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制,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病害模型试验研究,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。     

三维注浆模型试验系统研制及应用

为研究注浆扩散规律和加固机制,研制了三维注浆模型试验系统,该系统由承载试验台、伺服稳压供水单元、注浆单元、多元信息监测单元及图像采集单元组成。该系统主要功能包括不同岩体介质中参数灵活可调的多孔注浆、多序次注浆模拟试验及被注岩体内部物理场信息实时采集,其主要优势体现在：（1）试验腔设计为组合桶式结构,密封性强,拆卸方便,利于注浆加固体细部研究;（2）多腔气动联合控制水压加载方式可提供持续稳压的地下水环境;（3）多元信息并行实时监测系统可同时采集被注岩体内不同空间位置的总压力、孔隙水压力及位移等信息,实现注浆过程中物理参量时空变化规律的研究。利用该试验系统进行黏土介质单孔注浆和多孔分序次注浆模拟试验,获得注浆压力p变化特征及土体内部力学响应规律：p - t曲线呈多个波峰-波谷旋回,表征劈裂注浆为主的加固模式;注浆荷载作用下,总压力、孔隙水压力、有效应力与注浆压力基本同步变化,注浆结束点达到峰值,其后开始衰减并逐渐趋于稳定;与单孔注浆相比,多孔、多序次注浆可显著提高土体有效应力,黏土逐渐压缩固结,力学性质改善。试验表明,黏土介质以劈裂注浆为主,不同序次浆脉间接触关系复杂,可划分为剪切劈裂、原位顺层劈裂及入侵劈裂3种基本模式;采用多孔、小注浆速率试验方法,可减小围岩扰动,增大注浆量及土体压缩固结程度,提高注浆加固效果。研究成果对揭示黏土介质注浆机制具有一定的科学价值。     

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。     

探地雷达隧道衬砌病害检测正演模拟及应用

随着经济地发展,基础设施也得到了快速地发展,而隧道衬砌病害检测也受到越来越多的重视,探地雷达作为一种无损检测方法,在隧道衬砌检测中的应用十分广泛,且效率高、效果好。这里依据探地雷达的基本原理,基于时域有限差分正演模拟了隧道衬砌中含不同异常体的雷达图像特征。根据正演计算了空洞的尺寸,与理论模型对比验证了其准确性,并与实际检测图像作对比分析了隧道中病害的图像特征,为隧道衬砌病害识别提供借鉴。     

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。     

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。     

隧道衬砌病害地质雷达探测正演模拟与应用

国内大多数隧道都存在着不同程度的病害,其中诸如衬砌开裂、不密实、含有空洞和渗漏水等衬砌病害是隧道最常见的病害类型,严重影响行车安全。地质雷达（GPR）可以用来对隧道衬砌病害进行快速无损探测,但对于衬砌病害的解译十分依赖于探测人员的经验,很容易造成误判和漏判。因此,对隧道衬砌病害进行分类,并针对典型衬砌病害类型进行建模,利用时域有限差分（FDTD）法对衬砌病害模型进行地质雷达探测正演模拟,针对衬砌渗漏水和存在钢筋干扰等特殊情况,通过频谱分析对病害进行了定量识别,总结出典型衬砌病害的地质雷达探测解释准则,最后结合工程实例对衬砌病害进行了推断和解译。结果验证了衬砌病害地质雷达探测正演模拟和解释准则的可靠性。     

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     

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。     

模型试验柔性均布压力加载系统研制及其应用

地质力学模型试验均布压力精确加载是保证试验精度的前提。为此研制了一种新型柔性均布压力加载系统,该系统主要包括液压自动控制系统和柔性均布压力加载装置。液压自动控制系统操作方便,可实现计算机自动控制12路压力精确伺服加、卸载和长期稳压。柔性均布压力加载装置由液压油缸、球铰、刚性推力器和柔性传力橡胶垫块等组成,采用数值方法确定柔性橡胶的厚度为50 mm。该系统应用到表面不平的模型加载中并与刚性加载进行了对比。试验结果表明,柔性均布压力加载系统相对于刚性加载效果显著,模型内应力场均匀程度取决于橡胶传力垫块的邵氏硬度、加载应力大小和距表面深度。邵氏硬度小的橡胶柔性加载模型内应力场更均匀;且模型应力场随加载应力增大趋于均匀。模型内应力场距加载表面越远越均匀,柔性加载使距加载表面130 mm以下应力场基本保持均匀状态。试验表明,柔性均布压力加载系统有利于提高模型试验加载精度,具有广泛的应用前景。     

沉管接头突发渗漏水的红外监测模型试验

在沉管隧道的应用中,渗漏水已经成为威胁到沉管建设和运行过程中的重大问题。针对沉管隧道接头渗漏水的问题,通过建立等尺寸模型进行室内试验,模拟港珠澳大桥沉管隧道接头渗漏。采用红外技术建立无接触、无明水渗漏监测系统,收集沉管接头渗漏的红外辐射图像数据,并采用Matlab对图像数据进行分析。采用温度突变法,通过分析不同温度的水渗入接头OMEGA中导致构件红外辐射特征发生变化,从而对是否有渗漏水发生进行有效的判断,同时对影响判别的因素进行分析。试验结果表明：采用温度突变法的红外监测系统在沉管隧道中的监测,可以对突发渗漏水进行判别;当快速渗漏的水体与沉管接头处构件存在较大温差,则会造成构件表面温度突变;温差越大,造成的温度突变越明显,监测系统判定出渗漏所需时间越短。研究成果为红外监测在沉管隧道以及其他类似工程中的应用提供了一种思路,并验证了其可行性。     

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。     

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。     

基于衬砌长期渗漏水影响的隧道施工扰动诱发超孔隙水压消散及地层固结沉降解

基于Terzaghi-Rendulic固结理论,采用保角映射和分离变量法,计算得到隧道衬砌半渗透漏水边界条件下,盾构施工扰动引起的隧道周围土体超孔隙水压力消散解和地表土体固结沉降,通过工程实例进行验证,发现理论方法与实测数据趋势一致;此外,利用参数分析获得了土体固结沉降和超孔隙水压力的分布影响规律。结果表明:衬砌与土体的相对渗透比越大,固结沉降的初始速率越大,但不影响最终收敛值;土体弹性模量越小,最终固结沉降量越大;土体中超孔隙水压力随着时间增加,在隧道开挖后较短时间里以较大幅度逐渐消散,消散到约为初始值的1/10时减幅放缓;距离衬砌外壁越远,土体初始超孔隙水压力越小,其消散速度也越慢。     

水库型滑坡模型试验相似材料的研制及应用

相似材料的研制是滑坡模型试验的关键。在相似材料的研究基础上,通过大量的配比试验,结合模糊综合评价法对不同配比材料的相似性进行比较,研制出同时模拟物理力学性能相似和渗流作用相似的水库型滑坡相似材料,这种材料由标准砂、滑体土、膨润土和水溶液混合而成。同时通过库水作用下滑坡模型试验评价该材料的相似效果,记录水位升降过程中坡内的孔隙水压力变化、渗流变化、滑面形态及裂缝形成发展过程。试验结果表明,库水对岩土体物理力学性质的弱化和坡内指向临空面的渗透压力是滑坡产生的主要诱发因素;水库型滑坡的破坏模式为有多级滑面的牵引式破坏;试验观测的浸润线与理论计算结果基本吻合。该相似材料的物理力学性能和渗流效果均能达到试验相似要求,模拟库水作用下滑坡变形破坏过程的效果良好,是一种比较理想的水库型滑坡模型相似材料。研究结果为进一步开展大型水库型滑坡模型试验提供了科学依据。     

隧道衬砌质量的地质雷达电磁波反射特征分析及应用

针对乌尉高速公路天山胜利隧道衬砌施工中出现的脱空、厚度不足和不密实等质量问题,采用基于时域有限差分(FDTD)的模拟方法,对隧道衬砌中常见的缺陷进行正演模拟,正演结果与实测数据反射剖面的地球物理特征一致性吻合较好。其次,本研究对于典型缺陷或标志物与之对应的地质雷达电磁波反射特征进行了总结和归纳,结果表明,隧道衬砌典型缺陷或标志物地质雷达电磁波,具有振幅突变、电磁波同相轴畸变、波形极性反转等特征,这些特征对于现场检测人员快速判读、解译采集的雷达数据有重要参考作用,也对目标地质体和隧道衬砌缺陷快速准确识别有较大帮助,有助于提高一线作业人员的检测效率,确保隧道整体稳定性及安全运营。     

基于GP RMax的隧道衬砌检测数值模拟及应用

利用基于时间域有限差分法( FDTD)的GPRMax,针对常用的400、900、1500 MHz三种不同中心频率的天线,数值模拟了隧道衬砌不同钢筋网密度、不同钢筋直径及其下方的钢拱架、空气界面等目标体的探地雷达反射及干扰信号图像特征;在混凝土试件上开展实验研究,并运用克希霍夫积分偏移处理了数值模拟和实验数据,压制了钢筋的绕射波和多次波,提高了钢筋网下方弱反射信号的成像效果;通过对比分析数值模拟、实验测量和工程实测结果,为探地雷达在隧道衬砌检测中取得更好的探测效果提供了借鉴。     

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。     

回填压注对缺陷病害隧道结构承载力影响的模型试验研究

受隧道建设过程中施工条件等因素的影响,衬砌背后与围岩之间常有空洞存在,而使衬砌受到不均匀的荷载作用,同时因空洞部位不能产生被动抗力约束衬砌的变形,结构极易产生病害而使隧道尽早的进入到维修管理阶段。文章以重庆市在建的笔架山隧道为现场原型,室内采用几何比为1∶25的大比例模型试验,全面研究结构在同级围岩中相同缺陷形式下,采用相同加载方式至结构产生病害后进行不同补强方式的破坏性试验。通过对回填压注的效果进行对比性分析得出:对于存在空洞的病害隧道,回填压注应作为首选补强形式。