超大跨度隧道上台阶CD法中隔壁力学计算模型及施工力学行为研究

为研究超大跨度隧道分部开挖法施工中隔壁结构的施工力学行为,以山东滨莱高速公路改扩建工程双向八车道乐疃隧道为依托,基于初期支护钢架与中隔壁钢架之间的内力传递、变形协调及拱脚变位,将支护体系等效为支座可移动的三次超静定无铰拱-梁固接结构,建立了上台阶先导初期支护钢架-中隔壁钢架共同承载变位力学计算模型,采用理论分析、现场测试和力学模型计算相结合的方法,对超大跨度隧道上台阶CD法施工时中隔壁的力学行为进行分析。研究结果表明:拱顶沉降和周边收敛主要经历急剧增长、缓慢变形和趋于稳定3个阶段,且各变形值均小于设计预留变形量150 mm;受施工工序和结构约束条件变化的影响,钢架内外侧应力整体呈现出先急剧变化后逐渐趋于稳定的规律,各测点应力小于型钢屈服强度235 MPa;力学模型计算结果和现场实测数据的平均相对误差为12.6%,且规律基本一致;钢架轴力在上台阶施工过程中始终为受压,且最大值均在钢架拱脚处,受后导开挖影响,中隔壁钢架轴力增大,初期支护钢架轴力减小;先导开挖时钢架弯矩大部分部位为正,拱顶部位为负,受后导开挖影响,中隔壁钢架正弯矩值及正弯矩区域减小,同时初期支护钢架正弯矩区域减小,钢架拱脚附近弯矩出现负值;钢架结构整体处于偏心受压状态,受后导开挖影响,中隔壁钢架和初期支护钢架小偏心受压区域均发生移动,且两者钢架小偏心受压长度占比增大。     

黄土地层锁脚锚管横向地基反力系数

以马兰组黄土地层锁脚锚管为例，开展了锁脚锚管的模拟加载试验，反算了锁脚锚管横向地基反力系数的比例系数，研究了横向地基反力系数的比例系数随锁脚锚管端部竖向荷载和位移的变化规律，分析了锁脚锚管打设角度对横向地基反力系数的影响；拟合了横向地基反力系数的比例系数随锁脚锚管端部竖向位移变化的回归方程，确定了横向地基反力系数的比例系数的上下限，通过插值计算了0°~30°范围内任意角度打设的锁脚锚管的横向地基反力系数的比例系数。分析结果表明:在加载初期，随着锁脚锚管端部竖向荷载和位移的增大，锁脚锚管周围黄土处于不断压密阶段，横向地基反力系数的比例系数迅速增大；当锁脚锚管周围黄土进入渐进破坏阶段后，横向地基反力系数的比例系数随锁脚锚管端部竖向荷载和位移的增大不断减小；相对于0°打设的锁脚锚管，以30°打设的锁脚锚管的横向地基反力系数的比例系数随锁脚锚管端部竖向荷载和位移的变化幅值明显减小；在进行马兰组黄土地层隧道锁脚锚管设计计算中，直径为51 mm的锁脚锚管采用0°~30°打设时，横向地基反力系数的比例系数的取值范围为66.9~296·1 MN·m-4；单根直径51 mm的锁脚锚管能承受的竖向荷载为8.63~11.87 kN。      

隧道锁脚锚管受力测试方法试验研究

为研究隧道锁脚锚管在端头竖向荷载作用下的受力特性,采用了一种隧道锁脚锚管受力特性的测试方法--应变片外贴导线内引的电测法,该方法克服了钢管表面贴片易损坏、引线困难等难题。以工程上经常使用的长为3.5 m、直径为42 mm、壁厚为4 mm的热轧无缝钢管为例,系统介绍了测试锁脚锚管受力特性的试验设计方案,包括锁脚锚管管身轴向应变测试和管身弯矩测试。给出了锁脚锚管受力测试装置的设计与工艺,包括测力锚管的加工和温度补偿条的加工工艺。采用现场实测的方法,在某土质边坡对该方法进行了应用,将锁脚锚管安装在边坡土体中,然后在锁脚锚管端头加载,测试其受力状况。试验结果表明： 锁脚锚管受力测试装置安设完毕后,测点成活率达到100%;锁脚锚管端头垂直加载,管身最终变形和试验测试结果相吻合;该试验方法能够真实反映锁脚锚管的受力特性。     

寒冷地区隧道温度场的变化规律

为了揭示隧道温度场的变化规律,以某寒冷地区公路隧道为依托,选择11个测试断面,对隧道拱顶、拱腰、边墙和路面四个部位的温度进行1.5a的长期测试,采用正弦函数回归法,对测试数据进行分析。结果表明:隧道洞内的年气温变化具有周期性,随时间大致呈正弦曲线变化;隧道内纵向气温随着进入隧道距离的增大,年平均温度逐渐下降,年温度振幅也下降,其变化规律呈指数函数曲线变化关系;隧道围岩温度在径向一定范围内,随着径向深度的增加,年平均温度上升,年温度振幅衰减,并且呈指数函数曲线变化关系;防水夹层对隧道保温隔热是有利的。     

C25喷射混凝土抗压强度的概率统计规律

在对某公路隧道喷射混凝土进行现场钻孔取芯和室内抗压强度试验的基础上,用χ2检验法对收集的喷射混凝土抗压强度值分别选取正态分布、对数正态分布和极值Ⅰ型分布进行拟合检验,分析了喷射混凝土抗压强度的概率统计规律,并利用所得规律对其统计标准值进行了计算。计算结果表明,C25喷射混凝土抗压强度的概型分布符合正态分布,抗压强度的标准差为6.91~7.15 MPa,变异系数为0.24~0.26,与C25模筑混凝土抗压强度的标准差5.43 MPa、变异系数0.16相比,喷射混凝土抗压强度施工的均质性差,离散性大;C25喷射混凝土抗压强度统计标准值为16~18 MPa,与C25模筑混凝土抗压强度统计标准值17 MPa比较接近。     

大跨度绿泥石片岩隧道大变形机理与控制方法

依托宝鸡至汉中高速公路连城山隧道(双洞六车道),基于隧道变形和支护结构受力现场测试,分析了大跨度绿泥石片岩隧道大变形灾害特征和机理,总结了隧道大变形灾害综合控制方法,建立了大跨度绿泥石片岩隧道大变形分级标准,提出了各变形级别对应的支护参数.分析结果表明:大跨度绿泥石片岩隧道在开挖过程中以沉降变形为主,主要表现为拱部初期...     

基于T-S模糊故障树理论的公路隧道冻害分析方法

提出一种新的基于故障树理论的公路隧道冻害分析方法,以隧道冻害发生为初始事件,以隧道衬砌漏水结冰、路面溢水结冰、衬砌剥落掉块为后续事件,建立隧道冻害故障树,采用T-S模糊故障树计算方法对各底事件的重要度进行分析.结果表明：防水层破损、注浆堵水层失效、地下水侵入是导致隧道衬砌漏水结冰的关键问题;围岩中地下水丰富、排水设计施工不当、排水沟结冰冻胀是造成隧道路面溢水结冰的主要原因;衬砌施工质量不合格和衬砌原材料质量不合格是造成隧道衬砌剥落掉块的重要因素.因此,在寒区公路隧道设计和施工中一定要重视防排水工作,同时需要加强对衬砌材料劣化和材料耐久性的研究.     

基于温度效应的隧道二次衬砌混凝土结构力学状态分析

为了研究寒冷地区隧道二次衬砌混凝土结构在环境温度变化情况下的力学状态,基于振弦式混凝土应变计的测试原理,提出温差引起的误差修正公式,并采用数值模拟的方法,对隧道二次衬砌混凝土的温度应力进行了分析。结合陕西省吴堡至子洲段高速公路刘家坪3号隧道现场二次衬砌混凝土应变监测数据,研究了1年内环境温度变化情况下隧道二次衬砌混凝土的结构受力。结果表明:在温度的影响下,混凝土内部在冬季产生了比较大的拉应力,混凝土内侧拱顶产生压应力,其余部位内侧产生拉应力;混凝土外侧拱顶和边墙部位产生了比较大的拉应力,最大值出现在拱顶部位;混凝土的内外侧应力最大值为1.01 MPa,接近C25混凝土的设计抗拉强度1.33 MPa。     

寒冷地区隧道防冻隔温层厚度计算方法

为确定寒冷地区隧道防冻隔温层的最佳设防厚度,利用等效厚度换算法、气象解析法和有限元模拟计算法,分别对其设防厚度进行计算。由前两种方法计算结果可看出,防冻隔温层设置在初期支护与二次衬砌之间时厚度小于1 cm,设置于衬砌表面时所需厚度小于2 cm,与实际情况比较吻合;由有限元模拟计算法计算的相应结果分别为3.2 cm和4.4 cm,比实际情况偏大;有限元模拟计算法计算结果偏保守,气象解析法计算过程复杂,等效厚度换算法计算过程简单;在工程实际中,防冻隔温层厚度计算可采用等效厚度换算法,为了经济,防冻隔温层适合设置在衬砌中间。     

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。