高速公路隧道衬砌补强对策的数值模拟研究

摘要

伴随着在我国运输需求的相应增长，我国的公路交通运输在近期呈现了相应迅速的发展，但由于公路线形技术指标相对较高，当进入丘陵等地形的时候，利用隧道穿越丘陵和山脊就成为不可避免的一种方式，所以隧道加固的意义日渐凸显。W钢带加固隧道衬砌是一种相对新型的隧道加固方式，它具有操作简单，加固效果稳定等的优点。 本文通过研读与高速公路衬砌补强对策相关的文献，并结合河南三淅高速（灵卢段）桥隧专项加固工程的施工实例，依据河南三淅高速（灵卢段）桥隧专项加固工程中的寺河山隧道的具体参数，创建了利用W钢带来加固隧道衬砌的有限元模型。利用此模型进行了W钢带加固隧道衬砌的模拟并分析出在不同隧道病害下W钢带对隧道衬砌的加固效果，最后基于模拟结果，给出了河南三淅高速（灵卢段）寺河山隧道W钢带的综合加固效果，并且对此加固效果进行评价。 主要工作内容包括以下几个方面 （1）基于ABAQUS软件引入寺河山隧道的普通工况模型即隧道处于无病害状态的模型，和对普通工况进行W钢带加固之后的计算模型。通过软件计算，得出普通工况在W钢带加固之下隧道在竖向位移、拉伸损伤、压缩损伤方面的结果。同时通过更改模型的围岩和初衬参数对普通工况进行参数的敏感性分析。 （2）通过软件建立隧道处于衬砌背后空洞病害影响下的模型，分为拱顶空洞、拱腰空洞、边墙空洞三种工况，同时每个工况设置20.64°和41.28°大小两个空洞，探讨了同样空洞位置，不同空洞大小对隧道稳定性的影响。并且对每个工况进行了W钢带加固处治，探究该种加固处治方法对隧道在竖向位移、拉伸损伤和压缩损伤的加固效果。与前文普通工况形成对比。 （3）建立隧道处于25°和35°地形偏压影响下的模型。并且对两个工况进行W钢带加固处治，研究了W钢带对处于地形偏压影响下的隧道在竖向位移、拉伸损伤、压缩损伤方面的提高效果。同时通过改变模型的围岩和衬砌参数对处于地形偏压影响下隧道进行参数敏感性分析。 模拟结果表明： 在进行W钢带加固处治之后，隧道的整体承载力得到加强。从竖向位移云图和损伤云图中可以看出，整体的竖向位移变小，之前出现的拉伸裂缝的区域在进行W钢带加固之后，裂缝区域消失或者变小；之前出现的压碎裂缝的区域在进行W钢带加固之后，裂缝区域基本变小。 裂缝区域W钢带对普通工况隧道整体的承载力提高达到41.28%左右；对存在拱顶空洞病害的隧道整体承载力提高40.31%到68.94%之间；对存在拱腰空洞病害的隧道整体承载力提高40.1%到43.27%之间；对存在边墙空洞病害的隧道整体承载力提高27.55%到43.25%之间；对处于25°偏压隧道的整体承载力提高45.13%左右；对处于35°偏压隧道的整体承载力提高46.69%左右。与文章前面的理论结果W钢带能提高隧道承载力52%左右相吻合。 在对隧道衬砌背后空洞工况的研究中，由于隧道空洞越大，衬砌的竖向位移越小。这是因为在软件计算中，衬砌背后空洞越大导致衬砌所受围岩压力越小。但是考虑到空洞越大，空洞位置掉落石块会对衬砌造成冲击荷载，并且隧道衬砌背后的空洞成为隧道的一个蓄水空间，对隧道衬砌的渗水等的影响很大，所以空洞越大对隧道的整体稳定性的危害也越大。

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