基于断裂准则的隧道衬砌裂缝稳定性分析

基于混凝土断裂准则,提出了隧道衬砌裂缝稳定系数,采用大型非线性有限元软件ABAQUS,分析了裂缝的深度、宽度、位置、分布密度等参数对隧道衬砌结构稳定性的影响规律。结果表明:裂缝深度对衬砌的稳定性影响最为明显,其次依次是裂缝位置、裂缝分布密度及裂缝宽度;随裂缝深度增大、裂缝位置从拱顶变化至边墙,衬砌的稳定性降低。     

纤维混凝土隧道衬砌地震动力响应特性的振动台试验研究

 为研究纤维混凝土隧道衬砌在地震动力作用下的动响应特性,对普通混凝土隧道衬砌与纤维混凝土隧道衬砌开展大型振动台模型试验,分析隧道衬砌的震害特征、地震动应变、结构内力和应变基线响应规律。试验结果表明：水平地震荷载及地层压力共同作用下,2种隧道衬砌均为仰拱最先开裂,其次为拱腰开裂,衬砌结构破坏模式主要为开裂、掉块和裂缝两侧挤压破坏;素混凝土隧道衬砌出现开裂破坏早,裂缝易贯通,裂缝两侧混凝土基体在振动过程中相对位移大;纤维混凝土隧道衬砌出现开裂破坏晚,裂缝两侧混凝土基体在振动过程中相对位移小,裂缝呈挤压破坏状;纤维延缓衬砌结构裂缝的产生和阻碍裂缝的扩展;地震波加速度峰值从0.1 g增大到1.0 g时,素混凝土隧道衬砌动应变极值和裂缝宽度显著增大,而纤维混凝土隧道衬砌动应变极值和裂缝宽度先在一定范围内缓慢增长然后迅速增大,但最终2种衬砌动应变极值和裂缝宽度大致相等,说明纤维混凝土隧道衬砌在一定地震荷载范围内可以有效避免开裂和减小裂缝宽度;纤维混凝土隧道衬砌压缩变形率较小,当输入地震波加速度峰值为0.1 g和0.4 g时,纤维混凝土隧道衬砌结构动弯矩极值较低,受力更均衡,能有效地抵御地震荷载。     

60°倾角正断层黏滑错动对山岭隧道影响的试验研究

通过1∶50室内模型试验,模拟了60°倾角正断层黏滑错动下,与之正交的隧道结构的受力变形破坏过程,并布置传感器监测了隧道顶部和底部的地层压力、隧道轴向的应变和隧道环向的应变。试验结果表明,地层的永久变形和地层-结构的相互作用,导致了围岩压力在剪切带附近发生显著变化,上盘和剪切带范围内拱顶压力显著增大,下盘拱顶压力次之,上盘和剪切带隧道底部压力减小,下盘底部压力显著增大,隧道与下部围岩可能局部脱空以适应断层的剪切位移;上盘和剪切带范围内纵向弯矩为正,下盘范围内为负,隧道偏心受压;以原型混凝土压坏来判定衬砌破坏,初步确定原型结构破坏所容许的最大断层位移D=0.3m,理论上该值略偏大;隧道衬砌破坏区域,在剪切带和下盘范围分别为0.75和1.5倍隧道宽度。     

穿越断层带隧道结构动态力学特性试验研究

为了揭示隧道穿越断层期间结构力学响应特性,通过室内模型试验研究断层倾角为45°、60°、75°时采用台阶法进行开挖施工的围岩压力、围岩位移和衬砌应力变化情况。结果表明：断层倾角越大,围岩压力值越高,断层倾角为75°、60°时围岩压力分别为45°的1.169倍、1.089倍;拱部围岩压力影响范围达1.0倍洞径,拱腰、边墙处影响范围为0.5倍洞径;断层倾角越大,围岩径向位移值越高,断层倾角为75°、60°时径向位移达45°的1.112倍、1.057倍;拱部围岩位移影响范围达1.0倍洞径,拱腰、边墙处影响范围为0.5倍洞径;由于存在断层结构,隧道开挖后形成较大松散压力,衬砌结构呈“扁坦式”受力状态,边墙位置衬砌应力最大,拱顶、拱腰处次之;断层倾角越大,衬砌应力值越高,第一施工循环拱顶位置衬砌应力在断层倾角75°、60°时分别为45°的1.176倍、1.079倍,拱腰处为1.187倍、1.089倍,边墙处为1.169倍、1.082倍;第二循环拱顶位置衬砌应力在断层倾角75°、60°时分别为45°的1.136倍、1.067倍,拱腰处为1.158倍、1.075倍,边墙处为1.156倍、1.077倍...     

北京地铁运营隧道病害状态分析

基于北京地铁隧道病害检测结果,分析结构形式、配筋和运营时间对隧道病害状态的影响。研究结果表明,管片接缝变形是盾构隧道病害的根源,并由此引发了盾构断面的椭圆化变形、管片的压溃与错台以及盾构隧道的渗漏水。衬砌开裂是矿山法隧道的主要病害,裂缝宽度与深度受运营时间影响大且具有离散性强、随机性大的特点,配筋对隧道结构安全有积极影响。渗漏水受降水的影响较大,多出现于隧道衬砌结构的缝隙,如盾构隧道的接缝、螺栓孔或矿山法隧道的变形缝、施工缝和衬砌裂缝等。衬砌空洞多位于拱顶,形状接近于长条形、正方形和椭圆形,且多伴随着邻近衬砌的开裂。混凝土碳化深度与运营时间成正比,碳化深度和速率在隧道道床位置最大、边墙次之、拱顶最小。裂缝是整体式道床的常见病害,道床在剥离的同时还伴随沿其纵向的扭转。     

氯盐和冻融循环复合作用对浅埋公路隧道安全性能的影响

对氯盐和冻融循环复合作用后V级围岩中埋深为10 m的隧道,运用同济曙光软件建立荷载—结构法拉压弹簧模型进行分析计算.计算表明:1)随着环向裂缝宽度(钢筋锈蚀程度的增加)以及纵向裂缝深度的增加,隧道安全性能逐渐降低;2)衬砌具有相同钢筋锈蚀程度和纵向裂缝深度时,拱顶处病害比拱腰处病害对隧道安全性能的影响大;3)当环向裂缝宽度小于0.2 mm时,环向裂缝宽度的变化对隧道衬砌安全性能影响不大.     

纵向裂缝对隧道衬砌承载力的影响分析

 基于隧道衬砌拱顶结构1∶1的荷载试验,建立衬砌裂缝深度与衬砌刚度的关系,提出裂缝处衬砌刚度计算的梁弹簧模型。基于梁弹簧模型分析裂缝位置、裂缝深度和地层抗力对衬砌结构承载力的影响。计算结果表明：隧道拱顶安全系数随裂缝深度增加呈线性降低,裂缝深度为衬砌厚度的50%时,安全系数则降低78%;相同裂缝深度情况下,裂缝在拱顶时最不利,裂缝在拱腰、边墙以及拱脚时对结构安全系数影响较小;地层抗力对拱顶、边墙以及拱腰的安全系数影响较大,对拱脚的安全系数影响较小。     

高铁隧道衬砌拱顶空洞对列车荷载响应研究

以某高速铁路某一隧道存在拱顶空洞为工程背景,基于高速列车振动荷载实测数据和列车振动理论,利用ABAQUS有限元软件,建立隧道衬砌拱顶不含空洞与含有不同深度空洞的隧道结构有限元模型,施加相应的约束及边界条件,对隧道结构在列车振动荷载作用下的动力响应行为进行数值仿真分析。研究结果表明,随空洞深度的增加,拱顶含空洞的衬砌结构将会使原有衬砌受力状态发生改变,空洞深度越大,围岩塑性区改变越明显,衬砌整体受力越不利;不含空洞的隧道衬砌关键点与轨道距离越近振动响应越明显,拱顶响应最弱;衬砌拱顶空洞深度对列车振动响应明显,随深度的加大,其响应越剧烈,使衬砌围岩塑性区发生进一步扩展并最终影响到隧道结构的整体稳定性,对列车运营安全造成威胁。研究结果对于进一步探索含缺陷隧道衬砌结构的劣化动力学行为奠定了基础。     

75°倾角正断层黏滑错动对公路隧道影响的模型试验研究

 通过1∶50室内模型试验,开展75°倾角正断层黏滑错动影响下隧道的受力变形机制研究,并监测隧道顶部和底部的地层压力、隧道轴向和环向应变。结果表明,地层的永久变形和地层–结构的相互作用,导致围岩压力在剪切带附近发生显著变化,上盘范围内拱顶压力显著增大,下盘拱顶压力次之,上盘隧道底部压力减小,下盘底部压力显著增大,隧道与下部围岩可能局部脱空以适应断层的剪切位移;上盘范围内为正,下盘范围内纵向弯矩为负;以原型混凝土压坏来判定衬砌破坏,初步确定原型结构破坏所容许的最大断层位移D = 1.25 m,理论上该值略偏大。     

层状软岩隧道稳定性及受力变形特性研究

文章以在建郑万高铁某层状软岩隧道为研究对象,应用ABAQUS有限元软件,建立带有节理材料模型的二维隧道模型进行计算分析,并结合现场量测结果,得到围岩和衬砌的受力变形特征。结果表明,层状软岩中的隧道会产生明显偏压效应,隧道反倾侧的围岩位移和衬砌受力普遍大于顺倾侧对应位置;层面倾角由0°增加到90°过程中,围岩的位移和衬砌的应力均呈现逐渐增大的趋势,隧道的偏压作用由弱变强再变弱,倾角45°时偏压作用最显著。     

隧道衬砌混凝土裂缝的成因及预防措施

从隧道衬砌混凝土施工的特点出发,对隧道衬砌结构因参建各方、原材料性能和混凝土配合比、施工工艺等原因出现的裂缝进行了分析,在衬砌裂缝出现后,根据裂缝的宽度、深度及对结构的影响情况提出了多种处理方法,并提出了一系列预防措施。     

公路隧道衬砌多病害安全性分析

基于隧道衬砌检测数据结果,建立荷载-结构法有限元模型,分别对衬砌背后空洞、衬砌裂缝和衬砌欠厚多工况多部位组合计算分析,得出隧道衬砌多病害共存对衬砌各部位安全性影响的规律.研究结果表明衬砌拱顶裂缝比衬砌拱腰裂缝、其他位置裂缝更加危险,拱顶裂缝需采取必要措施处理,隧道设计和施工阶段,应着重对拱顶进行重点关注,以减少隧道运营...     

逐级加载下浅埋软岩隧道动力破坏振动台试验

浅埋隧道围岩的质量普遍较低,整体稳定性差,隧道震害表明强震作用下浅埋隧道极易发生震动破坏。通过开展V级围岩条件下浅埋隧道在小震下的震动响应和逐级加载下的震动垮塌振动台试验,研究了小震作用下围岩加速度沿地层的分布、衬砌结构的内力变化和围岩内部的水平位移变化规律,强震作用下衬砌结构裂缝开展和围岩震动垮塌。结果表明:围岩加速度随距地表距离的减小而增加,地表加速度约为拱顶处加速度的1.63倍,相同高度平面内靠近隧道的围岩振动具有一定的加强;隧道拱顶围岩内部的水平位移大约是拱腰围岩内部的1.23倍,围岩内部位移随着远离隧道而逐渐减小,随着震动烈度的增加而不断增加;隧道拱顶上方垮塌区形状近似漏斗,震动引起隧道衬砌结构拱脚处的轴力和弯矩变化最大,且拱肩和拱脚处裂缝分布最多,应加强拱肩和拱脚处结构的抗震性能。     

山岭隧道跨断裂带段及洞口段地震响应大型振动台模型试验研究

为研究地震作用下山岭隧道跨断裂带段及洞口段的动力响应及其破坏机制，以国道318线康定折多山隧道工程为背景，设计并开展隧道长达8 m的大型地震动模拟振动台试验，对比分析处于不同围岩条件中衬砌结构的动力响应规律及其破坏机制，研究结果表明：在本次振动台试验中，隧道衬砌结构的加速度、动土压力以及应变等响应主要受周围围岩条件的影响，其所处的围岩质量越差地震反应越强烈。在三向地震作用下，隧道衬砌结构的PGA放大系数随着地震波幅值的增加逐渐减小，各部位间动土压力和应变差值逐渐增大并进入偏心受力状态，横截面共轭45°为主要受力方向。此外，衬砌结构的纵向破坏由洞口处向深部围岩发展，且各段衬砌具有相同的破坏机制，即破坏过程为自“仰拱→拱脚→拱肩→拱顶”发展。对比分析处于不同围岩条件中衬砌结构的最终破坏形态，洞口和断裂等围岩条件较差段衬砌结构的震害较为严重，且下部结构的震害明显比上部结构严重。因此，在实际工程中需重点关注洞口段和断裂带段衬砌结构的抗震设防，加强衬砌仰拱、拱脚等下部结构的加固设计。     

某隧道拱顶纵向开裂及断面变形监测研究

隧道的安全性对保证高速公路的畅通运行至关重要,针对某高速公路隧道拱顶纵向开裂,为了研究隧道拱顶开裂成因,对其衬砌开裂情况进行检测和分析,指出开裂原因主要为衬砌材质不合理、构造不满足设计要求和围岩偏压三个因素,采用注浆法对裂缝进行修补,取得了良好的效果,并对裂缝的长度和宽度进行监测,建立了隧道断面变形的实时监测系统,实时监测隧道的拱顶下沉和净空收敛,可为同类型隧道裂缝的处治与实时监测提供借鉴和参考。     

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。     

衬砌背后空洞影响下隧道结构裂损规律试验研究

衬砌背后空洞的存在严重影响了围岩与衬砌之间的相互作用,极易引起衬砌结构破损并直接影响到运营安全。通过模型试验,系统研究了拱顶与拱肩背后存在双空洞条件下隧道结构裂损演化过程及衬砌结构轴力和弯矩的变化规律。模型试验结果表明:(1)衬砌背后双空洞的存在,严重影响隧道结构的受力状态,易导致衬砌结构承载力不足;(2)拱顶与右拱肩背后存在双空洞条件下衬砌裂缝出现的顺序为:仰拱内表面裂缝→空洞间衬砌内表面裂缝→拱肩空洞右侧衬砌外表面裂缝→拱顶空洞左侧衬砌内表面裂缝→左拱脚衬砌外表面裂缝→右拱腰衬砌外表面裂缝;(3)空洞尺寸变化显著改变了衬砌内力分布,空洞尺寸的增加,引起两空洞间衬砌结构轴力减小而弯矩增大,使两空洞间的衬砌结构破坏程度更严重;(4)衬砌背后空洞的位置及数量对隧道结构裂损过程有较大影响,衬砌背后存在双空洞时衬砌裂缝的传播过程更复杂。研究成果可为衬砌背后多空洞影响下衬砌裂缝病害的防治和修复提供参考。     

局部破碎带渗水条件下海底隧道稳定性的有限元极限分析

 以存在局部破碎带的青黄海底公路岩质隧道为例，考虑到海水的渗透性，采用有限元极限分析法分析海底隧道岩体注浆加固前、后的稳定性。计算结果表明，隧道整体是安全的，此种情况下，隧道衬砌原则上可按无水压设计，衬砌厚度与采用全水头设计相比可以大大降低。但当存在局部破碎带时，隧道安全系数降低，破碎带越宽，注浆堵水圈厚度越小，安全系数越小。与完整围岩破裂面位于两侧相比，含倾角45°破碎带围岩的稳定性最差。因此，必须做好破碎带的超前注浆堵水加固，以减少其渗水量，并对破碎带进行局部加固，此种情况下，隧道衬砌原则上可按有水压设计。     

运营公路隧道衬砌正常使用极限状态模糊随机可靠度分析

该文基于运营公路隧道衬砌正常使用极限状态的特征,针对钢筋混凝土偏心受压构件的最大裂缝宽度极限状态开展了研究。建立了考虑衬砌结构抗力模糊性及荷载效应随机性的正常使用极限状态下模糊随机可靠度分析方法,并对某海底隧道海域Ⅲ级（Ⅳ类）围岩下衬砌结构最大裂缝宽度的可靠度进行了计算。计算结果表明：（1）在考虑结构安全重要性系数、结构的使用环境及荷载条件等因素前提下,模糊失效准则的边界应根据规范规定的允许裂缝宽度值确定;（2）某海底隧道海域Ⅳ类围岩下左洞某断面衬砌拱顶处出现最大宽度裂缝时的失效概率pf=0.194,小于50%,可以满足使用要求;（3）某海底隧道海域Ⅳ类围岩下左洞某断面衬砌拱腰处出现最大宽度裂缝时的失效概率pf=0.322,小于50%,可以满足使用要求。     

硫酸盐侵蚀环境下隧道结构力学性能演化规律试验研究

采用人工环境模拟和静力加载试验系统,对硫酸盐侵蚀环境下隧道衬砌结构混凝土的表观损伤特征、裂缝、结构变形、截面安全系数的演化规律进行了模型试验研究。结果表明:①硫酸盐侵蚀环境下隧道衬砌结构混凝土损伤表现为表面结晶、剥落等表观特征,主要发生在防水能力薄弱、密实性差以及水力梯度高的部位,结晶面积及剥落程度均随侵蚀时间的延长而增加;②荷载作用下,衬砌结构裂缝以纵向裂缝为主,首先发生在拱顶部位,并当荷载水平较高时,拱顶部位的裂缝明显多于其他部位;③裂缝宽度和结构变形随荷载水平的提高和侵蚀时间的延长表现为指数函数曲线变化规律,而截面安全系数则符合负指数函数曲线的演化机制。