襯砌背后空洞對(duì)隧道結(jié)構(gòu)體系安全性的影響機(jī)理研究.pdf

1、襯砌背后空洞是一種常見(jiàn)的隧道施工質(zhì)量缺陷。襯砌與圍巖密貼時(shí)，圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)之間受力良好，而襯砌背后存在空洞時(shí)惡化了圍巖與支護(hù)之間的相互作用關(guān)系，給隧道結(jié)構(gòu)帶來(lái)不良影響。論文采用文獻(xiàn)查閱、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)、理論推導(dǎo)、數(shù)值分析和室內(nèi)模型試驗(yàn)相結(jié)合的技術(shù)手段對(duì)隧道襯砌背后空洞對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的致害機(jī)理以及空洞存在下襯砌結(jié)構(gòu)安全性計(jì)算模型進(jìn)行研究，主要研究成果如下:
　　(1)公路隧道與鐵路隧道的質(zhì)量缺陷和病害的分布特征和變化規(guī)律是基本一致的，襯

2、砌背后空洞與襯砌裂縫之間存在較高的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)分析21座公路隧道和100余座鐵路運(yùn)營(yíng)隧道的檢測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)總結(jié)隧道常見(jiàn)的質(zhì)量缺陷（如襯砌厚度不足、襯砌背后空洞）和病害（如襯砌碳化腐蝕、襯砌裂縫）的一般規(guī)律，尤其是襯砌背后空洞和襯砌裂縫的分布特征，反映出兩者存在一定的內(nèi)在聯(lián)系。
　　(2)襯砌背后空洞的存在改變了隧道結(jié)構(gòu)（圍巖結(jié)構(gòu)和支護(hù)結(jié)構(gòu)）的圍巖支護(hù)作用關(guān)系，空洞兩側(cè)出現(xiàn)的應(yīng)力重分布是空洞影響襯砌結(jié)構(gòu)受力的力學(xué)機(jī)理。通過(guò)室內(nèi)模型試

3、驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，得出了應(yīng)力重分布的特征與規(guī)律:①襯砌背后空洞的出現(xiàn)引起作用于襯砌結(jié)構(gòu)上圍巖壓力荷載的重分布，在空洞兩側(cè)臨近范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中，在遠(yuǎn)離空洞的區(qū)域無(wú)明顯變化;②單個(gè)空洞條件下，空洞臨近范圍圍巖壓力荷載重分布呈“單峰型”;空洞組合條件下，未出現(xiàn)應(yīng)力疊加時(shí)，圍巖壓力分布仍是“單峰型”，當(dāng)出現(xiàn)應(yīng)力疊加后，空洞間的圍巖壓力隨空洞尺寸的增加先出現(xiàn)“駝峰型”，后變成“單峰型”。
　　(3)襯砌背后出現(xiàn)的空洞與襯砌結(jié)構(gòu)的裂縫或

4、開(kāi)裂是高度關(guān)聯(lián)的，空洞的位置、尺寸和組合等因素會(huì)影響裂縫的特征和演化規(guī)律。基于有限元計(jì)算軟件研究二維狀態(tài)下襯砌背后空洞對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理進(jìn)行研究，分析尺寸、位置以及空間關(guān)系組合狀態(tài)下襯砌背后空洞對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力和變形的影響規(guī)律;基于擴(kuò)展有限元(XFEM)對(duì)不同空洞條件下的隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂縫的演化規(guī)律進(jìn)行了研究，主要研究隧道襯砌結(jié)構(gòu)背后空洞和裂縫產(chǎn)生位置的分布規(guī)律以及隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)展演化規(guī)律。
　　(4)空洞存在下襯砌結(jié)構(gòu)安

5、全性的計(jì)算應(yīng)該考慮應(yīng)力重分布的影響，采用荷載結(jié)構(gòu)模型時(shí)應(yīng)對(duì)荷載模式進(jìn)行修正。采用荷載結(jié)構(gòu)模型計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)安全性時(shí)的荷載確定是關(guān)鍵，基于規(guī)范荷載取值的基礎(chǔ)上，通過(guò)模型試驗(yàn)和理論分析提煉出空洞存在下作用于襯砌結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力荷載模式，對(duì)空洞存在下的荷載結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行修正，建立了修正后的荷載結(jié)構(gòu)模型，并通過(guò)算例分析了不同模型的計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了修正后的荷載結(jié)構(gòu)模型實(shí)用性和有效性。
　　(5)將本論文研究的成果在一隧道整治項(xiàng)目中進(jìn)行應(yīng)用，驗(yàn)證