软岩隧道底部结构对衬砌内力影响的试验研究

文中采用室内模型试验,对软弱围岩隧道衬砌内力受不同隧底结构影响进行了研究。考察隧道仰拱与仰拱填充采用分次浇筑和整体浇筑时的衬砌受力特征,并研究了中心水沟对衬砌结构力学特性的影响。试验表明:在软弱围岩且高应力作用下,将仰拱与仰拱填充整体施作可有效缓解或克服仰拱破坏甚至隧底隆起;仰拱与仰拱填充整体施作时,可增加软弱围岩隧道底部结构的承载能力,能有效提高隧道整体的安全性,但需对拱腰处结构采取加强对策;当施作中心水沟后,会削弱或完全消除仰拱与仰拱填充整体浇筑带来的结构补强效果,建议软弱围岩的双线隧道不采用中心水沟。     

富水黄土隧道围岩软化对结构受力影响研究

以银百高速榆林子隧道为依托工程,通过有限元软件ABAQUS温度场模块摸拟隧道施工围岩软化过程,研究了富水黄土隧道围岩在不同软化阶段和软化范围工况下,隧道围岩、初期支护、仰拱填充层的位移和应力的变化规律。结果显示：拱顶沉降和仰拱填充层隆起随软化范围的扩大而增大,而隧底隆起减小,仰拱填充层隆起在软化范围3 m时趋于稳定;围岩软化对仰拱填充层中心影响最大,而仰拱填充层拱脚处几乎不受影响;围岩软化后在初期支护拱脚位置产生最大拉应力,拱墙和拱顶应力变化不明显;塑性区以内是围岩软化的主要影响范围,需特别关注塑性区内的地下水赋存状态。     

列车振动下隧道基底合理结构型式的研究

采用弹塑性二维非线性有限元法分析了隧道及周围环境在列车振动下的响应，分析中考虑了仰拱的不同结构形式、不同曲率、不同刚度、仰拱与边墙的不同联结方式。根据分析得到的仰拱中和仰拱下部围岩中的应力分布图，评价了仰拱对列车振动反应的影响，认为列车振动下隧道基底结构较为合理的结构形式和措施为：(1)采用矢跨比较大的仰拱；(2)采用较厚的隧底填充；(3)将仰拱、隧底填充和道床用同级混凝土浇灌成为一个整体结构；(4)采用各种排水措施排除隧底以下积水，避免长期振动下引起的岩土液化；(5)采用注浆和安设锚杆加固基底围岩，以提高其强度。     

不同排水孔失效长度下岩溶隧道衬砌结构受力分析

在西南地区城市交通工程建设过程中,轨道交通隧道经常需穿越高水压富水地层。由于不同的隧道防排水设计理念对富水岩溶隧道衬砌外水压力及对隧址区生态环境和工程造成的影响差别较大,甚至可能导致衬砌结构破坏等问题。在"主动堵水,限量排放"隧道防排水设计理念下,以重庆市某轨道交通线中梁山隧道富水岩溶段为工程背景,采用FLAC3D有限差分软件分析了衬砌背后排水系统畅通性对隧道衬砌塑性区分布的影响,研究结果表明:随着排水孔失效长度的增加,二次衬砌背后的最大孔隙水压力增大,衬砌结构安全系数减小;塑性破坏区主要发生在仰拱区域,且在开挖后短时间内形成超静水孔隙水压力,引起该区段仰拱底部压力增大,可能导致隧道发生底鼓。     

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。     

拱顶土压对深埋重载铁路隧道衬砌结构动力响应影响研究

拱顶土压对深埋重载铁路隧道衬砌结构受力有重要影响,由于目前对拱顶土压认识不足,隧道衬砌结构设计存在缺陷,导致隧道衬砌结构发生病害。结合山西中南部深埋重载铁路吾沿河隧道,采用数值模拟的方法分析拱顶土压对深埋重载铁路隧道衬砌结构动力响应的影响。研究结果表明:1隧道拱顶处土压的增加会导致二次衬砌拱顶位移、最大及最小主应力水平显著增加;2隧道拱顶土压一定的情况下,列车峰值荷载对二次衬砌最大主应力影响较大,最小主应力影响较小;3隧道拱顶土压的增加对填充层主应力大小影响较小,填充层主应力大小主要受列车动荷载作用控制,对地层荷载不起主要承载作用。     

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。     

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。     

甘肃某高速公路隧道二衬裂缝成因及整治技术研究

依托甘肃某高速公路8座隧道维修工程,以专项检测数据、现场调查及维修期间揭露的情况为依据,结合各个隧道的原设计、施工、运营、检测评估情况,采用排除法对隧道二次衬砌裂缝的成因进行了深入分析,指出衬砌产生裂缝的主因是隧底仰拱缺陷,其引发衬砌不均匀沉降,致使衬砌局部混凝土受拉产生裂缝,而衬砌背后脱空和厚度不足减小了衬砌刚度,引发应力集中效应进一步恶化了衬砌受力状态。以衬砌裂缝病害的发育情况和隧道质量缺陷(衬砌厚度、仰拱厚度)二者间的相关性情况为出发点,提出了针对衬砌裂缝产生原因的处治方案,取得了良好的维修效果。     

公路隧道隧底结构水害机理研究

针对目前普遍存在的隧道路面渗漏水现象,基于多孔介质理论,通过建立隧底结构FLAC3D流固耦合数值计算模型,分析了隧底结构形式、孔隙率在交通荷载作用下的动水压力响应特征。研究结果表明:动水压力长消存在一定的规律性,负动孔隙水压力形成的泵吸作用是隧底结构水害发生的根本原因。隧底采用仰拱结构能够有效降低动水压力峰值,大幅降低负动孔隙水压力(泵吸力);无仰拱模式下,孔隙率是影响动水压力的一个重要因素,动孔隙水压力随着孔隙率的增加而增大;车辆荷载对隧底水害发生的影响较大,且超载引起的动水压力峰值最为显著,是造成公路隧底水损坏的主要荷载来源。     

无衬砌隧道压力拱的变化规律

结合衬砌与围岩的相互作用,分析无衬砌隧道开挖后压力拱的形成过程,根据隧道衬砌后应力位移的分布规律来研究衬砌施工时间对隧道压力拱的影响,得到如下结论:隧道开挖后,不进行衬砌施工,应力重新分布后顶部水平应力和侧边垂直应力增大,顶部垂直应力和侧边水平应力减小;随着时间的发展,形成的压力拱的垂直外界基本不变,垂直内界逐渐减小,水平内外界逐渐减小,压力拱拱体内最大应力均逐渐增大;隧道围岩较好时,衬砌时间选在稳定压力拱形成的时间,而围岩较差时,衬砌时间选在隧道压力拱开始形成的时间。     

抗水压隧道分类及其建设关键技术

定义"结构以抵抗外水压力为主,需要特殊考虑防排水措施" 的隧道为"抗水压隧道".以抗水压隧道为平台,按照介质类型、内水压力、用途、外水压力成因类型、水压处理方式、结构形式、防水形式、设计方法、水压作用连续形式、结构与围岩密贴程度等对抗水压隧道进行了分类.同时,提出了荷载作用机理与分配、高压水的超前地质预报、排水过程中围岩的侵蚀、高压水作用下深部节理岩体稳定、四因素体系耦合作用机理、高外水压区施工方法以及衬背外水压力长期监测等关键问题并进行了讨论,以期各部门在抗水压隧道分类的基础上,引用和借鉴彼此的经验,用于指导抗水压隧道的规划、勘察、设计和施工.     

Hydro-mechanical interaction analysis of high pressure hydraulic tunnel

The reinforced concrete lining of hydraulic tunnel cracks under high internal water pressure and the high pressure water will leak off from the crack surface, which is a typical hydro-mechanical interaction problem. Unfortunately, the analytical and numerical methods used in current engineering practice for simulating the hydro-mechanical interaction of the lining and surrounding rock do not adequately account for the effects of the cracking of lining as well as the conditional cooperation between them. When lining cracks under high internal water pressure, the tensile strain of concrete and reinforcement presents to be nonuniformity and the lining would detach from the surrounding rock in a certain condition. In this paper, the nonuniformity coefficients of reinforcement strain and concrete strain are introduced to compute the secondary permeability of cracked lining and a water-filled joint (WFJ) element is developed to simulate the conditional cooperation between the reinforced concrete lining and surrounding rock. Thus an equivalent coupling method is adopted to calculate the hydro-mechanical interaction in hydraulic tunnel. The results show that the reinforcement stress obtained by the new method and the observed data match well. The phenomenon that the reinforcement stress stays at a lower value in the reinforced concrete tunnel with high internal water pressure is verified.     

高压富水区限排隧道围岩与衬砌水压力场研究

以穿越重庆市中梁山高水压岩溶区的石板隧道为例,采用有限元稳态渗流分析方法,对地下水控制排放下隧道衬砌周围与围岩内的水压力场进行了研究,分析了半包防水与全包防水条件下衬砌上的水压力分布规律,以及全包防水条件下注浆与否围岩内的孔隙水压力特征。研究表明:(1)采用全包防水,不但可以改善隧道的防水条件,而且可以缓解仰拱的水压力,这对于隧道衬砌的耐久性是有利的;(2)隧道排水率对隧道衬砌周围的水压力有显著影响,当地下水较丰富时,注浆可使隧道排水率增加、衬砌压力减小;(3)围岩注浆可以减小隧道排水对围岩水压力的影响范围,且孔隙水压力在注浆圈范围内变化梯度很大。     

天马山隧道洞口二衬墙面渗漏水治理浅谈

天马山隧道为三车道长大隧道,其中洞口为破碎岩层浅埋段,岩层内富含裂隙水,水压较大,同时地表水可通过围岩裂隙直接渗透到隧道,因此在降雨后隧道二衬墙面（特别是边墙）出现比较严重渗漏水现象。本文通过治理天马山隧道洞口二衬墙面渗漏水的经验,分析和介绍“水大夫PU灌浆止漏胶（亲水型）”在天马山隧道治理渗漏水中的成功运用,为今后隧道处理渗漏水提供了一种新的方法。     

Mechanisms of large deformation in soft rock tunnels: a case study of Huangjiazhai Tunnel

Typical large-deformation phenomena of soft rock occurred frequently during the tunneling process in Huangjiazhai Tunnel, Hubei Province, China, including extrusion at the tunnel wall and severe damage of the primary support and secondary lining. To reveal the mechanisms of these anomalies, comprehensive investigations have been undertaken combining engineering, laboratory, and microscopic analyses. Since the monitoring results show that there might be a close relationship between the large deformation phenomena and water infiltration into the tunnel, the water–rock interaction is the research focus in the investigations. The experimental results reveal that the deforming resistance and strength of shales exposed at the excavation face weaken quickly in the first 20 days after the shales have contact with water. The results obtained by mineral composition detection and microstructure observation illustrate the microscopic reasons for the decreasing strength and deforming resistance of the tunnel surrounding rock after water infiltration. The results from in situ geostress tests indicate that as a result of high tectonic stress and low rock strength, the field of Huangjiazhai Tunnel is an extremely high geostress area. By combining analyses from the mechanical and geological perspectives, there are two main reasons for the large deformations in the Huangjiazhai Tunnel: the plastic flow caused by tunnel excavation under high geostress and low rock strength and a hydrated-mechanical coupling process between the shales and water.

     

层状复合地层条件下管片衬砌结构力学特征模型试验研究

针对武汉长江隧道承受高水压和局部区段穿越软硬程度差异极大的层状复合地层的特点,采用盾构隧道–地层复合体模拟试验系统和旋转式水压装置共同作用,完成了在不同水土压力场作用下对层状复合地层和单一地层两种不同地层条件下的管片衬砌结构力学特征相似模型试验,并根据试验结果分析了层状复合地层对盾构隧道管片衬砌结构的力学特征的影响。研究表明,随着水压力加大,管片衬砌结构的平均轴力明显增大而最大正负弯矩略有增长或基本不变;处于坚硬岩层包围区域的管片体结构局部弯矩明显减小;小范围的硬岩层对管片衬砌结构整环最大内力影响不大。该研究为武汉长江隧道的管片衬砌结构设计提供有价值的参考。     

城门洞型压力隧洞衬砌限裂配筋设计方法研究

以城门洞型无压隧洞改建为引水发电隧洞的限裂配筋设计方法为研究对象,综合分析衬砌开裂前后围岩–衬砌混凝土–钢筋的联合作用,建立起二维(平面应变问题)非线性有限元数值仿真分析模型,经分析得到运行期内水压力工况下衬砌中钢筋应力、衬砌混凝土拉应力、衬砌裂缝、裂缝宽度的分布规律、衬砌配筋设计结果,以及检修期外水压力工况下衬砌混凝土裂缝处的应力集中现象和衬砌配筋的验算结果。提出的衬砌限裂配筋设计方法较以往的方法考虑更多影响配筋结果的因素,使结果更符合水工压力隧洞的实际工况,对同类工程设计具有指导意义。