富水隧道新型一体化衬砌结构力学特性研究及工程应用

发布时间：2020-11-12 04:57

　　 随着国民经济的飞速发展,高速铁路隧道与高速公路隧道的建设数量和里程不断增加,隧道工程逐渐向富水地层、破碎围岩的复杂不良地质环境下发展。大量隧道在施工期和运营期都出现了不同程度的渗漏水问题,隧道渗漏水影响隧道使用寿命及隧道质量,侵蚀衬砌混凝土使其强度降低,出现开裂、剥落等现象,大大降低了隧道结构的承载能力及稳定性。通过案例调研,总结衬砌渗漏水的危害、类型等,对渗漏水的成因进行分析。针对渗漏水的成因,从材料和结构两个方面提出了渗漏水的治理思路,通过材料性能测试,发现乙烯基防水材料性能优良,能克服传统防水板的弊端,为渗漏水治理提供了材料基础。由于乙烯基防水层具有强粘合性,能与初支混凝土基面紧密贴合,改变了传统衬砌结构中初支、防水层和二衬相互隔离的状态,能实现与初支二衬的紧密贴合。提出了初支+强粘合性防水层+二衬的一体化衬砌结构形式,该结构能够改善衬砌结构受力状态,使初支二衬发挥协同承载作用,使初支二衬变形协调,提高衬砌结构承载能力。通过数值模拟和模型试验相结合的方法,探究一体化衬砌结构的受力变形规律和水压力分布规律等,为后续乙烯基防水层在工程现场的应用和衬砌结构设计提供指导和借鉴。本文依托滨莱高速姚家峪隧道,采用室内实验、数值模拟、模型试验、现场试验相结合的方法,探究了乙烯基防水材料的性能,研究了新型一体化衬砌结构的受力变形特征、衬砌水压力分布规律、衬砌结构的渐进性破坏特征等,为隧道衬砌渗漏水病害防治提供了一种解决措施,主要工作及研究成果如下:(1)分析了隧道渗衬砌漏水病害的成因和类型,提出了衬砌渗漏水的防治思路。通过材料性能测试,选择性能优良防水材料,测试了防水材料的不透水性、粘结强度、拉伸强度及断裂伸长率等。同时采用防水板和新型防水层制作两种不同类型的复合型试件,测试两种类型试件的抗压强度和抗剪强度,选定乙烯基防水材料作为新型防水材料。(2)基于乙烯基防水层强粘合性,能与初支二衬混凝土基面紧密贴合,提出了初支+强粘合性防水层+二衬的一体化衬砌结构形式。采用FLAC3D建立数值模型,研究变水头高度下的衬砌水压力变化规律。对比分析传统衬砌结构和新型一体化衬砌结构的变形特征,初步探索了衬砌厚度变化对隧道衬砌结构变形的影响。(3)基于相似理论,选取姚家峪隧道富水围岩段为工程依托,开展富水隧道衬砌结构力学特性模型试验研究。通过均匀液压加载系统和水压加载系统,实现地应力和水压力的分级加载,分析了隧道在采用全封堵及排水两种情况时,变水头高度下衬砌结构水压力变化规律,研究了一体化衬砌结构的受力特征,衬砌结构的渐进性破坏特征等。(4)在工程现场开展了乙烯基防水材料应用现场试验,动态分析评价了该防水材料的防水性能。乙烯基防水层施工快捷方便,具有良好的工程适用性;为隧道衬砌渗漏水防治提供了一种新的解决思路和工程借鉴。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U455.91
【部分图文】：

２．１隧道衬砌渗漏水病害??２．１．１隧道衬砌渗漏水类型??隧道渗漏水类型多种多样，工程中常见分类有如下几种［２（），６９］??（１）按照渗漏水的表观现象分为：湿渍、明水、水滴、漏水等。??（２）按照渗漏水发生位置及流量分为：拱顶渗水、滴水、漏水成线和成股喷??射四种形式，边墙和仰拱（底板）有渗水、淌水两种形式。??（３）根据隧道内混凝土结构表面水流形状分为：点渗漏、线渗漏和面渗漏。??（４）根据水源补给情况分为地下水补给和地表水补给两种，地下水补给水源??稳定，流量随四季变化较小，地表水补给流量随季节变化而变化，同一位置可能??兼具两种补给水源［７〇］。??

基于以上分析，对于材料方面，应寻找一种新型防水材料替代传统防水板，??满足隧道防水要求，克服传统防水板的弊端，并能一定程度减小衬砌裂损病害的??产生。对于衬砌结构方面，应建立一种基于新型防水层的初支＋防水层＋二衬的一??体化衬砌结构，减少衬砌后的空洞产生，使初支二衬共同发挥承载作用，提高衬??砌结构整体承载能力，从而达到衬砌渗漏水病害防治的目的。??为有效防治隧道衬砌渗漏水，寻找合适的防水材料替代传统的防水板，对多??种防水材料的性能进行测试，通过对该材料进行粘结强度测试、拉伸强度和断裂??伸长率测试、不透水性测试、以及复合型试件参数测试等，最后确定乙烯基防水??材料作为新型防水材料。乙烯基防水材料采用以乙烯基醋酸盐共聚物为单体，过??硫酸钠为诱发剂，聚合形成高分子喷涂式防水卷材，通过专用喷射机，计量输出??喷液，以诱发剂引发聚合反应，在初喷混凝土表面喷射凝聚形成具有一定强度和??韧度的防水层，实现阻水防水功能。??

山东大学硕士学位论文??该材料具有良好的延展性，在衬砌产生宽裂缝及较大变形时能不被拉断，保证其防水功能；该材料通过专用喷射机喷射到初支混凝土表面，能适混凝土基面；施工便捷，易于搭接，避免了传统防水板焊接不牢固的弊端；该材料能与初支二衬紧密粘结，避免了二衬混凝土浇筑过程中产生空洞的不存在防水层的松铺度问题；该材料与水泥砂浆等注浆材料有良好的亲和此一旦发生渗漏水，可以通过注浆等方式进行治理，重新形成致密的防水．：．?？
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本文编号：2880277