倾斜岩层中隧道衬砌裂缝产生机理及其稳定性研究

摘要

倾斜层状岩层中隧道衬砌裂缝的产生机理及其稳定性是目前隧道工程建设中的难点和热点问题之一。由于运营年限、地质条件、气候条件、设计、施工及造价、维修管理等方而的原因，致使具有开裂、渗漏水等病害的隧道数量越来越多。其中，又以开裂最为严重，它直接影响隧道的运营安全和衬砌结构耐久性，必须对其产生机理进行深入分析，以便采取相应的措施进行治理。 本文对渝怀线沙坝隧道衬砌开裂调查结果进行了汇总分析；对隧道衬砌结构的受力进行了深入研究，求出了隧道衬砌结构极限压力的解析解；计算了围岩压力作用下衬砌的裂纹宽度及产生部位，并运用I型 Griffith 裂纹计算理论判断了裂缝对衬砌结构稳定性的影响；选取典型的隧道断面建立了隧道结构的受力模型，进行数值模拟分析，并将模拟分析结果与解析解进行对比；根据解析解计算和数值模拟分析结果，针对衬砌裂缝开展程度的不同提出相应的治理措施。通过研究得到如下结论： (1)沙坝隧道处于倾斜层状岩层中，地质条件复杂，其衬砌结构受倾斜层状岩层的偏压直接影响，岩层的偏压导致裂纹产生； (2)在含软弱结构面的倾斜岩层中围岩往往沿节理面产生滑动，对倾斜层状岩层中隧道衬砌结构在极限状态下的围岩压力的研究表明：衬砌结构边墙承受着很大的弯矩，尤其是沿线路方向的左侧边墙，这造成左侧边墙裂纹情况更加严重； (3)运用断裂理论对带裂纹的衬砌结构的稳定性进行了分析，结果表明：沙坝隧道衬砌在裂纹不再继续扩展的前提下是稳定的； (4)通过对隧道进行三维弹塑性数值模拟，对各断面的应力、位移变化规律进行了深入的分析，分析表明：沙坝隧道衬砌裂纹的产生主要因岩层沿节理面下滑挤压衬砌造成的； (5)针对裂纹宽度及稳定性的不同，采取不同的治理措施。常常是多种方法共同结合使用，或者在一个隧道中结合不同地段的不同情况用不同的方法，以达到稳定围岩，加固衬砌，确保运营安全的目的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1问题的提出

1.2本文研究内容的国内外研究现状综述

1.3本文的研究内容和思路

1.3.1项目的背景

1.3.2本文的研究内容

第二章沙坝隧道衬砌裂纹情况调查

2.1 工程地质情况

2.1.1地层岩性

2.1.2地质构造

2.1.3水文地质

2.2隧道设计与施工

2.3隧道衬砌裂纹分布

2.4隧道衬砌开裂原因的初步分析

2.4.1地质条件对衬砌裂纹的影响

2.4.2地下水的影响

2.4.3施工工艺的影响

2.4.4其他原因

2.5本章小结

第三章倾斜岩层中隧道衬砌极限荷载分析

3.1隧道衬砌上的极限围岩压力

3.1.1非均质岩体强度

3.1.2倾斜层状岩层中隧道极限围岩压力

3.2衬砌结构内力计算方法

3.2.1计算模型

3.2.2拱圈衬砌内力

3.2.3边墙内力及变形

3.3沙坝隧道衬砌结构内力

3.3.1计算断面的选择

3.3.2荷载的确定

3.3.3隧道衬砌围岩压力的计算

3.3.4隧道衬砌结构内力

3.3.5衬砌结构内力图

3.4本章小结

第四章沙坝隧道衬砌开裂情况及其稳定性分析

4.1混凝土裂缝形成机理研究

4.1.1粘结—滑移法

4.1.2无滑移法

4.1.3综合分析

4.1.4缝宽度计算

4.2沙坝隧道衬砌裂纹开展情况分析

4.3断裂理论分析开裂衬砌的稳定性

4.3.1混凝土断裂理论

4.3.2受拉伸的Griffith裂纹

4.3.3沙坝隧道衬砌裂纹稳定性分析

4.4本章小结

第五章倾斜岩层中隧道受力的三维数值模拟

5.1岩土材料的弹塑性分析

5.1.1岩土材料的基本力学特性

5.1.2屈服准则

5.1.3流动法则

5.2 FLAC3D的计算原理

5.3 FLAC3D中的本构模型

5.3.1 Monr-Coulomb模型

5.3.2节理化模型

5.4沙坝隧道受力三维数值模拟分析

5.4.1计算范围的选取

5.4.2计算参数的选取

5.4.3计算模型及边界条件

5.4.5断面1计算结果分析

5.4.6断面2计算结果分析

5.5本章小结

第六章隧道衬砌裂纹的治理措施

6.1衬砌裂纹的治理原则

6.2加固围岩的治理措施

6.2.1锚固注浆法

6.2.2深孔压浆法

6.2.3支挡加固和治水稳固围岩

6.3加固衬砌的治理措施

6.3.1喷锚加固裂损衬砌

6.3.2嵌补衬砌裂纹

6.3.3钢筋混凝土套拱

6.3.4拆除重建法

6.3.5隧道底部加固

6.3.6增设仰拱

6.4沙坝隧道裂纹治理措施

6.5本章小结

第七章结论与展望

7.1全文结论

7.2发展与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文和科研工作情况