公路隧道隧底结构水害机理及整治措施

隧底水害对隧道结构自身稳定及隧道运营期内行车安全存在潜在安全隐患,容易造成隧底返水、路面拥包等运营期病害。本文借助施工案例,阐述高速公路隧道水害产生的基本原因、解决方法,为避免、缓解和解决隧道水害的产生提出若干技术方案,供相关施工参照与借鉴。

铁路隧道隧底结构上鼓变形机理及控制措施

为探明上鼓变形机理,采取控制上鼓变形的有效措施,保障列车运行安全。依据某铁路隧道的现场勘测结果,发现引起隧底结构上鼓变形的主要原因为:隧底结构形状和地质因素。通过数值模拟分析可知:隧底结构形状的异形会使隧底结构抗上鼓变形能力大幅降低;高地应力是引起隧底结构上鼓变形的主要地质因素;围岩蠕变引起的隧底上鼓变形也不容忽视;采用开挖泄压洞,并施作锚杆能有效控制隧底结构上鼓变形。

30 t轴重下重载铁路隧道隧底结构疲劳损伤研究

鉴于重载铁路隧底结构疲劳损伤现象较普通客货共线铁路更加明显,根据现场调查对重载铁路隧底结构病害进行分类,并确定了影响其疲劳损伤的主要因素为重载列车长时间大轴重碾压。依托张唐铁路双线重载铁路隧道大型现场原位激振试验,得到了Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩条件下道床结构表面的轴重列车附加动荷载分布规律,利用Ansys Workbench仿真软件对重载铁路隧底结构损伤分布及疲劳损伤进行模拟,并结合试验所得道床和仰拱结构的动应力验证其计算结果的准确性,结果表明:将实测所得动压力时程曲线作为Workbench动力初始条件进行疲劳损伤计算具有客观性,计算得出:随着围岩条件降低,隧底结构损伤范围及损伤程度逐渐增加;在相同围岩级别30 t轴重条件下隧底结构损伤出现的时间由上至下依次递增,且损伤程度逐渐降低。研究成果可为重载铁路隧道运营期长期服役性能研究及疲劳寿命预测提供借鉴和参考。

40 t轴重单线有砟重载铁路隧底结构设计参数研究

针对现有的国内外研究成果均未考虑40 t轴重荷载作用下的隧道基底结构动力响应特征及累积损伤特性,利用有限元软件ABAQUS建立隧道-围岩耦合二维计算模型,结合隧底围岩累积损伤机制与隧底混凝土结构的损伤塑性特性,对行车速度为120/h、40 t轴重的重载列车荷载作用下单线有砟隧道隧底衬砌结构主要设计参数进行研究。结果表明:随着列车轴重的增加,隧道底部围岩逐渐出现损伤,尤其当轴重为40 t时,隧底结构出现明显的损伤效果;改变矢跨比与填充层厚度对仰拱竖向位移影响不大,随着矢跨比的减小,仰拱结构拉应力在不断增大,且矢跨比分别小于1∶6和1∶7后,仰拱结构拉应力增大明显;随着填充层厚度增加,隧道仰拱结构拉应力不断减小,当填充层厚度大于1.3 m时,这种减小的趋势逐渐变缓;在关键参数建议取值条件下的隧底二次衬砌结构疲劳寿命均符合要求。

40 t无砟重载铁路隧底结构设计参数研究

针对隧底围岩损伤的数值模拟,因采用理想状态下的弹塑性模型仅对强度参数进行折减,而循环荷载作用下围岩的累积损伤及隧底积水的反复冲刷作用均未考虑在内,使得计算结果与现场实测值相差较大的问题。本研究基于隧底围岩的累积损伤机理与隧底混凝土结构的损伤塑性特性,利用ABAQUS有限元软件建立隧道-围岩耦合二维计算模型,对重载列车荷载作用下,单线无砟隧道隧底衬砌结构的主要设计参数进行分析。研究结果表明:随着列车轴重的增加,隧道底部围岩逐渐出现损伤,当轴重为40 t时,隧底结构出现明显的损伤效果;改变矢跨比对仰拱竖向位移影响不大,当矢跨比大于1:7,仰拱结构拉应力增大趋势变缓;改变填充厚度对仰拱竖向位移影响不大,当填充层厚度大于1.1 m时,这种减小的趋势逐渐变缓。

岩溶隧道衬砌疏水型箱式隧底结构研究

近年来,黔桂、广昆、沪昆等铁路隧道运营期间发生了若干起边墙开裂、仰拱隆起、无砟道床变形等水害事件,直接影响着衬砌、轨道等结构的正常使用功能及耐久性能,严重的病害则直接威胁着铁路隧道特别是高速铁路隧道的正常运营安全。为有效降低复杂岩溶地区隧道工程的水害风险,通过调研目前铁路隧道主要水害类型,分析现行衬砌排水系统存在的问题,提出一种适用于岩溶隧道的新型衬砌结构,通过建立有限元模型,对衬砌结构受力进行对比分析。主要结论如下:(1)研究提出的“疏水型箱式隧底衬砌”,具有“隧底开挖施工方便、不良地质适宜性强、排泄路径直接、隧底泄水快、排水断面自由度高、泄水能力强”等特点,能充分满足复杂岩溶隧道受力及排水的需求;(2)同现行仰拱型衬砌结构相比,在不增加结构厚度及配筋的基础上,疏水型箱式隧底衬砌结构受力更为均衡。

高速铁路隧道隧底结构病害防治优化设计研究

为解决高速铁路隧道微小底鼓变形而导致轨道几何偏差不满足高铁安全运行容许偏差管理值的问题,以Ⅳ级围岩深埋条件下高速铁路双线隧道工程为例,采用Diana有限元软件建立隧道衬砌混凝土与钢筋精细化数值模型,分析仰拱与填充层分开浇筑、一次浇筑和一次浇筑并配置满堂钢筋等3种工况下的隧底结构承载特性。对比3种工况下衬砌内力、裂缝扩展及结构安全系数的差异性,探讨仰拱与填充层一次浇筑施工工艺的优缺点,进而提出隧底间隔设置暗梁的优化方案,讨论其可行性。研究结果表明:相对于仰拱与填充层分开浇筑工况而言,仰拱与填充一次浇筑可改善衬砌整体受力状态,隧底结构强度安全系数和抗裂性能满足规范要求,但填充层表面与中央排水沟底部存在明显的拉应力集中区,为受力薄弱部位。仰拱与填充层一次浇筑并配置满堂钢筋方案一定程度上改善了填充层表面和中央排水沟底部的拉应力,但无法完全消除拉应力区,且拱脚出现明显压应力集中现象。提出的隧底间隔设置暗梁优化方案,同样可有效减小填充层表面和中央排水沟底部拉应力,且具有显著的技术经济效果。隧底间隔设置暗梁一次浇筑优化方案减少了隧底分开浇筑产生的结构界面,提高了抵抗底鼓变形的结构刚度。研究结果为进一步优化高速铁路隧道底部结构型式和保障高铁安全营运提供参考。

重载铁路隧底结构病害特点及疲劳损伤机理分析

现场调查结果表明,隧底结构病害主要为隧底下沉、翻浆冒泥、侧沟外挤、混凝土破损和混凝土不密实,隧底病害连续长度多集中在3~9 m区间,围岩越差隧底结构病害越严重,隧底病害的影响因素主要为大轴重、围岩缺陷和地下水作用。基于通过疲劳寿命曲线预测铁路隧道结构疲劳损伤的方法,建立计算模型对重载线路疲劳损伤过程进行模拟分析。结果表明:在重载列车长期荷载作用下隧底结构道床、仰拱填充层和仰拱均依次出现了损伤;运行12年后重载线路道床最早出现损伤,轨枕下方损伤影响范围由上至下逐渐增大。

富水炭质板岩地层隧道底部结构破损原因分析及防治措施探讨

云南香丽高速公路穿越富水炭质板岩地段,多座隧道出现隧底结构破损,破损主要特征为隧底填充混凝土沿隧道中线纵向开裂,裂缝上宽下窄,呈"V"字形,对于隧道施工以及后期运营带来极大的安全隐患。该文以香丽高速公路典型富水炭质板岩地层隧道为工程背景,通过现场调查和数值计算分析等方法,分析隧道底部结构破损原因,提出相应的防治措施。结果表明:隧道底部结构破损主要是由于仰拱积水,隧道基底围岩遇水软化,导致隧道底部结构所受拉应力过大,出现张拉裂缝;隧道仰拱现状也对于仰拱受力不利。对于基底围岩进行加固,以及适当调整仰拱曲率可以避免隧道底部结构破损的发生。

重载铁路隧道隧底翻浆冒泥整治技术研究

分析重载铁路隧底翻浆冒泥的成因机理,对比分析铁路隧道隧底翻浆冒泥整治方法,并对两侧设排水井、隧道中心设排水井以及两侧设置深水沟3种隧底降水方案进行了数值分析。分析结果表明,两侧设置深水沟能有效降低仰拱中心处的水压力,能够根治隧底翻浆冒泥病害,并给出该降水方案相配套的施工工艺。研究结果对重载铁路隧道隧底翻浆冒泥病害处理具有借鉴意义。

基于疲劳寿命的40t轴重重载单线隧道隧底参数优化

基于疲劳寿命分析方法对几内亚西芒杜新建40t轴重重载铁路隧道进行隧底结构参数设计优化分析。考虑不同围岩等级、轴重、结构参数以及行车速度等的多种工况,采用动力有限元方法得到列车动载作用下隧底结构疲劳危险部位的应力时程曲线即应力水平,而后根据疲劳累积损伤理论,创新性地考虑应力疲劳与材料碳化的耦合,得到了不同工况隧底混凝土结构的使用寿命。最后给出了不同围岩级别下单线有砟铁路隧底结构优化参数,探讨了轴重和行车速度对结构疲劳寿命的影响规律。

高速列车作用下铁路隧道内轨枕受力的理论解析及验证

通过引入欧拉连续支承梁模型,基于广义Duhamel公式推导了半无限空间连续体任一点的时频域动力响应函数。根据温克尔弹性基础梁假定得出了高速列车作用下轨枕受力数学表达式。采用有限差分软件FLAC 3D分析了隧道底部结构特定监测点的动力响应特征。经工程应用,基于该公式的数值模拟计算结果与工程现场实测结果变化规律一致,验证了该公式的准确性与适用性。

考虑围岩强度劣化的隧道仰拱隆起变形分析

针对高速铁路隧道底部结构隆起变形问题,基于强度劣化理论,给出了泥质沉积岩地层条件下围岩强度降低引起的底部结构隆起变形机理模型。将强度劣化理论应用于数值模拟计算,结果表明隧底部结构隆起变形量随着围岩黏聚力的降低而增大;模拟值与现场监测数据变形量中线最大值相差约16.1%,边线最大值相差约11.3%;底部结构隆起变形趋势大致相符。将现场实测值仰拱隆起变形量与模拟值进行比较,得出围岩黏聚力降低随时间变化呈非线性趋于稳定,验证了强度劣化模型的适用性;仰拱填充层塑性区范围随黏聚力降低由排水沟开始逐渐向下、向两边扩展,黏聚力降低40%时塑性区拉破坏区域与现场监测裂缝位置大致相同。研究结果可为以后此类围岩隧道结构断面设计应考虑的围岩强度劣化提供参考。