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衬砌背后空洞对隧道结构体系安全性的影响机理研究

应国刚  
【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。


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