连拱隧道衬砌背后空洞及衬砌厚度不足对结构安全性影响研究

发布时间：2020-04-14 11:39

【摘要】：由于连拱隧道结构的特殊性,其结构受力相对更为复杂,运营过程中也更易出现衬砌背后空洞、结构开裂和渗漏水等各类病害。为此,本文以衬砌背后存在空洞和衬砌厚度不足条件下的对称双连拱隧道为研究对象,采用理论分析、模型试验和数值模拟相结合的研究手段,重点研究了衬砌背后存在空洞和衬砌厚度不足条件下连拱隧道围岩与衬砌间接触压力分布形式以及结构变形和破坏特征,并建立了对称双连拱隧道衬砌结构安全性评价模型。主要工作内容及研究成果如下:(1)揭示了正常状态下(衬砌背后无空洞且衬砌厚度正常)对称双连拱隧道结构受力特点、变形规律及破坏特征。结果表明:围岩与衬砌间接触压力、结构变形以及破坏形式是以连拱隧道中线为对称轴呈对称分布;连拱隧道边墙底部衬砌与围岩间接触压力最大,中墙底与仰拱接触部位次之;中墙墙角衬砌结构弯矩最大,破损最为严重。(2)研究了衬砌背后存在空洞及衬砌厚度不足条件下对称双连拱隧道围岩与衬砌间接触压力分布形式。相较于正常状态,对称双连拱隧道一侧衬砌背后出现空洞时,另一侧隧道拱顶处的围岩与衬砌间接触压力有所升高,接触压力呈不对称分布;衬砌厚度不足时,厚度不足处的围岩与衬砌间接触压力显著降低,而其邻近区域的围岩与衬砌间接触压力则有所升高。(3)分析了衬砌背后存在空洞及衬砌厚度不足条件下对称双连拱隧道衬砌应力变化规律并明确了衬砌内力分布形式。相较于正常状态,衬砌背后空洞显著改变了连拱隧道结构内力分布,恶化了连拱隧道的结构受力状态;衬砌厚度不足导致截面惯性矩及刚度发生变化,衬砌结构轴力和弯矩显著降低,衬砌结构承载不均匀,产生较大的非对称变形。(4)揭示了衬砌背后存在空洞及衬砌厚度不足条件下对称双连拱隧道结构裂缝分布规律及扩展过程。相较于正常状态,衬砌背后存在空洞时,连拱隧道结构破坏形态呈非对称分布,连拱隧道结构裂损过程更复杂,空洞对侧隧道拱顶裂缝更早出现,中墙顶与拱部接触部位容易开裂;衬砌厚度不足时,随着衬砌厚度的不断减薄,厚度不足部位的结构破坏越发严重。(5)基于模糊综合评价法,充分考虑连拱隧道结构受力状态、变形规律和破坏特征,建立了衬砌背后存在空洞及衬砌厚度不足条件下对称双连拱隧道衬砌结构安全性评价模型,提出了对称双连拱隧道结构安全性分级标准,据此可对衬砌背后存在空洞及厚度不足条件下的对称双连拱隧道结构做出安全性评价。
【图文】：

衬砌,塌方事故,环境调查,施工现场

及直径大于１０邋ｃｍ，即属于有空洞”。申志军等％调查发现，某隧道衬砌环向施工逡逑缝处拱顶掉块露出空洞，钢筋外露，经进一步查实，空洞环向长３．５０邋ｍ、纵向长逡逑１．３５邋ｍ，如图１－１邋（ａ）所示。某隧道拱顶有裂缝，经凿除发现，空洞环向长５．５邋ｍ、逡逑纵向１．２邋ｍ，衬砌最薄处仅ｌｃｍ，而设计厚度为４０邋ｃｍ，如图１－１邋（ｂ）所示。逡逑■邋■ｍｉａ逡逑ＨＩ邋ＨＩ逡逑（ａ）隧道衬砌缺陷表面逦（ｂ）空洞中可见防水板逡逑图１－１施工现场中的衬砌背后空洞［８］逡逑日本Ｕｃｍｕｍａ隧道发生塌方事故后，相关调查组进行现场地质环境调查并检逡逑测衬砌背后接触状态，发现在衬砌背后存在尺寸很大的空洞［２（）］，如图１－２邋（ａ）所逡逑示。２００８年汶川地震中，距离龙溪隧道洞口邋２００邋ｍ附近处塌方，尽管该区域围岩逡逑环境很好，，但是可以发现拱顶出现很大的空洞［２１］，如图卜２邋（ｂ）所示。逡逑（ａ）邋Ｕｒｎｍｍａ隧道塌方［Ｍ］逦（ｂ）龙溪隧道塌方【２１］逡逑图１－２衬砌背后空洞诱发隧道塌方事故逡逑地质雷达是目前检测衬砌背后空洞的主流方法。张顶立等［２２］采用地质雷达无逡逑损检测法，对中国铁路干线上的１００多座运营隧道的衬砌背后接触状态进行检测，逡逑检测结果表明拱顶背后最容易存在空洞，围岩稳定性越差，空洞出现的几率越高。逡逑２逡逑

隧道塌方,衬砌,事故

如图１－１邋（ａ）所示。某隧道拱顶有裂缝，经凿除发现，空洞环向长５．５邋向１．２邋ｍ，衬砌最薄处仅ｌｃｍ，而设计厚度为４０邋ｃｍ，如图１－１邋（ｂ）所示。逡逑■邋■ｍｉａ逡逑ＨＩ邋ＨＩ逡逑（ａ）隧道衬砌缺陷表面逦（ｂ）空洞中可见防水板逡逑图１－１施工现场中的衬砌背后空洞［８］逡逑日本Ｕｃｍｕｍａ隧道发生塌方事故后，相关调查组进行现场地质环境调测衬砌背后接触状态，发现在衬砌背后存在尺寸很大的空洞［２（）］，如图１－２邋（示。２００８年汶川地震中，距离龙溪隧道洞口邋２００邋ｍ附近处塌方，尽管该区域境很好，但是可以发现拱顶出现很大的空洞［２１］，如图卜２邋（ｂ）所示。逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U455.91

【参考文献】