏结拉伸及剪切试验,建立荷载-结构隧道计算模型,对喷膜防水衬砌结构力学性能的影响因素及其作用规律进行研究。在数值计算模型中,依据试验测得的数据,采用不同厚度的防水膜、不同的界面参数及二次衬砌厚度,对隧道衬砌结构进行建模计算。结果表明:1)防水膜厚度的变化不会对衬砌结构的力学性能产生显著影响;2)不同的界面参数会显著影响衬砌结构的应力和位移,随着界面参数的增大,初期支护应力减小,二次衬砌应力增大,两者的应力差减小,衬砌结构协同受力的能力增加;3)二次衬砌厚度的减小会降低其安全系数,但均符合规范,因此可以进一步优化隧道二次衬砌的结构设计。     

韶赣高速公路白山隧道水害机理与安全性评价

水害给隧道结构自身和隧道内行车安全带来极大的威胁,可导致运营隧道出现塌方等事故。以韶赣高速公路白山隧道的衬砌裂损及渗漏水等病害为例,研究水害产生机理,表明隧道周边地下水的泄、排水,导致周边围岩土体流失,进一步加剧了围岩状况的恶化,使得隧道所受的围岩压力增大,渗漏水通道扩大,进而引发水害。采用MIDAS/GTS大型有限元软件分别对隧道衬砌背后及围岩的脱空、积水等现象进行数值模拟,结果表明,衬砌断面安全系数由无空洞时的5.91降为2.57,安全性明显下降。针对隧道水害机理和模拟结果,给出了工程应对建议。     

浅埋暗挖河底隧道的衬砌受力性状研究

针对采用浅埋暗挖法修建的河底公路隧道,通过数值模拟、经验公式与现场实测,研究不同时期的衬砌受力性状。结果表明,在不同河水位下完成双洞的开挖与初衬,河水位越高,初衬拱顶的最大沉降也越大,但先行洞初衬拱顶最大沉降的增加幅度要大于后行洞初衬拱顶最大沉降的增加幅度;可采用折减系数法计算施作二衬前的初衬背后水压力,提出的折减系数的经验取值方法可供类似工程参考;在隧道长期运营后,相比接触密实的状态,仰拱衬砌与围岩之间接触松散使二衬的最大拉应力与最大压应力均增加;提出了隧道上方河水位的经验计算方法,可为研究衬砌的长期受力性状提供参考。     

超高韧性水泥基复合材料在隧道二次衬砌中的应用分析

超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)以其良好的延性和多裂缝稳态开展性能,近年来受到工程界的青睐。通过建立模拟隧道空间开挖的二维有限元模型,对由UHTCC和普通混凝土构成的二次衬砌的内力、安全系数以及洞周位移等进行了对比分析,研究了二次衬砌厚度变化对其安全系数和结构稳定性的影响。计算结果表明,二次衬砌结构的安全系数随衬砌截面厚度呈非线性增加,由于UHTCC具有低刚度、高韧性的特点,在同等条件下,UHTCC材料的二衬支护结构的安全系数较普通混凝土材料提高2～3倍。