衬砌背后空洞对隧道地震响应影响的振动台试验研究

针对隧道洞身段衬砌拱顶结构背后出现空洞的情况,开展大型振动台隧道模型试验研究,主要通过加速度响应特征、应变响应特征和震后衬砌破坏形态,探究竖向地震动作用下衬砌拱顶背后空洞对隧道衬砌动力响应的影响。同时结合傅里叶谱和频率传递函数方法,从频域角度展示衬砌结构频谱特性的变化。研究结果表明:无论衬砌背后有、无空洞,竖向地震动都对衬砌结构的拱顶、拱脚和仰拱影响较大;空洞并不改变隧道洞身的加速度响应特征,只改变了加速度响应峰值,空洞处衬砌加速度峰值大于密实段加速度峰值;输入地震动峰值越大,空洞对衬砌结构的加速度响应影响越显著;空洞并不改变结构响应的频谱特性,地震作用下衬砌结构的自身的主频成分被激发,衬砌位置的一阶频率和二阶频率分别反映模型土的动力特性和衬砌结构的动力特性;在强震作用下,拱顶空洞的存在改变了衬砌结构拱顶和拱脚的受力状态,密实段衬砌拱顶和仰拱处出现较大拉应变,而拱脚出现较大压应变;空洞处衬砌拱顶、拱脚和仰拱均出现较大拉应变。     

寒区隧道衬砌冻胀力分析

为了更全面地了解冻胀力对隧道结构影响,文章以西藏寒区矮拉山公路隧道为依托,采用理论分析和数值模拟热-结构耦合相结合的方法,分别计算分析了不同埋深、不同冻胀圈厚度和不同冻胀率三种工况下衬砌结构的受力情况。结果表明:理论及数值计算结果的规律存在高度一致,两者的误差在10%以内;随冻胀率和冻胀深度增大,冻胀力不断增大,随埋深增大,冻胀力反而减小,但随埋深增大减小幅度显著降低;冻胀力作用下,隧道衬砌薄弱部位主要集中在拱脚位置,其次在拱腰处,针对以上部位需加以重点设防。     

寒区裂隙冻岩隧道岩-水-冰力原位测试及冻胀力模型

为了研究寒区裂隙冻岩隧道冻胀力并建立合理的计算模型,以川藏公路雀儿山隧道为工程依托,组合利用水压力计、土压力盒和多点铂电阻温度传感器进行冻胀力原位测试,考虑静水压力,提出了裂隙成环贯通原位冻胀时的隧道宏观冻胀力理论模型,并将计算结果与原位测试结果进行了比较分析。研究结果表明：现场原位测试方法考虑了岩-水-冰在冻结过程中随时间和温度的变化特征,避免了对裂隙岩石细观结构模型的讨论,方案合理且易于实施;裂隙岩石冻结前水压力随径向深度增加而线性减小,径向1.5～2m围岩内裂隙水挤出形成急剧增压区间,靠近结构处水压力降到最低;原位测试得到冻胀压力0.615～3.355MPa,空间分布以拱顶处最小,拱腰处最大,冻胀力模型计算得到的冻胀压力约0.46MPa,去除水压力,裂隙成环贯通宏观冻胀力理论模型计算结果接近于工程实际。     

考虑层间效应的钢纤维混凝土隧道单层衬砌#br# 受力特征模型试验研究

为探究考虑层间接触效应的钢纤维混凝土隧道单层衬砌内力分布规律,自行设计考虑层间效应的单层衬砌模型并研制竖向油压5MPa和侧向压力1.5MPa作为逐级施加的卧式加载试验台架,开展不同荷载作用下的钢纤维混凝土隧道单层衬砌受力特征模型试验。研究结果表明：不考虑层间接触特征的单层衬砌与考虑接触特征的单层衬砌在拱腰和墙角处的安全系数均为最低,最容易出现弯矩和轴力突变;考虑层间接触特征的单层衬砌最大弯矩与最大轴力均出现在拱脚处,层间接触面存在明显黏结力,结构的轴力增加和弯矩减小,内力变得均衡,结构的整体安全性高于不考虑层间接触面,相对不考虑层间效应,受力最不利的左右拱脚处的安全系数分别增加143.7%、149.4%;当竖向油压达到3MPa、侧向油压值达到0.9MPa时,仰拱周围层间接触面压力增长速度显著加快,仰拱处混凝土由线弹性转变为塑性,竖向油压达到4MPa,侧向油压值达到1.2MPa时,仰拱、拱角与拱顶层间接触面应力值有减小或反向增长的趋势,仰拱、墙角等界面发生破坏;钢纤维在单层衬砌裂缝扩展在30%~70%之间阻裂效果最好。     

外水压下大断面公路隧道衬砌结构受力特性模型试验

矿山法修建的山岭隧道有的情况下对地下水采取排导式处理方案。当衬砌背后来水量超出排水系统能力时,将引起衬砌背后外水压增高,甚至导致隧道衬砌结构破坏。自行研制了隧道衬砌外水压力模拟加载试验装置,该装置通过形成负压环境,利用隧道结构模型内外气压差来实现外水压的模拟。基于隧道-地层复合模拟试验平台,开展了外水压下大断面公路隧道衬砌结构受力特性的室内加载模型试验。结果表明：衬砌结构在水土压力共同作用下,轴力呈锥形分布,拱脚轴力大于仰拱和拱部;弯矩呈蝴蝶型分布,拱脚处承受外弯矩,仰拱及拱顶承受内弯矩;轴力、弯矩随水压增加大致呈线性增大,偏心距逐渐减小,拱脚位置具有最大的偏心距,为外水压下隧道衬砌结构受力的最不利位置;依托隧道工程三车道及加宽带衬砌结构产生渗透性裂缝的外水压力分别为330kPa和420kPa,开裂裂缝主要出现在左右拱脚区域的外侧及仰拱内侧,为受拉开裂破坏,且随着外水压的增加,裂缝的渗透性急剧增大。此研究可为大断面公路隧道排水型衬砌在外水压力作用下结构安全评估提供参考。     

隧道周边不同位置径向裂纹对隧道围岩稳定性影响规律的研究

在爆炸载荷作用下,隧道周边会产生大量的径向裂隙,研究在双轴压缩荷载作用下不同位置处径向单裂纹直墙拱形隧道的破坏规律,分两种情况进行研究,一种是裂纹在隧道拱肩或拱顶部位,以拱顶半圆圆心为基点的径向裂纹;另一种是裂纹在隧道底板或边墙部位,其裂纹面与隧道底板、边墙成135°夹角。采用模型试验和数值模拟方法进行研究,模型试验采用水泥砂浆制作隧道模型,数值模拟计算隧道模型裂纹尖端应力强度因子和应力云图,模拟结果与试验结果对比较吻合。结果表明:1裂隙会降低隧道整体的稳定性以及抗压强度;2当裂纹在隧道拱肩或拱顶部位时,裂纹倾角θ=45°时,隧道的稳定性最差,最容易破坏;3当裂纹在隧道底板与边墙交界处时,隧道最容易破坏,整体稳定性最差。     

考虑围岩不均匀冻胀的寒区隧道冻胀力解析解

为防止冻害,寒区隧道的设计需考虑冻胀力荷载。阐明寒区隧道围岩的不均匀冻胀性,推导考虑围岩不均匀冻胀性的寒区圆形隧道冻胀力解析解。围岩不均匀冻胀系数k=1时,本文解退化为赖远明围岩均匀冻胀时的弹性解。理论分析和计算分析表明,围岩均匀冻胀情况下,圆形隧道衬砌不会受到冻胀力作用。赖远明算例中计算得到冻胀力,是由于其采用的冻结围岩弹性模量小于未冻结围岩弹性模量,这与工程实际情况相反。其他冻胀力解析解采取了特殊的假定,而这些假定与工程实际情况相差较大,造成了计算所得冻胀力偏大。围岩不均匀冻胀性是引起寒区隧道围岩中冻胀力的重要原因,在合理的围岩弹性模量和不均匀冻胀系数取值范围内,解析解的计算结果和实际情况吻合较好。随着围岩不均匀冻胀系数k的增大,衬砌受到冻胀力作用,冻胀力的量值随k值增大而增大。当k值一定,冻胀力与冻结围岩弹性模量与未冻结围岩弹性模量的比值EII/EIII呈反比线性关系。     

岩溶隧道拱顶局部水压作用下衬砌受力特征研究

岩溶地区岩体裂隙发育、溶蚀管道众多。在暴雨条件下受地表水补给影响,在役隧道顶部溶洞内水位快速升高,导致衬砌结构发生失稳破坏,严重影响行车安全。针对依托工程的地质条件,采用理论分析方法建立了圆形衬砌断面的顶部局部高水压与围岩压力联合作用下的内力计算模型,基于Mathematica编程进行了不同水压力大小和不同水压力作用面积下隧道衬砌结构的受力计算分析。结果表明:随着拱顶水压力值或水压作用面积的增大,位移/弯矩零点角度的大小均呈非线性变化,位移零点变化比弯矩零点变化明显,位移零点均非线性增大,弯矩零点则减小;拱顶和边墙的位移值均呈线性增大,拱顶增幅大于边墙增幅;负弯矩出现在拱顶和仰拱处,正弯矩出现在边墙处,其中拱顶弯矩增幅最大,边墙和仰拱处弯矩增幅几乎一致。     

承压溶腔对隧道开挖稳定性影响的模型试验

以某三车道公路隧道为依托,开展临近承压溶腔隧道开挖的室内相似模型试验,获得在一定的溶腔大小和内压下,不同位置处溶腔对隧道开挖过程中的洞周位移、钢拱架内力、初支背后围岩压力及洞周围岩应变等影响的特征和规律,并和无溶腔工况进行对比。结果表明:隧道最终拱顶下沉量大小顺序为无溶腔时下沉量溶腔位于拱顶时下沉量溶腔位于隧道边墙处时下沉量溶腔位于仰拱处时下沉量,边墙最终水平收敛量大小顺序为溶腔位于仰拱时的收敛量溶腔位于拱顶时收敛量无溶腔时收敛量溶腔位于边墙时的收敛量。相对于无溶腔而言,临近溶腔存在使得钢拱架的弯矩增大,并增加了轴力分布的不均匀性及偏心距,不利于初期支护结构稳定。同时,溶腔的存在还会减小局部的地层抗力或围岩压力,增大初期支护受力的不均匀性,并在溶腔周围形成一定范围的应力集中区,极大地改变了溶腔与隧道之间围岩的应变分布,对该区域的围岩稳定也较为不利。     

基于地层结构法的隧道衬砌结构受力数值分析

隧道衬砌的设计是隧道设计的重点,隧道衬砌的设计,不仅要保证其安全性外,还需更加经济。为保证隧道衬砌结构安全的前提下降低成本,结合算例,采用地层结构法,考虑荷载分配系数,计算衬砌结构的水平及竖向荷载。再结合ANSYS软件,进而分析出衬砌结构的位移、弯矩、轴力、剪力等力学特征参数。得到:围岩荷载作用下,隧道顶部及仰拱中部产生较大变形,其中隧道顶部位移最大;仰拱中部处弯矩最大,拱脚位置弯矩也较大。     

早强锚杆在高地应力层状软岩隧道中的应用研究

以在建的成都-兰州铁路杨家坪隧道为工程依托,选取条件基本相同的30m典型围岩区段为试验段,对普通锚杆、早强锚杆支护时的洞周位移、围岩与初支接触压力、型钢拱架应力及其锚杆轴力进行实测对比分析,探讨了早强锚杆在高地应力陡倾层状软岩隧道中的作用机制。结果表明：高应力软岩隧道中锚杆轴力为拉力,早强锚杆比普通锚杆轴力更大,可以使隧道洞周位移减小40%|早强锚杆使隧道边墙围岩压力和钢架拱顶应力减小,围岩压力分布和钢架受力趋于均匀|早强锚杆通过注浆材料深入围岩,可以提高围岩层面强度|及时发挥锚固作用,抑制了围岩渐进破坏过程,从而减小围岩塑性区|加长了锚杆的拉拔长度,减小围岩与初支接触压力,改善隧道支护的受力状况,有效地控制隧道变形。     

大厚度湿陷性黄土隧道现场浸水试验研究

对于穿越大厚度湿陷性黄土地层的隧道,其围岩湿陷变形会威胁隧道结构的稳定性。为了分析黄土围岩湿陷变形对隧道衬砌结构的影响机制,选取典型大厚度湿陷性黄土隧道场地,通过开展隧道场地地面浸水试坑试验及隧道仰拱浸水试验,测试了地面入渗和隧道基底入渗过程中不同埋深地层的湿陷沉降变形及地基的沉降变形、入渗过程中围岩的体积含水率变化分布、试坑周边地层的侧向位移、衬砌结构接触压力和轴力,研究了既有隧道黄土地层的湿陷变形特性及水分运移规律、隧道结构力学响应。结果表明,隧道开挖、衬砌作用扰动黄土结构,增大了围岩及深层黄土的渗透性;与天然黄土场地试坑浸水入渗比较,增大了竖向浸水范围,减小了水平向浸水范围。隧道围岩湿陷变形改变了围岩与衬砌结构的相互作用性状。围岩湿陷和地基软化作用增大了二次衬砌结构侧墙竖向荷载和侧墙围岩的挤压作用,引起拱脚地基承载力减小和沉降变形发展,拱顶、拱肩接触面呈受拉状态;仰拱中部地基土的抗力作用抑制其沉降变形,从而使得拱脚和仰拱中部出现显著的沉降差,导致仰拱混凝土开裂,形成纵向裂缝。此外,浸水范围内黄土的湿陷变形不仅引起竖向沉降变形,还会引起周围土体产生侧向水平位移;洞口边坡场地黄土的湿陷性和地层湿陷变形差异较大,反映了黄土山岭黄土场地地层条件复杂多变的特征。     

基于Mohr-Coulomb准则寒区隧道围岩应力弹塑性解析

随着西部开发建设速度的急剧增长,寒区隧道工程建设逐渐增多,冻胀力及围岩应力大小对寒区隧道结构产生的影响越来越突出。针对这一突出问题,基于弹性理论拉密解及复变理论,结合Mohr-Coulomb屈服准则,确定了围岩塑性区范围,并推导了冻胀力及围岩应力的弹塑性显式解析解。通过算例分析得到:当0°≤θ≤45°时,冻胀力的存在致使围岩塑性区迅速扩展;而当45°≤θ≤90°时,冻胀力的存在却限制了围岩塑性区的发展。其研究成果对寒区隧道工程建设具有良好的参考价值。     

基于安全度的黄土隧道结构承载性能分析

基于八仙峁隧道、麻塌隧道2组典型断面二衬混凝土应变监测数据,分析了二衬混凝土在黄土隧道中应变随时间的变化规律;通过换算得到二衬结构所受应力,将换算结果代入安全度应力表达式,得出该断面下黄土隧道二衬安全度分布,并与有限元数值模拟结果进行对比。结果表明:在黄土隧道的支护结构中,二衬混凝土结构不仅作为安全储备,而且往往需要承受大部分荷载,通过数值模拟确定二衬承受的荷载约为围岩荷载的40%;二衬混凝土结构作为受压构件,其最大应变出现在边墙底部位置;数值模拟与计算所得二衬安全度分布规律基本一致,拱顶、拱肩、边墙底部仰拱部位安全度相对较小但满足规范要求,仰拱底部所受压应力最大且安全度未满足规范要求。     

新型铁路隧道门洞口段结构受力特征现场试验研究

现有的铁路隧道洞门的设计只是经验性地照搬标准图的模式,而对新型隧道门的研究是必要的。一种新型隧道门在满足它的美学效果、环境保护等功能外,更重要的是应保证隧道洞口结构受力后的安全性。对采用新型隧道门的洞口段围岩压力和衬砌内力进行现场测试,并将单线斜切式隧道门洞口段的现场试验结果与模型试验和有限元数值计算结果进行比较,探讨了洞口段围岩压力分布和衬砌结构受力特征。研究结果表明:斜切式隧道门洞口段围岩压力和衬砌内力从洞口向洞内逐渐增大,其大小随覆盖层厚度增大而增大,围岩压力在仰拱处最大;衬砌结构处于复杂的三维受力状态,既有横向轴力、弯矩,又有纵向轴力、弯矩,其受力特征类似于壳体结构,因此,按壳体结构设计比较合理。     

浅埋黄土隧道衬砌结构受力分析

 通过对三十里铺隧道的现场测试,研究浅埋黄土隧道一衬和围岩接触应力、锚杆轴力、喷射混凝土表面应变、二衬中钢筋应力和浇注混凝土应变随时间变化规律及分布特征。结果表明,围岩释放应力最大值在7～10 d,位置在拱腰处;锚杆轴力稳定时间为30 d左右,且在空间上出现压应力区;喷射混凝土表面应变较大且常出现跳跃性变化;二衬钢筋应力初期为拉应力;边墙处的稳定时间为6～8 d后,拱顶处30 d后仍然递减;二衬混凝土应变由初期的拉应变向压应变变化。隧道衬砌的受力分析结果为支护系统的优化提供依据,对同类工程的设计提供借鉴。     

浅埋黄土隧道衬砌结构受力分析

通过对三十里铺隧道的现场测试,研究浅埋黄土隧道一衬和围岩接触应力、锚杆轴力、喷射混凝土表面应变、二衬中钢筋应力和浇注混凝土应变随时间变化规律及分布特征。结果表明,围岩释放应力最大值在7～10 d,位置在拱腰处;锚杆轴力稳定时间为30 d左右,且在空间上出现压应力区;喷射混凝土表面应变较大且常出现跳跃性变化;二衬钢筋应力初期为拉应力;边墙处的稳定时间为6～8 d后,拱顶处30 d后仍然递减;二衬混凝土应变由初期的拉应变向压应变变化。隧道衬砌的受力分析结果为支护系统的优化提供依据,对同类工程的设计提供借鉴。     

大跨小净距隧道衬砌力学行为现场测试研究

综合采用现场测试及数值计算方法,对深圳市南坪快速II期双洞八车道小净距隧道施工中二衬受力分布规律,以及不同间距下近邻隧道施工后行洞对先行洞二衬结构受力的影响进行研究。研究结果表明:二衬各点轴力和弯矩值均较小;拱顶处、远离中岩柱侧的边墙和中岩柱侧拱脚部位有可能出现较小拉力,应注意防止混凝土开裂;Ⅳ级围岩、30 m净距条件下,后行洞开挖对先行洞支护受力的影响范围为掌子面后方40 m内,围岩越好,影响范围越小;仅拱顶处主应力表现为受拉,其余部位表现为受压,其中左、右拱脚处主应力压力值最大。随着净距的逐渐增大,拉应力与压应力值变化很小,没有一致增大或减小的趋势,净距变化对支护的应力影响不明显。