隧道裂损衬砌结构承载性能与评价方法研究

发布时间：2020-06-12 08:03

【摘要】：我国目前已建成的公路隧道已出现了诸多病害,这些病害严重影响着隧道的运营安全,其中以隧道衬砌开裂最为常见和严重,而现行《公路隧道养护技术规范》仅有基于结构状态描述的技术状况评价方法,还没有基于承载力分析衬砌结构安全性的评价方法,所以研究裂缝对衬砌结构承载性能的影响及其安全性的评价方法尤为重要和必要。本文针对纵向裂缝对衬砌结构承载性能的影响展开研究,对裂缝的不同部位、不同深度进行组合,总共分析了1656种工况。建立了衬砌承载性能衰减率和结构安全性衰减率两个概念,并通过对1656种工况的计算建立了基于承载力分析带裂缝隧道衬砌结构安全性评价标准,对318种工况进行了安全性评价。本论文的主要成果有:1、对衬砌开裂病害的成因及其类型进行分析后,选择危险性最大的纵向裂缝及其深度进行研究,裂缝产生的部位选择拱顶、拱腰、边墙;2、对断裂力学理论的基本原理进行分析后,选择最大周向拉应力破坏准则作为模型的开裂准则,采用扩展有限元法建立衬砌开裂数值计算模型;3、定义了承载性能衰减率,针对公路隧道纵向裂缝,当裂缝以不同深度出现在任一单独部位,以及当裂缝以不同深度和部位进行组合的不同情况进行了数值模拟。建立了各工况下,衬砌承载性能的衰减率数据库,得到衬砌承载力衰减率的演变规律;4、定义了安全系数衰减率,建立带裂缝衬砌结构安全性评价方法,并对每个安全等级的处治措施进行了说明,以此构建了衬砌安全性评价标准;5、计算单一裂缝下,各工况的安全系数衰减率,对照建立的衬砌安全性评价标准给出了相应的安全等级、类别和处治措施。对于组合裂缝,结合单一裂缝的衬砌安全等级以及相关工程资料和工程经验分析,总结出相应的安全等级、类别和处治措施;6、应用VB语言开发了“隧道裂损衬砌结构承载性能与安全评价管理系统”,该系统可对隧道衬砌出现的裂缝组合进行基于承载力的结构安全性评价。本文所建立的基于承载力的隧道衬砌结构安全性评价标准,弥补了目前隧道结构评价中没有基于力学分析的评价方法的空白,对于隧道行业建立基于严格力学分析的结构安全性评价方法作了有益的探索和尝试。
【图文】：

公路隧道,增长趋势,隧道

进入 21 世纪以来，为带动全国各区域的经济发展，我国交通基建工程发展，隧道作为交通运输的重要关节点被广泛应用于各交通工程中，相比于其他形式，隧道有着不可被替代的自身优势，在复杂的地形中，隧道能够改善线缩短道路里程，从而提高运输效率和减少运输成本，由于隧道属于地下工程具有节约土地、保护环境的优点，在城市中修建隧道作为交通平台，可极大解地面的交通压力，提高整个城市的运转效率[1]。由于我国的地域十分辽阔，各个区域之间的地下工程条件差异较大[2]，，目前道工程的设计施工技术还不够成熟、施工设备不够先进、现场管理人员的专养良莠不齐，这些因素导致已修建的隧道出现了大量的病害，比如常见的衬构开裂、变形剥落、欠厚、脱空、渗漏水等病害，而这些病害几乎都与隧道开裂有关[3]。从 2000 年起，我国公路隧道的建设规模增长速度十分显著，截止到 2016 建成的隧道有 15181 座，总长度达到 14039.7km，特长隧道有 815 座，总长度 3622.7km[4]，隧道数量和隧道里程增长趋势分别见图 1-1、1-2。

公路隧道,里程,增长趋势

图 1-2 我国公路隧道里程增长趋势图随着全国范围内的道路交通网络的基本形成，我国的公路正由建设高峰期为养护期，且道路养护里程的增长速度明显超过道路建设里程的增长速度[5]， 1-3。根据相关工程统计资料，截止到 2015 年，我国近 80%的隧道已进入养修期，这些隧道都存在着不同程度的病害，如衬砌结构开裂、变形剥落、欠厚空、渗漏水等，病害严重的隧道甚至威胁到了行车的安全[6]，已成为行车和维护人员的安全隐患，从图 1-1 和图 1-2 可以看出，我国的隧道座数和里程基数巨大，且我国的公路隧道平均寿命较短，仅为 30 年左右，在将来，每年进入维修的隧道数量会以指数倍的速度增长，要做好如此巨大的养护维修工作，国来说是一个不小的挑战。为此，我们更应该提前做好相应的技术储备，即隧道病害的维修加固与养护技术储备[7]。为我国运营隧道病害的健康诊断、评估害的处治和维修加固提供坚实的后盾和技术支撑。
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U455.91

【参考文献】