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。     

考虑时间效应的深埋小净距隧道围岩压力分析

囿于地形地貌、地质条件、选线要求等条件的限制,公路工程中常采用小净距形式的隧道,小净距隧道围岩压力是其复合式衬砌结构设计中的关键问题,但目前关于小净距隧道初支与二衬围岩压力分布及其随时间变化规律的相关研究仍较为稀缺。以龙兴岭隧道为背景,在FLAC3D平台上对4洞小净距隧道的开挖支护过程展开了细致的数值模拟,重点关注了作用在初支与二衬上的围岩压力分布。进一步考虑围岩蠕变效应,探讨了小净距隧道复合式衬砌支护结构的围岩压力及其初支/二衬荷载分担比随时间的变化规律,并与现场监测结果相互验证。结果表明:复合式衬砌支护结构围岩压力总体上关于设计中线近似呈对称分布,小净距隧道主洞(后行洞)开挖扰动引起辅洞(先行洞)二衬上围岩压力略微增大;围岩蠕变作用下,初支围岩压力随时间呈下降趋势,二衬围岩压力随时间呈上升趋势,但二者之和基本保持不变;蠕变稳定后,主洞上台阶部分(拱顶至拱腰)的二衬荷载分担比约为25%～45%,主洞下台阶部分(仰拱至边墙)的二衬荷载分担比约为20%～35%。研究成果可为小净距隧道复合式衬砌结构的设计施工及后期运维提供参考依据。     

基于厚度检测的运营隧道二次衬砌安全评价研究

二次衬砌作为隧道复合式衬砌结构的重要组成部分和最后一道防水防线,其安全评价历来备受关注,而二次衬砌的厚度通常是评价运营隧道安全的重要指标。以运营中的代古寺隧道为工程依托,开展了二次衬砌外观质量及厚度现场检测;采用MIDAS有限元软件对衬砌厚度不合格段进行变形及受力分析,基于数值计算结果校核了二次衬砌的安全性状;针对不同等级的围岩,分析了二次衬砌厚度与其安全性的关系,并给出了相应的最小安全厚度。研究结果表明:二次衬砌最不利位置位于边墙和拱脚附近,衬砌厚度不足会使结构的轴力与弯矩减小,导致隧道结构的安全系数降低;对于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩,二次衬砌最小安全厚度建议值分别为31cm、36cm和41cm。     

深埋复合式衬砌隧道二衬分担比研究

为研究深埋复合式衬砌隧道二衬分担比,首先,介绍了基于"叠合梁"理论的初支与二衬荷载传递机理;然后,统计了31座隧道120个断面围岩与初支及初支与二衬间接触压力的监测数据,研究了围岩压力与围岩级别、埋深等参数的相关性,系统分析了经验公式计算的深埋隧道围岩压力与实测值的差异性;最后,将运用修正的"叠合梁"理论计算出的不同围岩级别二衬分担比与实测值对比分析,并讨论了"叠合梁"理论计算二衬分担比的适用性。结果表明:深埋复合式衬砌隧道围岩压力总体随着围岩级别或隧道埋深的增加而增加,而与隧道跨度﹑高度无明显联系;经验公式计算值与实测值接近程度从优到劣依次为:普氏理论、《公路隧道设计细则》(2010)、太沙基公式;《公路隧道设计细则》(2010)适用于埋深小于800 m的围岩压力预测;Ⅲ,IV,V和Ⅵ级围岩的二衬分担比多集中于20%～30%,30%～45%,40%～70%,隧道地应力高、围岩条件差以及初支未及时施作等因素可能是少数断面二衬分担比过高的原因;"叠合梁"理论计算的二衬分担比值受支护材料物理力学参数的影响甚微,而受初支厚度与二衬厚度的影响颇大,"叠合梁"理论不适用于IV级及以下围岩二衬分担比的计算,V和Ⅵ级围岩二衬分担比可按"叠合梁"理论计算值的70%预测。     

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。     

复合式衬砌隧道总安全系数设计法修正与应用研究

为评价复合式衬砌这一整体结构的安全性，对以往所建立的复合式衬砌隧道总安全系数设计法的不合理之处进行修正，并再次分析不同铁路隧道的安全性，同时与挪威Q法支护参数进行对比，最后结合案例说明该方法在断面形式比选方面的应用。结果表明： 1）所建立的总安全系数设计法可以为初期支护和复合式衬砌的支护构件选择、量化设计和整体优化设计提供一定的理论基础。2）采用总安全系数设计法对不同铁路隧道安全系数计算的结果与现场实际施工情况、既有隧道病害情况基本相符。3）挪威Q法提出的支护参数如果用于我国时速350 km的高速铁路双线隧道，Ⅲ、Ⅳ级围岩总安全系数满足要求且较为经济，但Ⅴ级围岩安全系数偏低；采用耐久性锚杆有利于充分发挥锚杆-围岩承载拱的支护作用，从而可以减少喷层和二次衬砌的强度，提高经济性。4）总安全系数设计法可以用于隧道断面形式与支护参数的精细比选。     

重庆礼让石膏岩隧道衬砌结构设计与施工稳定性分析

膨胀性石膏岩遇水极易发生复杂化学反应且体积发生持续性膨胀,从而引发岩石力学性能的不可逆性变化。为系统研究高速公路隧道在石膏围岩环境中的衬砌结构特性,将数值计算与《公路隧道设计规范》结合,分析衬砌结构强度安全系数,并对现场的初支、二衬间接触压力等方面进行了综合分析。结果表明,实测荷载作用下结构的最不利位置为拱腰和拱脚处,二衬的安全性要远高于规范荷载下的情况,因此隧道石膏岩支护设计以及必要的辅助工法施作可以实现隧道长期稳定。现该隧道已顺利竣工进入运营期,更说明衬砌设计的合理及施工安全性。     

中巴公路浅埋偏压隧道二次衬砌受力监测分析研究

利用振弦式传感器对中巴喀喇昆仑公路堰塞湖改线段浅埋偏压隧道的二次衬砌进行现场监测,采集得到初支与二次衬砌间应力和二次衬砌混凝土应变的随时间变化规律并进行分析。测试结果表明,隧道初支与二次衬砌间接触紧密,二次衬砌有效承担了初支传递的围岩形变应力,且在二次衬砌施作后50d后应力基本保持稳定;初支与二次衬砌间所受的应力右幅大于左幅,存在偏压受力情况;二次衬砌混凝土应变初始阶段是拉应变,随着时间的增长,混凝土应变转为压应变阶段并逐渐变形稳定。综合监测结果可知,各监测值都在规范规定的安全值范围内,该浅埋偏压隧道二次衬砌结构受力稳定,可靠安全。     

考虑余震影响的软岩隧道施工期结构力学特性研究

依托处于强震区复杂应力环境中的典型软岩隧道，通过现场实测数据，首先对静力开挖时隧道结构力学特性进行了分析；并以此为基础结合三维数值仿真分析，进一步研究了不同隧道开挖工法以及在不同施工阶段时隧道余震动力响应规律。研究结果表明：在隧道不同开挖工法下，通过比较余震作用产生的隧道位移差、隧道结构与围岩加速度响应、塑性区和初期支护最小主应力，发现隧道开挖工法对隧道余震动力响应规律影响较小；在隧道开挖不同阶段，即初支单独作用与初支二衬共同作用，二衬的施做使隧道位移差减小17.44%,初支压应力降低16.13%,说明二衬的施做有利于减小余震对隧道造成的不良影响。综合研究结果发现，在复杂应力环境中修建软岩隧道遭遇余震作用时，隧道前方掌子面易发生剪切破坏，隧道结构在拱肩与拱脚处受力较为薄弱，在余震后应为重点观察部位。     

大断面黄土隧道台阶法施工数值模拟研究

针对新建忻州隧道工程,运用有限元通用软件ANSYS,对大断面黄土隧道采用台阶法施工的过程进行数值模拟,探讨了采用台阶法施工隧道的围岩、初期支护及二次衬砌应力场和位移场随施工步的变化规律。在此基础上,研究了隧道初期支护、二次衬砌的支护效果以及隧道开挖对已施作初期支护受力及变形的影响。结果表明:①隧道施作初支有利于降低地层压应力,减小隧道变形;施作二衬能有效降低地层和初支的主应力,对隧道变形影响不大;②隧道的进一步开挖将导致已施作初支的压应力及位移值增大,使初支处于更危险的状态。     

单层衬砌在梨花井隧道中的应用

针对传统复合式衬砌结构在结构防水和承载机理上的问题,以单层衬砌在盘兴(盘县-兴义)高速公路梨花井隧道中实际应用为例,介绍了新型单层衬砌的结构设计参数、经济对比及受力分析等内容。单层衬砌结构在梨花井隧道中的成功应用证明,在围岩强度高、完整性好、节理裂隙及地下水不发育的情况下,单层衬砌结构相对于复合式衬砌具有变被动防水为主动防水、更能发挥围岩自身稳定性的特点,同时施工速度提高、减少了工程投资成本。     

穿越断层破碎带隧道支护结构受力特性分析

依托雅康高速公路紫石隧道,建立三维数值模型,运用有限差分软件分析围岩施工期的应力和变形特征,研究穿越断层破碎带隧道的支护结构受力特性。结果表明:断层破碎带处围岩和衬砌的变形相对普通断面均较大;在断层破碎带与普通岩体交界处会产生非均匀变形,导致衬砌结构出现压应力集中现象;隧道二衬达到受力稳定状态需要较长时间,且安全系数较低。     

软弱围岩初始地应力下的衬砌受力分析

结合某隧道工程实例,利用有限元分析方法和工程类比法。分析隧道衬砌在软弱岩层不同初始地应力作用下的受力和围岩的变形情况。得出随着围岩初始地应力的增加,围岩的最大水平和竖直位移、锚杆和初支最大轴向应力接近线性增加趋势,且随初始地应力的改变,最大值节点的值仍为最大。与初支相比二次衬砌受力极小,证明其具有安全储备的作用。这一结果与施工现场观察的现象基本吻合,为今后软弱围岩条件下隧道衬砌支护设计起到参考性价值。     

二衬背后空洞对衬砌结构影响的数值模拟研究

公路隧道运营过程中易出现二衬背后空洞现象,造成二衬开裂、渗漏水、承载力不足等危害。空洞的产生原因可能是地质、施工、混凝土材料、耐久性或与隧道周围环境发生反应等。采用数值模拟方法分别对空洞发展过程、不同空洞深度、不同埋深隧道条件下空洞对衬砌结构的影响进行研究。数值模拟结果表明,随着空洞的逐渐扩大、空洞深度增加和隧道埋深的增大,衬砌安全系数呈减小趋势,拱顶部分安全系数降低显著,二衬结构内力重新分布,空洞部分的弯矩增大而轴力会相应减小,围岩竖向位移增大。目前通常采用在隧道二衬背后注泥浆或混凝土的方式填充空洞。研究成果可为二衬背后空洞处治提供参考和借鉴。     

浅埋偏压隧道穿越松散堆积体支护结构受力特性分析

为探究浅埋隧道穿越松散斜坡堆积体时的偏压特性，基于雅康高速日地1号隧道，建立了精确的三维数值模型，运用FLAC3D进行了施工过程的力学分析，并开展了隧道支护结构体系力学行为的现场测试，对其洞口段穿越滑坡堆积体时的围岩变形机理与支护结构非对称受力特性进行了深入研究。结果表明:隧道周边围岩的变形具有显著的非对称特性。初期支护承受较大的荷载，最大围岩压力出现在深埋侧。与变形和围岩压力分布的情况相反，二次衬砌的最大轴力出现在浅埋侧。隧道二衬的安全系数较低，需要较长的时间才能稳定，为了确保隧道运营期间的安全，应适当增加二衬厚度。     

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。     

基于安全度的大断面黄土隧道施工方法对比分析

为研究大断面黄土隧道围岩和支护结构的安全与稳定,采用有限元软件ANSYS对弧形导坑法(AHM)和核心土加临时仰拱法(CSTIM)的施工过程进行了数值模拟,对比分析了2种施工方法引起的隧道周边围岩位移场、应变场以及初支和二衬的安全性。结果表明:1)采用CSTIM法施工可减小拱顶沉降40%左右,且沉降区域仅在隧道开挖跨度范围内;2)临时仰拱左右两侧安全系数最小仅为0.12,拱顶和左右拱腰安全系数均大于4.0,永久仰拱安全系数处于0.5~2.5之间;3)二次衬砌受力普遍较小,具有足够的安全储备;4)采用AHM法施工围岩竖向位移较大、支护安全系数分布不均、衬砌局部处于受拉状态。因此,从对围岩扰动大小、支护和衬砌安全性以及施工工序等方面综合考虑,CSTIM法均优于AHM法。研究成果可供黄土地区大断面隧道变形控制和施工方法的选择参考。     

保护隧道“滴水不漏”——喷涂防水膜在伦敦Crossrail工程中的应用

正随着隧道工程建设趋向于长距离、大断面与机械化,其防水要求也随之提高。目前,传统的PVC防水膜虽然存在限制,但在与不断革新的喷涂防水膜技术有机结合后,或将为隧道工程带来最好的防水效果。传统山岭隧道防水施工通常在隧道初衬与二次衬砌之间安装预制PVC薄膜,作为衬砌间的分隔与滑动层,但存在如下不足:1) PVC防水膜与喷射混凝土、内衬混凝土之间并不粘着,易产生空隙; 2) PVC防水膜呈平面,与隧道内部的不规则曲面难以完     

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。     

公路隧道防水技术中关键防线的探讨

针对当前我国新奥法公路隧道防水技术的现状，对复合式衬砌结构防水技术中所设置的几道关键防线的效用作了研究。从围岩注浆堵水、防水层防水、衬砌加止水带防水等几个方面，对当前防水技术中存在的问题和取得的成功经验进行探讨。