衬砌背后空洞影响下隧道结构裂损规律试验研究

衬砌背后空洞的存在严重影响了围岩与衬砌之间的相互作用,极易引起衬砌结构破损并直接影响到运营安全。通过模型试验,系统研究了拱顶与拱肩背后存在双空洞条件下隧道结构裂损演化过程及衬砌结构轴力和弯矩的变化规律。模型试验结果表明:(1)衬砌背后双空洞的存在,严重影响隧道结构的受力状态,易导致衬砌结构承载力不足;(2)拱顶与右拱肩背后存在双空洞条件下衬砌裂缝出现的顺序为:仰拱内表面裂缝→空洞间衬砌内表面裂缝→拱肩空洞右侧衬砌外表面裂缝→拱顶空洞左侧衬砌内表面裂缝→左拱脚衬砌外表面裂缝→右拱腰衬砌外表面裂缝;(3)空洞尺寸变化显著改变了衬砌内力分布,空洞尺寸的增加,引起两空洞间衬砌结构轴力减小而弯矩增大,使两空洞间的衬砌结构破坏程度更严重;(4)衬砌背后空洞的位置及数量对隧道结构裂损过程有较大影响,衬砌背后存在双空洞时衬砌裂缝的传播过程更复杂。研究成果可为衬砌背后多空洞影响下衬砌裂缝病害的防治和修复提供参考。

盾构隧道衬砌背后空洞对结构影响规律数值分析

文章以西安地铁某区间隧道涌水导致衬砌背后空洞事故为依托,利用ANSYS有限元数值方法,分析了空洞位置和大小对盾构隧道的影响。结果表明:衬砌背后无空洞时,围岩应力集中系数等值线呈蝶形分布,隧道顶部和底部应力集中最大,两侧最小;衬砌背后空洞在两侧时,对围岩的应力集中、管片的内力和安全系数影响最大,随着空洞向顶部和底部移动,影响减小;随着与空洞之间距离的增加,围岩的应力集中、管片的内力和安全系数受到的影响减小;轴力受空洞大小的影响较小,而管片弯矩、围岩应力集中及安全系数受空洞大小影响较大;随着空洞面积的增加,空洞对周围土体的应力集中、管片的内力和安全系数影响增大。

衬砌背后空洞对隧道抗震性能影响分析

目前关于隧道震害问题的研究主要集中于隧道洞门和洞口段,实际上仍有不少洞身衬砌在地震中产生严重震害,其中一个重要原因便是衬砌背后存在空洞或者回填不密实。通过大型有限元软件ABAQUS,采用无限元边界解决地震波的反射震荡问题,研究衬砌背后空洞对隧道的地震动力响应的影响。通过分析得到:密实状态下,即使在较大地震动力作用下,衬砌结构仍处于良好的受压状态;一旦衬砌背后存在空洞,地震作用下脱空区衬砌产生很大拉应力,可能导致衬砌开裂坍塌;同时,空洞处周边围岩产生塑性区,易引起岩体松弛掉落冲击衬砌。

存在衬砌背后空洞的隧道计算模型研究及应用

本文根据公路隧道衬砌背后空洞病害特征,在病害成因、病害形成过程与机理分析的基础上,利用接触方法建立了包含衬砌背后空洞的隧道计算模型,并初步分析了空洞形状参数对衬砌结构围岩压力和安全系数的影响。

衬砌背后空洞对连拱隧道结构受力和破坏的影响研究

为研究衬砌背后空洞而诱发的连拱隧道结构破坏机制及解决维修整治难题,以衬砌背后存在空洞时的连拱隧道为研究对象,通过相似模型试验和有限元数值模拟,研究空洞位置及尺寸变化时连拱隧道围岩压力分布、结构安全状态及破坏演化规律。结果表明:1)因为衬砌背后空洞的存在,连拱隧道内侧拱肩的土压力大于外侧拱肩,雁形区承受较大的围岩荷载;2)空洞位置发生变化时,空洞同侧隧道拱顶、拱腰裂缝的形态及传播规律差距显著,空洞对侧隧道以及连拱隧道底部的影响相对较小;3)当空洞位于中墙顶部时,拱顶安全系数比空洞位于其他位置时更小,而裂缝尺寸更大,且拱顶裂缝最早出现;4)随左洞拱顶空洞尺寸的增加,中墙与右洞拱部交接处越容易产生裂缝,连拱隧道破坏程度越严重,空洞角度比空洞深度对连拱隧道结构破坏影响更明显,空洞角度的增加使得空洞区域内、空洞左侧边缘及左拱脚的裂缝更早出现。研究揭示了空洞位置及尺寸变化时的连拱隧道裂缝分布规律及扩展过程,建议对连拱隧道衬砌背后形成大尺寸的空洞及时进行注浆充填。

考虑荷载修正的衬砌背后空洞对结构安全性影响分析

以云南省某公路隧道为背景,建立考虑空洞影响下的荷载-结构修正计算模型,引入最小安全系数,对衬砌安全性进行评估。计算结果表明:背后存在空洞时,衬砌受力条件恶化,空洞处衬砌内力重分布明显,弯矩分布形态发生改变,导致衬砌安全性显著降低。拱顶或拱腰背后存在空洞时,衬砌最小安全系数均随空洞范围变大而降低。相同空洞范围下,相较于拱顶空洞,拱腰背后存在空洞时,衬砌最小安全系数更低。

连拱隧道衬砌背后空洞影响下衬砌开裂机制研究

衬砌背后空洞是产生衬砌开裂的主要原因,威胁隧道运营安全。以某连拱隧道为背景,对隧道裂缝及衬砌背后空洞进行统计分析,并采用扩展有限元方法对拱部背后空洞影响下连拱隧道衬砌开裂机制进行分析。研究结果表明:当连拱隧道单侧衬砌背后存在空洞,空洞范围较小时,空洞附近衬砌结构不会发生开裂;当空洞范围较大时,在衬砌拱顶外侧及空洞左右边界衬砌内侧出现开裂现象,且衬砌结构开裂顺序及裂缝扩展与空洞大小密切相关。当连拱隧道两侧衬砌背后均存在空洞时,空洞较大一侧拱部衬砌起裂荷载小于仅单侧衬砌背后存在相同空洞的荷载,并且裂缝扩展深度大于后者,可见,连拱隧道两侧同时存在空洞加剧了衬砌结构的劣化过程。研究成果可为连拱隧道衬砌病害治理提供参考。

隧道衬砌背后空洞的地质雷达检测试验与模拟研究

隧道中比较常见的一种病害就是衬砌背后空洞,这种情况会对整个隧道的支护结构以及相应的承载能力有着非常不良的影响。但是,因为在进行雷达检测的时候,在图像的辨析度方面以及整体的分辨精度方面都有一定的限制。部分隧道衬砌背后空洞在进行辨识的时候也有主观的缺陷,而且因为尺寸空洞相对比较小,在辨识方面就更有难度,这种情况也更容易被检测人员忽略。基于此,对隧道衬砌背后空洞的地质雷达检测试验与模拟开展研究具有重要的意义。

直墙式隧道衬砌背后空洞影响下结构开裂机制研究

为探究直墙式隧道衬砌背后空洞条件下衬砌开裂机制,以某直墙式隧道为背景,采用扩展有限元方法对拱部背后空洞影响下直墙式隧道衬砌开裂机制进行分析。研究结果表明:直墙式隧道衬砌拱脚外侧应力集中显著,无论空洞存在与否,衬砌首先在拱脚外侧裂损;在正常状态下和空洞环向范围小于30°时,直墙式隧道在拱脚底部及内侧各出现1条张拉裂缝,且裂缝扩展经历3个阶段;随着空洞范围继续增大,拱顶外侧和边墙底部相继出现拉裂缝;空洞改变了围岩-支护之间的力学传递模式,使拱顶成为最不利位置并在拱顶出现贯穿裂缝,衬砌承载能力大幅降低。

隧道衬砌背后空洞对其支护结构力学性能的影响性研究

为深入研究隧道衬砌背后空洞对其支护结构力学性能的影响,依托某高速公路隧道,利用室内模型试验、数值模拟手段分别对其支护结构应力进行分析,并对两种手段的研究结果进行了对比分析。研究结果表明,当隧道拱顶、右侧拱腰部位衬砌背后存在空洞时,对应部位的支护结构最先出现裂缝,且产生较大的弯矩值及衬砌应力;隧道衬砌背后空洞将减弱其支护结构与围岩的相互作用,严重影响其力学特性。

隧道衬砌背后空洞自动敲击检测装置的研发

隧道衬砌背后空洞作为衬砌结构隐性缺陷,易导致渗漏水、裂缝、破损、掉块等病害,给衬砌结构稳定及行车安全带来隐患。本文利用机械设计、电机传动、声音识别等技术提出了隧道衬砌空洞自动敲击检测装置设计方案。检测装置由敲击模块、采集模块、智能识别模块和标记报警模块构成,能实现隧道衬砌自动敲击、空洞智能识别和标记、报警功能。经样机试制与现场测试,对边长不小于1 m、衬砌剩余厚度不大于25 cm的空洞,在距空洞中心1 m范围内敲击检测识别准确率为77.8%,对衬砌剩余厚度35 cm的空洞检测装置较难准确识别。

盾构隧道衬砌背后空洞的危害及分布规律特性研究

使用盾构法进行隧道工程施工是当前的主流形式之一。由于其是在岩土天然介质中开挖形成的,若设计或施工不到位,极易出现衬砌背后空洞,给后续交通运行埋下隐患。随着盾构隧道服役时间和体量的增加,对衬砌背后空洞问题有更清晰的认识是保证安全的关键。文章对空洞产生的原因、空洞存在的相关表现形式进行综述。了解了空洞的分布规律和识别空洞病害之间的关系。盾构隧道存在空洞会导致引发隧道偏压、围岩的承载能力下降、管片的承载能力下降、甚至引起地表塌陷的危害。

衬砌背后空洞对不同等级围岩的影响分析

隧道病害越来越引起人们的关注与重视,选取衬砌背后存在空洞这一常见隧道病害形式,利用有限元软件ANSYS建立三维弹塑性模型,运用地层结构法,通过模拟隧道开挖施工,分析拱顶部位空洞对不同等级围岩的位移以及内力的影响。结果表明衬砌背后空洞的存在降低衬砌结构的安全性,随着围岩等级变差,衬砌安全性越差,指出隧道空洞病害常用的维修加固措施。

衬砌背后空洞纵向尺寸对结构受力影响分析

衬砌背后空洞是导致结构出现开裂、渗流水等病害的主要诱因,严重危害衬砌结构安全。通过三维数值模拟研究了空洞纵向尺寸对结构受力的影响。

衬砌背后空洞对结构影响的时间相关性研究

为了探讨衬砌背后空洞形成时间对衬砌结构的影响,本文采用有限元软件Midas/GTS建立了隧道衬砌背后空洞的数值模型,通过计算分析得出:在衬砌施作后形成的空洞对衬砌结构影响较衬砌施作前形成大,所以在隧道运营期间应当加强对衬砌背后空洞的检测。

衬砌背后双空洞影响下隧道结构的安全状态分析

衬砌背后多空洞的存在使隧道结构受力状态更加复杂,极易引起结构开裂并直接影响到隧道结构的安全性。针对Ⅳ级围岩两车道公路隧道,采用数值模拟和模型试验分别研究拱顶或拱肩背后存在双空洞条件下隧道结构的安全状态。数值模拟结果表明:衬砌背后双空洞的存在,显著改变了隧道结构内力分布,恶化了结构受力状态;空洞尺寸增大会导致隧道结构轴力整体降低,并使空洞范围内及两空洞之间的隧道结构弯矩明显增大;两空洞间隧道结构各截面安全系数较无空洞时显著降低,并表现出随空洞尺寸增加而逐渐降低的趋势,该区域也是隧道结构安全性评价重点部位;拱肩衬砌背后存在双空洞时,其对结构截面安全系数的影响较拱顶和拱肩分别存在空洞的情况更大。模型试验得到的空洞对衬砌结构安全系数影响规律与数值模拟结果基本一致,并获得了双空洞作用下衬砌结构的破坏演化规律。研究成果可为隧道衬砌背后空洞的致灾机制和灾变控制研究提供参考和借鉴。

富水地层公路隧道衬砌背后空洞对结构受力的影响

富水地层公路隧道衬砌背后空洞的存在恶化了其结构的受力状态,使衬砌易于开裂进而影响隧道的营运安全。研制外水压加载装置,该装置在二衬模型内部创造一个封闭的负压环境,通过控制模型内外气压差来实现外水压的等效加载,同时结合隧道–地层复合模拟试验系统开展几何相似比为1∶30的室内模型加载试验,全面研究不同位置空洞与不同外水压荷载共同作用下二次衬砌的受力分布规律及开裂特征。结果表明,衬砌背后存在空洞时的二衬的轴力与弯矩总体不再呈对称分布,不同位置空洞对衬砌结构的受力影响不同,空洞附近区域的衬砌内力变化最为显著;无论空洞位于何位置,随着外水压力的增大,二衬轴力及弯矩均大致呈线性增大趋势,空洞附近区域的轴力及弯矩增大速度明显大于二衬其他部位;偏心距则随外水压的增大而减小,水压超过150 kPa后基本不发生变化;相同外水压下,加宽带二衬轴力与弯矩明显大于三车道,分布及变化规律则大致相同;应力场为竖直主应力场时,外水压下左边墙空洞对于衬砌结构的承载力影响最大,拱顶空洞次之,仰拱空洞最小;背后存在空洞的衬砌部位的裂缝数量及开裂程度明显大于其他部位。

运营铁路隧道衬砌背后较大空洞的精确检测技术

目前采用地质雷达等无损检测技术可快速、准确检测衬砌厚度和衬砌中钢筋数量等参数,并可有效判识衬砌背后空洞等缺陷沿隧道纵向和环向长度,但对这类缺陷的径向尺度因介电常数的差异、反射面的识别等原因而无法准确判识。依托西南地区某运营铁路隧道衬砌背后存在较大空洞的工程实际,结合现场钻孔调查和地质雷达无损检测,首次运用钻孔三维激光扫描技术对运营铁路隧道衬砌背后空洞进行扫描,实现精确检测,得到衬砌背后空洞的三维形态和具体尺寸,检测成果可为隧道病害整治提供准确的数据,可设计出更具针对性和操作性的整治方案。提出的"物探+钻孔三维激光扫描"技术,能实现衬砌背后空洞"粗中有细"的全面检测。

圆形隧道衬砌背后空洞对隧道结构影响的振动台模型试验

为研究圆形隧道背后空洞对结构抗震性能的影响,开展振动台模型试验研究。从地层参数、试验模型相似比、模型箱设计、人工边界处理、传感器布置及地震动加载制度等方面,详细介绍模型试验方案。分析模型箱的边界处理效果,重点考察了模型地基的加速度反应、隧道结构的加速度反应、隧道结构的动应变规律及特征。试验结果表明:模型箱设计合理,边界的设置能够很好地模拟原型土域;随着地震波的向上传播,模型地基中的峰值加速度逐渐增大,地表处的加速度放大系数随着台面输入地震动的增大而减小;在较小地震动作用下,圆形衬砌背后空洞会缩小断面的加速度响应,而在较大地震动作用时会明显增大断面地震反应。

高速列车荷载下隧道空洞衬砌的动力响应特性

依托昌景黄高铁项目,分析了不同地质条件、不同空洞位置衬砌结构受力和变形特征;考虑列车轴重、轨道几何、车速等因素,计算了列车荷载激励曲线,探讨了存在背后空洞时隧道衬砌在高速列车荷载作用下的动力响应特性。研究结果表明,空洞的存在对衬砌受力状态和变形有明显不利影响,边墙位置空洞对衬砌结构受力影响最大;高速列车荷载作用下,空洞的存在会使衬砌结构的加速度、最大主应力时程曲线幅值增大,在列车往复荷载作用下,边墙位置空洞衬砌结构受到的持续性损伤最大;在高速铁路隧道缺陷整治中,应考虑边墙位置空洞对隧道衬砌结构受力和高速列车荷载下的衬砌结构持续性损伤问题。