隧道空洞缺陷对衬砌结构的影响及其裂损规律研究

摘要

近年来我国隧道与地下工程建设迅猛发展，受制于诸多不利因素的影响，相当比例的已建或运营隧道存在隧道空洞质量缺陷。隧道空洞缺陷具有隐蔽性特点，它不直接构成衬砌结构的病害实体，但其间接导致衬砌结构发生其他病变，潜在的危害性巨大。因此研究隧道空洞缺陷下衬砌结构的病变对于明晰隧道空洞的致灾机制具有重大的现实意义。有鉴于此，在总结分析前人研究成果的基础上综合运用调查研究、理论分析和数值模拟计算等研究方法，做了以下研究工作:
　　(1)系统的研究分析了隧道空洞的成因与危害，从“围岩—支护”相互作用关系的角度揭示了隧道空洞引发结构坍塌的机理。
　　(2)研究了在自重地应力场与水平地应力场中隧道拱顶空洞横向与竖向尺寸参数对衬砌结构内力的影响规律，并对比分析了两参数对衬砌结构内力影响的强弱。研究认为:1）在两种形式的地应力场中拱顶空洞及其毗邻区域内衬砌结构的弯矩值随着隧道拱顶空洞横向尺寸或竖向尺寸的增大而呈线性增加的趋势;2）两种形式的地应力场中隧道拱顶空洞横向尺寸对衬砌结构内力的影响强于隧道拱顶空洞竖向尺寸对衬砌结构内力的影响。
　　(3)基于“地层—结构”模型，采用模拟材料断裂的新理论—扩展有限单元法(XFEM)研究了自重地应力场与水平地应力场中隧道衬砌背后不同位置存在单一空洞与组合空洞时衬砌结构的裂缝分布规律与隧道结构的破损状况。研究认为1）在自重地应力场中衬砌结构在隧道空洞影响下易发生开裂破坏而不易发生压溃破坏;2）在水平地应力场中衬砌结构在隧道空洞影响下开裂破坏与压溃破坏相伴发生;3）在不同形式的地应力场中隧道空洞对衬砌结构的破坏强度不同，隧道空洞在水平地应力场中对衬砌结构的潜在破坏力更强。
　　(4)通过分析研究认为隧道空洞的致灾机理大致经历以下三个阶段:1）初期阶段—空洞的萌发及结构外挤变形;2）中期阶段—隧道结构变形裂损;3）后期阶段—结构裂缝延伸扩展。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．2 国内外研究进展

1．2．1 隧道结构计算理论

1．2．2 隧道空洞特性及分布规律研究

1．2．3 隧道空洞对衬砌结构影响的研究

1．2．4 扩展有限元法研究现状

1．3 论文的主要研究内容及创新性

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 论文研究思路及技术路线

2 隧道衬砌背后空洞成因及危害分析

2．1 隧道衬砌背后空洞的规律特点

2．2 隧道衬砌背后空洞成因分析

2．3 隧道衬砌背后空洞的危害

2．3．2 引发隧道结构病变

2．3．3 导致其他病害

2．4 空洞引发隧道坍塌机制分析

2．5 小结

3 隧道衬砌背后空洞对衬砌结构内力的影响

3．1 隧道衬砌背后空洞数值计算模型

3．1．1 地层结构模型计算范围的选取

3．1．2 岩土本构模型

3．1．3 隧道开挖与支护数值模拟方法

3．1．4 隧道衬砌背后空洞数值模拟

3．2 拱顶空洞对隧道结构内力的影响

3．2．1 自重地应力场中拱顶空洞对隧道结构内力的影响

3．2．2 水平地应力场中拱顶空洞对隧道结构内力的影响

3．3 小结

4 单一空洞下隧道结构的破损规律分析

4．1 扩展有限单元法(XFEM)理论概述

4．2 拱顶空洞下隧道结构破损分析

4．2．1 自重地应力场拱顶空洞下隧道结构破损分析

4．2．2 水平地应力场拱顶空洞下隧道结构破损分析

4．2．3 小结

4．3 拱腰空洞下隧道结构破损分析

4．3．1 自重地应力场右拱腰空洞下隧道结构破损分析

4．3．2 水平地应力场右拱腰空洞下隧道结构破损分析

4．3．3 小结

第五章 组合空洞下隧道结构的破损分析

5．1 拱顶和右拱腰双组合空洞下隧道结构破损分析

5．1．1 自重地应力场拱顶与右拱腰组合空洞下隧道结构破损分析

5．1．2 水平地应力场拱顶和右拱腰组合空洞下隧道结构破损分析

5．1．3 小结

5．2 左拱腰和右拱腰双组合空洞下隧道结构破损分析

5．2．1 自重地应力场左拱腰与右拱腰组合空洞下隧道结构破损分析

5．2．2 水平地应力场左拱腰与右拱腰组合空洞下隧道结构破损分析

5．2．3 小结

5．3 拱顶和拱腰三组合空洞下隧道结构破损分析

5．3．1 自重地应力场三组合空洞下隧道结构破损分析

5．3．2 水平地应力场三组合空洞下隧道结构破损分析

5．3．3 小结

6．1 主要结论

6．2 隧道空洞致灾机制

参考文献

作者简历及攻读硕士／博士学位期间取得的研究成果

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