衬砌背后空洞对隧道结构体系安全性的影响机理研究

摘要

衬砌背后空洞是一种常见的隧道施工质量缺陷。衬砌与围岩密贴时，围岩与衬砌结构之间受力良好，而衬砌背后存在空洞时恶化了围岩与支护之间的相互作用关系，给隧道结构带来不良影响。论文采用文献查阅、现场检测和监测、理论推导、数值分析和室内模型试验相结合的技术手段对隧道衬砌背后空洞对衬砌结构的致害机理以及空洞存在下衬砌结构安全性计算模型进行研究，主要研究成果如下:
　　(1)公路隧道与铁路隧道的质量缺陷和病害的分布特征和变化规律是基本一致的，衬砌背后空洞与衬砌裂缝之间存在较高的对应关系。通过分析21座公路隧道和100余座铁路运营隧道的检测数据，系统总结隧道常见的质量缺陷（如衬砌厚度不足、衬砌背后空洞）和病害（如衬砌碳化腐蚀、衬砌裂缝）的一般规律，尤其是衬砌背后空洞和衬砌裂缝的分布特征，反映出两者存在一定的内在联系。
　　(2)衬砌背后空洞的存在改变了隧道结构（围岩结构和支护结构）的围岩支护作用关系，空洞两侧出现的应力重分布是空洞影响衬砌结构受力的力学机理。通过室内模型试验和数值计算，得出了应力重分布的特征与规律:①衬砌背后空洞的出现引起作用于衬砌结构上围岩压力荷载的重分布，在空洞两侧临近范围内出现了明显的应力集中，在远离空洞的区域无明显变化;②单个空洞条件下，空洞临近范围围岩压力荷载重分布呈“单峰型”;空洞组合条件下，未出现应力叠加时，围岩压力分布仍是“单峰型”，当出现应力叠加后，空洞间的围岩压力随空洞尺寸的增加先出现“驼峰型”，后变成“单峰型”。
　　(3)衬砌背后出现的空洞与衬砌结构的裂缝或开裂是高度关联的，空洞的位置、尺寸和组合等因素会影响裂缝的特征和演化规律。基于有限元计算软件研究二维状态下衬砌背后空洞对隧道结构的作用机理进行研究，分析尺寸、位置以及空间关系组合状态下衬砌背后空洞对隧道衬砌结构受力和变形的影响规律;基于扩展有限元(XFEM)对不同空洞条件下的隧道衬砌结构裂缝的演化规律进行了研究，主要研究隧道衬砌结构背后空洞和裂缝产生位置的分布规律以及隧道衬砌结构裂缝的发展演化规律。
　　(4)空洞存在下衬砌结构安全性的计算应该考虑应力重分布的影响，采用荷载结构模型时应对荷载模式进行修正。采用荷载结构模型计算衬砌结构安全性时的荷载确定是关键，基于规范荷载取值的基础上，通过模型试验和理论分析提炼出空洞存在下作用于衬砌结构上的围岩压力荷载模式，对空洞存在下的荷载结构模型进行修正，建立了修正后的荷载结构模型，并通过算例分析了不同模型的计算结果，验证了修正后的荷载结构模型实用性和有效性。
　　(5)将本论文研究的成果在一隧道整治项目中进行应用，验证了理论和方法的有效性。依托桑洲岭隧道病害整治工程，通过数值计算和现场监测的手段对衬砌背后空洞治理前后的隧道结构受力特性的变化进行了分析，研究了空洞与隧道结构受力及裂缝变化关系，验证了本文建立的修正后的空洞条件下荷载结构计算模型的有效性，研究成果可为国内外类似工程提供借鉴。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 空洞分布特征的研究现状

1．2．2 空洞对衬砌结构安全性影响的研究现状

1．2．3 空洞对衬砌结构作用机理的研究现状

1．2．4 衬砌结构裂缝的研究现状

1．3 研究中存在的主要问题

1．4 论文的主要研究内容

1．5 论文研究思路和技术路线

1．6 论文研究的主要方法

2 隧道结构常见质量缺陷及病害现场调查研究

2．1 隧道衬砌结构现场检测方法概述

2．1．1 衬砌混凝土强度和碳化深度检测方法及注意事项

2．1．2 衬砌厚度及背后空洞检测方法

2．1．3 衬砌裂缝检测方法

2．2 运营公路隧道检测数据统计分析

2．2．1 宁波市国省道隧道工程概况

2．2．2 宁波市国省道公路隧道检测数据分析

2．3 运营公路隧道与铁路隧道质量缺陷及病害对比分析

2．3．1 衬砌厚度检测结果对比分析

2．3．2 衬砌背后空洞检测结果对比分析

2．4 小结

3 空洞诱发的围岩压力荷载重分布研究

3．1 室内模型试验

3．1．1 试验目的

3．1．2 试验仪器和设备

3．1．3 模型试验设计

3．1．4 结果分析

3．2 数值分析

3．2．1 计算目的

3．2．2 计算方案

3．2．3 计算说明

3．2．4 计算参数及计算工况

3．2．5 计算结果分析

3．3 小结

4 空洞对衬砌结构作用机理研究

4．1 衬砌结构的变形特性研究

4．2 衬砌结构的内力及安全性分析

4．2．1 衬砌结构的内力分析

4．2．2 衬砌结构安全系数分析

4．3 空洞存在条件下隧道衬砌裂缝分布与演化规律研究

4．3．1 扩展有限元(XFEM)的基本思想及公式

4．3．2 基于扩展有限元的隧道衬砌结构裂缝演化规律分析

4．4 小结

5 空洞存在下荷载结构模型的修正方法研究

5．1 围岩弹性抗力计算

5．1．1 温度作用下的围岩被动抗力

5．2 空洞存在下荷载结构模型的修正方法研究

5．2．1 荷载结构模型中荷载的取值

5．2．2 衬砌背后空洞存在下荷载结构模型的修正

5．3 小结

6 工程应用

6．1 工程概况

6．1．1 隧道病害概况

6．1．2 治理方案

6．2 空洞治理前后衬砌结构受力计算

6．2．1 计算参数选取

6．2．2 基于修正的荷载-结构模型的衬砌受力分析

6．2．3 基于地层-结构模型的衬砌受力分析

6．3 空洞治理前后衬砌裂缝监测分析

6．3．1 监测方案

6．3．2 监测结果分析

6．3 小结

7 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 主要创新点

7．3 展望

参考文献

作者简历

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