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。     

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。     

大断面公路隧道二次衬砌受力特性模型试验

为研究大断面公路隧道运营期二次衬砌受力特征,开展室内相似模型试验,采用主动加载方式模拟隧道在运营过程中承受的围岩压力,对3车道和加宽带2种断面二次衬砌受力、变形及破坏规律进行研究。试验结果表明： 1）按规范设计的大断面隧道衬砌结构在设计荷载作用下内力和变形均较小,结构具有较高的安全储备; 2）衬砌各截面内力（弯矩、轴力）随围岩压力的增加呈现先慢后快的增加趋势,偏心距则呈现逐渐减小的变化趋势; 3）开挖断面越大,内力控制截面越多; 4）开挖断面大小对衬砌变形及破坏形态也有一定影响,断面越大,拱顶、边墙变形越大,衬砌各部位开裂荷载差异越明显,且衬砌开裂过程持续时间越长。     

高地温隧道荷载模式及二次衬砌安全特性研究

为解决高地温隧道衬砌结构受力特性不明晰问题,以川藏线桑珠岭超高地温隧道为工程依托,采用现场试验和热-力耦合数值计算手段,研究二次衬砌在高地温环境下的力学特性和安全特性,提出高地温隧道荷载设计方法。结果表明： 高地温隧道二次衬砌施作后10 d内应力变化较大,20 d后趋于稳定;最大拉应力位于拱顶处,最大压应力出现在边墙处;高地温隧道荷载修正系数可表示为围岩初始温度的多项式关系;衬砌内外侧压应力均随围岩温度升高呈现出增大趋势,但各点增大速率存在一定的差异,拉应力值随温度呈波动增长;最小安全系数出现在拱顶,随围岩温度的升高而降低,当温度高于60 ℃时,存在被破坏的可能性;二次衬砌最大裂缝宽度位于拱顶处,随着温度升高,裂缝宽度增大。     

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。     

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。     

高地应力深埋层状围岩隧道非对称变形受力机制研究

为深入研究高地应力层状围岩中隧道和支护结构的非对称变形受力特性和机制,以绵茂公路篮家岩隧道为工程背景,采用现场监测和数值模拟相结合的方法,研究不同层理角度和地应力方向下隧道变形、钢拱架应力以及二次衬砌弯矩和轴力的变化规律。结果表明： 1）层状围岩中隧道结构受力的最不利位置常出现在层理面法向方向; 2）隧道的非对称变形机制在于地应力对层理面产生的法向挤压作用和切向滑移作用,当层理面角度缓倾时,隧道拱顶和拱底承受较大挤出变形,当层理面角度陡倾时,地应力方向与层理面夹角越小,隧道衬砌在主应力作用位置产生的滑移变形越大。最后,根据层状围岩隧道变形和衬砌受力特征,提出合理的支护优化措施。     

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。     

运营公路隧道局部换拱效果及其工程影响

通过对运营公路隧道换拱工程试验段衬砌荷载和温度的现场监测,并将之与新建隧道衬砌荷载分布规律进行对比,评价换拱工程中新施作衬砌的承载性能。通过采用数值计算分析的手段,对换拱过程临近结构附加影响进行研究。结果表明:换拱工程与新建隧道工程衬砌荷载分别在荷载曲线形态和达到峰值的时间这2个方面存在明显差异;结合衬砌温度变化规律,揭示了换拱工程的新施作衬砌基本不发挥承载作用,现场监测所得荷载主要是由温度应力引起的;分析换拱过程中,邻近结构在卸荷作用下产生一定的附加沉降和附加应力。综合换拱工程衬砌承载效果及对临近结构的影响,提出了在运营隧道衬砌病害处理过程中,宜优先采用非破坏性防护措施,慎用局部换拱方案的工程建议。     

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。     

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。     

波纹钢板在隧道明洞结构中的应用研究

为研究波纹钢拱圈式隧道明洞结构的力学性能,为该类型隧道明洞结构的应用提供理论依据,以某隧道窗孔式明洞为工程背景,采用有限元数值模拟方法进行受力分析。首先,分析明洞结构中基础底座、混凝土拱圈和波纹钢拱圈的应力分布特点;其次,从弯矩、轴力和位移3个方面研究波纹钢板的厚度对该明洞结构受力的影响;最后,从弯矩、轴力和位移3个方面研究钢拱圈不同矢跨比对该明洞结构受力的影响。研究结果表明： 1）基础底座的内外墙根部截面应力较大,为结构受力最不利位置,混凝土拱圈和波纹钢拱圈在拱脚和拱顶附近位置处受力较大; 2）随着波纹钢板厚度的增加,内外墙底部截面的弯矩均有所减小;外墙底部截面的轴力有所减小,而内墙底部截面的轴力有所增加;钢拱圈的横向和竖向位移均有所减小; 3）随着钢拱圈矢跨比的减小,内外墙底部截面的弯矩不断增加,且内墙底部截面弯矩增加更为明显;内外墙底部截面的轴力不断减小; 钢拱圈的横向位移不断减小,竖向位移出现先减小后增加的趋势。     

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。     

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。     

富水盾构隧道地表固结沉降及控制措施研究

依托某城市富水盾构隧道,通过数值模拟,研究地表沉降控制措施,结果表明：富水地层中地表固结沉降占比较高,计算需考虑渗流。考虑渗流下,结构受力变形有不同程度提高;隧道四周剪切塑性区增大。围岩孔压在拱腰聚集,开挖后地下水指向内空,管片注浆后,地下水沿衬砌背后向下渗流;盾尾注浆会改善盾壳受力及不均匀性。考虑渗流,管片变形及弯矩由拱顶、拱底向拱底（变形）和拱顶（弯矩）转移;增大注浆圈为较实用措施。     

隧底溶洞处理后衬砌的受力分析

隧道底部溶洞处理时,存在填充物弹性模量大于围岩弹性模量现象,影响衬砌受力状态,可能导致裂缝的产生。针对这一问题,以温克尔弹性地基梁理论为基础,对溶洞处理后衬砌的内力和位移进行计算,并结合数值模拟结果进行对比分析。主要研究结论如下： 1）溶洞填充物对衬砌起支撑作用,引起溶洞与围岩交界处附近出现较大剪力和弯矩; 2）溶洞段衬砌拉应力增大较快,应加强此段衬砌结构的配筋,加设抗弯和抗剪钢筋,提高结构抗拉及抗剪能力,达到抑制裂缝产生的目的; 3）确保溶洞填充物尽量与围岩弹性模量相近,交界处介质的弹性模量连续递变,以改善溶洞段衬砌的不利受力状态。