隧道衬砌渗漏水病害模型试验系统的研制及应用

随着我国隧道通车里程与运营时间的不断增长,越来越多的隧道进入病害高发期,地下水是导致隧道病害最为严重的因素之一,容易诱发衬砌发生渗漏水等病害,为研究隧道衬砌渗漏水病害发生机理,本文研制了三维地质力学模型试验系统,开展了不同埋深条件下隧道衬砌渗漏水病害模型试验研究。该系统由可拓展模型试验台架、地应力模拟加载装置、地下水模拟加载装置、多场信息实时监测装置和衬砌渗漏水实时量测装置等组成,利用油压千斤顶和多功能加载水泵,采用分级加载方式可对隧道不同埋深进行模拟。将该系统应用于隧道衬砌渗漏水模型试验研究,通过对渗漏水量、渗压和位移等信息进行分析,揭示了不同埋深条件下穿越交叉断层隧道衬砌渗漏水病害的演化规律,并对堵排结合治理方案进行了初步研究,验证了排水对降低衬砌渗漏水量的积极作用,试验结果与运营期开元隧道衬砌渗漏水病害工程实例吻合良好,证明该系统稳定可靠,其研究方法及结果可为相关工程提供一定的参考。     

隧道衬砌渗漏水病害模型试验系统的研制及应用

随着我国隧道通车里程与运营时间的不断增长,越来越多的隧道进入病害高发期,地下水是导致隧道病害最为严重的因素之一,容易诱发衬砌发生渗漏水等病害,为研究隧道衬砌渗漏水病害发生机理,本文研制了三维地质力学模型试验系统,开展了不同埋深条件下隧道衬砌渗漏水病害模型试验研究。该系统由可拓展模型试验台架、地应力模拟加载装置、地下水模拟加载装置、多场信息实时监测装置和衬砌渗漏水实时量测装置等组成,利用油压千斤顶和多功能加载水泵,采用分级加载方式可对隧道不同埋深进行模拟。将该系统应用于隧道衬砌渗漏水模型试验研究,通过对渗漏水量、渗压和位移等信息进行分析,揭示了不同埋深条件下穿越交叉断层隧道衬砌渗漏水病害的演化规律,并对堵排结合治理方案进行了初步研究,验证了排水对降低衬砌渗漏水量的积极作用,试验结果与运营期开元隧道衬砌渗漏水病害工程实例吻合良好,证明该系统稳定可靠,其研究方法及结果可为相关工程提供一定的参考。     

钢纤维混凝土隧道衬砌力学行为模型试验研究

文章通过相似模型试验,研究了钢纤维混凝土材料应用于隧道支护结构的力学行为。试验通过千斤顶逐级加载的方式,得到支护结构整个力学行为过程中与围岩之间的接触压力、变形发展规律及其裂后承载能力。通过与传统素混凝土支护结构相比,钢纤维混凝土具有良好的承载和变形能力,是一种理想的柔性支护材料。     

一种隧道衬砌冻胀变形特征模型试验方法

为研究寒区隧道衬砌结构在冻胀作用下的变形特征, 设计了一种室内模型试验, 根据在建的巴郎山隧道洞口段围岩及衬砌结构特征制作出隧道模型, 利用制冷设备在模型隧道洞腔内制造出与现场相同的低温环境使模型中的地下水降温冻结, 分析衬砌结构在冻胀力作用下的变形特征。试验结果表明, 隧道模型在低温环境作用5d后即达到满足地下水冻结的温度条件, 衬砌在冻胀作用下产生变形, 其中边墙和拱顶处衬砌产生的应变较大, 最大应变为122, 仰拱和墙脚处衬砌应变较小, 最小应变为25。     

高水压大断面盾构隧道管片衬砌结构静力学行为模型试验研究

以武汉长江隧道工程为背景,采用盾构隧道-地层复合体模拟试验系统和旋转式水压装置共同作用,完成了在不同水土压力场作用下的管片衬砌结构力学特征相似模型试验,最后对盾构隧道管片衬砌结构的静力学行为特征的试验结果进行了重点分析。分析表明,9等分块力学性能优于9+1分块;宜将错缝180°的错缝拼装方式作为武汉工程首选拼装方案;对于大幅宽管片,幅宽中央受环间螺栓剪力影响较小,而幅宽边缘则较大。     

穿越断层隧道振动台模型试验研究

以西藏某复杂隧道工程为背景,开展了穿越断层隧道振动台模型试验研究。从试验模型相似比、模型箱设计和边界处理、模型制作、测点布置及地震波加载等方面,详细地介绍了试验方案。试验重点观察在地震作用下穿越断层隧道动力响应规律及特征。试验结果分析表明,穿越断层隧道和均质围岩隧道地震动力响应规律有相似之处,随着地震波的向上传播,岩土体地震响应增大;断层处衬砌破坏严重;断层对地震波在岩土体内的传播有一定影响。     

隧道斜交穿越地裂缝的模型试验研究

西安地区由北向南间隔分布有十多条近东西走向的地裂缝,建设中的多条地铁线路与地裂缝呈斜交状态。为了揭示地铁隧道斜交穿越地裂缝时受地裂缝活动而产生的力学性状变化,采用50:1几何相似比尺的物理模型试验仪,在合理模拟围岩地层、衬砌结构、应力条件、地裂缝与洞轴线交角及其错动位移基础上,开展了斜交地裂缝活动条件下隧道衬砌结构与围岩相互作用的物理模型试验研究,并与正交地裂缝活动下的测试结果进行了对比分析。表明斜交地裂缝活动对地铁隧道的影响范围更大,各变形缝均有明显的沉降差发展;邻近斜交地裂缝的衬砌结构易处于“悬臂梁”受力状态,衬砌结构不均匀沉降使其产生旋转位移,围岩土压力变化使衬砌结构内力产生显著变化;随着地裂缝错动位移的发展,上盘内拱顶和下盘拱顶、拱底出现围岩作用的加强,而上盘拱底出现围岩作用的松弛。与隧道正交穿越地裂缝的情况比较,斜交穿越地裂缝时围岩土压力和衬砌结构内力变化更大,易出现拉裂破坏。     

隧道复合式衬砌初期支护极限状态模型试验研究

当前既有以及新建的隧道结构大多采用复合式衬砌形式,在长期使用过程中,初期支护不可避免会出现劣化甚至失效的情况,会对隧道结构整体的承载力及耐久性造成影响。通过室内模型试验,采用可劣化的石膏模型制作初期支护的各构件,对其劣化失效过程进行模拟,记录二衬结构的状态变化,再通过增加荷载确定隧道结构整体承载力的变化情况。试验结果显示,钢架和喷射混凝土层的劣化对二衬结构的影响要比锚杆劣化的影响大得多,然而单纯的初期支护失效并不会造成二衬结构的破坏,且二衬结构还有较大的安全余度;初期支护构件劣化都会造成隧道结构整体承载力的降低,锚杆的影响最为明显,钢架及喷射混凝土失效对整体承载力降低影响不大。     

隧道衬砌空洞探地雷达三维探测模型试验研究

从理论上论证了探地雷达探测时模型边界对数据采集的影响,并以此为依据设计了隧道衬砌内空洞的物理模型,对模型进行了三维探测,实现了探地雷达三维探测数据的可视化;分析了方形空洞在不同显示剖面上的图谱特征,在分析CL4多小波理论的基础上,探讨了多小波预处理的必要性及对CL4多小波进行了平衡化处理,运用Matlab编程实现了CL4平衡多小波阈值滤波算法,并与传统的基于傅立叶变换基础上的滤波效果进行比较。试验和滤波对比结果表明,三维探测能确定空洞大小、形态和位置,更加全面而细致地了解空洞的准确信息,提高雷达探测图谱解释的可靠性和准确性,并可根据缺陷的分布位置及大小评估衬砌内空洞病害的危害程度。常规滤波和CL4平衡多小波滤波均可清晰地分辨出异常目标,但经多小波变换后目标特征得到了加强,同相轴更加清晰,噪声去除更彻底,信号保留更完整,图像变得更“干净”。三维探测的实现为隧道衬砌检测自动识别技术提供了可靠的理论依据和方法,对隧道质量检测工程及质量司法鉴定具有重要的意义     

隧道工程结构模型试验系统研究综述与展望

近几年隧道工程向长大深、多场多相耦合方向发展,隧道在施工和运营时极易诱发结构失稳病害。针对山岭隧道、水下隧道和城市地铁隧道阐述隧道工程结构模型试验系统设计的研究现状,并指出目前存在的相关问题。结果表明：山岭隧道模型试验考虑了隧道穿越不良地质体,承受高地应力、高岩溶水压力和高地震动等荷载条件,但受装置尺寸限制,无法模拟围岩高地应力水平。山岭隧道模型试验以平面应变模型为主,缺乏大型真三维应力条件下多种错动形式的活化错动断层的模拟。水下隧道模型试验已实现稳定的高水压力加载,但仍无法实现应力场与渗流场耦合的真三维水下环境模拟且试验箱可视性较差,仅能通过洞口涌水量表征隧道的渗透水状态,无法得到围岩内部变形规律。城市地铁隧道运营时一般受列车动荷载、路面荷载、邻近施工扰动的共同影响,目前模型试验通常考虑单一荷载下隧道的振动响应,且往往忽视了管片接缝和裂隙等结构特征,需要设计新颖、高效的局部加载装置,得到管片薄弱环节的极限变形特征,保障地铁运营安全。最后,总结隧道工程模型试验遇到的瓶颈问题,提出需要研制透明相似材料改善模型内部可视化功能,针对高地应力条件下不良地质条件研制尺寸可拓展的三维静动耦合加载模...     

考虑接头力学特性的盾构隧道衬砌结构计算方法研究

基于盾构隧道衬砌结构接头的构造特征,建立了接头的力学模型,将接头位置管片间的相互作用离散为一系列由剪切弹簧和法向弹簧组成的组合弹簧,根据得到的节点弹簧应力或法向位移在计算过程中动态调整弹簧刚度参数,将接头模型应用到衬砌结构计算中。该方法可以综合考虑衬砌结构的横向和纵向结构性能,计算管片和接头的内力与变形以及接缝的张开量。采用上海长江隧道衬砌结构整环试验结果对计算模型进行了验证,结果表明该模型能比较合理地模拟衬砌结构的变形特性。     

深埋岩溶隧道限量排放条件下衬砌外水压力研究

针对深埋岩溶隧道衬砌外水压力展开研究,根据隧道排水量和衬砌水压力模型的理论推导,结合试验进行分析。结果表明,衬砌上水压在采取排水措施后随排水量的增加而减小;但是当注浆材料渗透系数降低到1.65×10-6 m/s、注浆厚度到55 cm后,衬砌上水压随注浆范围的增大变化已经不太明显,说明注浆半径的选取有一个合理范围。注浆圈可以起到控制排水的作用,当给定了隧道某一段的合理排放量以后,就可以确定注浆的范围和注浆水平。      

盾构隧道衬砌CAD软件的设计及应用

基于荷载-结构法并采用面向对象的设计方法,介绍了盾构隧道衬砌计算机辅助设计（GeoFBA）软件编制的理论依据、软件的适用范围及特点。软件考虑了各种可能的线性和非线性模式以及规范验算方法,实现了计算的图形化输入,适用于管片通缝和错逢拼装计算。该软件已经得到了广泛的应用,为工程设计人员和科研人员提供了有力的工具,极大地提高了设计人员的生产效率。     

Analytical model for the beam action of a tunnel lining during construction

Measurements on a 14.5‐m diameter bored tunnel have shown that the mechanised assembly of a segmented tunnel lining results in a permanent longitudinal bending moment in the tunnel lining. An analytical model for the beam action of the tunnel lining during the construction phase of bored tunnels is presented. The model incorporates many of the essentials in staged beam construction. It takes into account the influence of forces from the TBM, the loading of the tunnel lining by the grout in the liquid phase, and linear elastic properties of the tunnel lining and soil. Calculations are compared with measurements at the Groene Hart Tunnel (GHT), 20 km south of Amsterdam: the bending moment curve and vertical inclination of tunnel lining segments were compared. The measured bending moment curve is well reproduced. The measured vertical inclination of the lining segments is found to be governed by the beam action of the tunnel lining plus the influence of shear force in the lining. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

外水压下隧道衬砌的力学响应及结构对策研究

随着控制排放的隧道防排水技术的广泛应用,外水压力作用下隧道衬砌的一些设计技术问题也愈发突出。基于对外水压力下隧道衬砌的力学响应分析,以龙潭隧道和白云隧道为依托,通过数值仿真,研究了公路隧道抗水压衬砌的结构优化对策。研究结果表明：由于外水压力的作用,衬砌的边墙、仰拱隅角和仰拱处存在明显的应（内）力集中和突变现象,安全度大大降低;通过引入下半断面矢跨比的新概念,从技术和经济的双重角度,指出增大该指标是抗水压衬砌结构优化的首要对策;可依次或组合采用通过增大仰拱隅角处半径、减小仰拱处半径、增大仰拱拱圈厚度、增大衬砌全断面厚度等措施来作为抗水压衬砌的结构优化对策。     

隧道单层衬砌设计方法研究及应用

目前,在单层衬砌设计中应用较为广泛的是基于挪威法的Q系统支护设计法,但该方法涉及的参数有6个,在施工前及施工过程中测试这些参数经验性较强,准确性不高,而且费用较高;将Q法直接移植到中国的单层衬砌设计困难较大,不适合中国国情。在此背景下,提出以屈服接近度和围岩松动圈支护理论为基础的单层衬砌设计原则和方法,并结合合武铁路大别山隧道2号斜井进行了工程实践。首先通过地质勘查得到隧道所在地区的工程地质、水文地质特征以及围岩的物理力学指标,确定隧道围岩的屈服接近度,进而提出单层衬砌支护参数及喷射混凝土的力学控制指标,完成结构的预设计;根据隧道施工过程中实测的围岩松动圈范围,运用松动圈支护理论修正设计,从而形成一套完整的单层衬砌设计方法体系。实践表明,提出的单层衬砌设计方法经济适用、对施工干扰小,适合信息化施工,且施作完成的单层衬砌结构安全可靠,具有显著的经济效益和社会效益,有较大的推广前景。     

隧道钢纤维喷射混凝土单层衬砌试验研究

为了解决隧道施工中采用单层喷射混凝土作为隧道永久衬砌的问题,对不同钢纤维及外添加剂掺量的混凝土分别进行了抗压、抗拉、抗渗以及弯曲强度等室内试验。结果表明,在喷射混凝土中加入钢纤维材料,其抗拉、抗弯以及抗渗水性能分别提高了65.6 %、94.7 %、98.1 %;并通过现场试喷,选定符合设计要求、经济合理的配合比,在摩天岭隧道通风斜井施作了湿喷钢纤维混凝土,以单层衬砌代替原设计的复合式衬砌。工程实践证明,钢纤维湿喷混凝土,其支护强度达到了设计要求,喷射作业回弹损失量减少7 %～15 %。研究成果可为类似隧道纤维喷射混凝土单层衬砌技术的应用提供参考。     

内表面补强对缺陷病害隧道结构承载力影响的模型试验研究

以重庆市在建的笔架山隧道为现场原型,采用几何比为1: 25的大比例室内模型试验,选取Ⅲ级类围岩拱顶空洞60?的缺陷隧道为研究对象,重点研究在相同围岩级别、缺陷形式及加载方式下结构产生病害后,采用不同的内表面补强材料刚度并考虑补强范围对结构最终承载力的影响,得出了相应补强形式条件下结构最终破坏时的形式、内力分布等状况,并通过对比不同补强方式时的结构破坏及受力状况得出合理的结论,以期对隧道的维护管理提供重要的参考依据。     

隧道锚围岩拉拔模型试验研究及数值模拟

采用现场模型试验同FLAC3D数值试验相结合进行对比研究。介绍了坝陵河大桥西锚碇1:20、1:30现场模型试验,研究发现锚碇横截面位移呈马鞍型,向两端逐渐收敛,轴线方向呈梯形分布,围岩残余变形率呈V形分布,相同应力水平下,大尺寸模型的监测位移较大。数值试验发现,应力分布具有明显的分段特征,沿锚体呈不对称分布,可能的破坏方式是锚体带动周边一定范围岩体发生塞体状的整体拉剪复合破坏。设计和施工过程中应对显著变形区及破损区内的岩体进行重点加固。