浙江大学学报(工学版), 2024, 58(7): 1417-1426 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2024.07.011

交通工程、土木工程

公路隧道箱型预制仰拱变形破坏的模型试验研究

王迎超,, 徐杭, 郝英, 周鑫, 刘泾堂, 李元海

1. 中国矿业大学 深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室,江苏 徐州 221116

2. 中国矿业大学 力学与土木工程学院,江苏 徐州 221116

3. 甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司,甘肃 兰州 730030

Model test research on deformation and failure of box-shaped prefabricated inverted arch structure of highway tunnel

WANG Yingchao,, XU Hang, HAO Ying, ZHOU Xin, LIU Jingtang, LI Yuanhai

1. State Key Laboratory of Intelligent Construction and Healthy Operation and Maintenance of Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China

2. School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China

3. Gansu Province Transportation Planning Survey and Design Institute Limited Company, Lanzhou 730030, China

收稿日期: 2023-06-30  

基金资助: 国家重点研发计划课题(2022YFC3003304);国家自然科学基金资助项目(42272313);甘肃省重点研发计划项目(21YF1GA381);甘肃省交通运输厅科技项目(2021-09);中国铁路上海局集团有限公司科研项目(2022178).

Received: 2023-06-30  

Fund supported: 国家重点研发计划课题(2022YFC3003304);国家自然科学基金资助项目(42272313);甘肃省重点研发计划项目(21YF1GA381);甘肃省交通运输厅科技项目(2021-09);中国铁路上海局集团有限公司科研项目(2022178).

作者简介 About authors

王迎超(1982—),男,教授,博士,从事隧道及城市地下工程灾害机理与防治研究.orcid.org/0000-0002-0566-563X.E-mail:wych12345678@126.com , E-mail:wych12345678@126.com

摘要

基于自主设计的新型箱型预制仰拱结构,采用室内物理模型试验,结合数字照相量测技术,研究该箱型预制仰拱的力学特性及破坏模式,通过数值模拟研究实际工况中衬砌与仰拱共同作用的受力规律. 结果表明:竖向荷载作用下产生的拉张效应是预制仰拱裂纹产生及发展的主要原因,水平压力对预制仰拱的裂纹发展作用不明显. 预制块接缝处以及各个预制块中柱转角处是预制仰拱结构的最薄弱部位,接缝处和转角处影响预制仰拱结构的安全. 预制仰拱位移变化关于中轴部位呈对称分布,位移由大到小依次为中间预制块、左1预制块、左2预制块、左3预制块. 箱型预制仰拱破坏可以分为加载压密、弹塑性变形和塑性破坏3个阶段. 当仰拱与衬砌共同作用时,仰拱的上部主要承受拉应力,仰拱的下部主要承受压应力. 试验结果表明,所设计仰拱结构具有良好的受力性能.

关键词: 公路隧道 ; 箱型预制仰拱 ; 室内模型试验 ; 仰拱裂隙 ; 仰拱接头

Abstract

A new box-shaped prefabricated inverted arch structure was designed. The mechanical characteristics and failure mode of the box-shaped prefabricated inverted arch were studied by indoor physical model test combined with digital photographic measurement technology, and the stress law of the lining and invert were studied by numerical simulation in actual working conditions. Results show that the tensile effect generated under vertical load is the main reason for the crack generation and development of the prefabricated inverted arch, while the horizontal pressure has no obvious effect on the crack development of the prefabricated inverted arch. The joints of prefabricated blocks and the corners of columns in each prefabricated block are the weakest parts of the prefabricated inverted arch structure, and the joints and corners affect the safety of the prefabricated inverted arch structure. The displacement of the prefabricated inverted arch is symmetrically distributed with respect to the central axis, and the displacement is the middle prefabricated block, the left 1 prefabricated block, the left 2 prefabricated block and the left 3 prefabricated block in order from large to small. The failure of the box-shaped prefabricated inverted arch can be divided into 3 stages: loading compaction, elastoplastic deformation and plastic failure. When acting with the lining, the upper part of the inverted arch is mainly subjected to tensile stress, while the lower part is mainly subjected to pressure. Experimental results show that the self-designed inverted arch structure has good mechanical performance.

Keywords: highway tunnel ; box-shaped prefabricated inverted arch ; indoor model test ; inverted arch crack ; inverted arch joint

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本文引用格式

王迎超, 徐杭, 郝英, 周鑫, 刘泾堂, 李元海. 公路隧道箱型预制仰拱变形破坏的模型试验研究. 浙江大学学报(工学版)[J], 2024, 58(7): 1417-1426 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2024.07.011

WANG Yingchao, XU Hang, HAO Ying, ZHOU Xin, LIU Jingtang, LI Yuanhai. Model test research on deformation and failure of box-shaped prefabricated inverted arch structure of highway tunnel. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2024, 58(7): 1417-1426 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2024.07.011

仰拱是公路隧道衬砌结构的重要组成部分,设置仰拱可以大大提高隧道结构的整体稳定性与承载力[1-2]. 传统公路隧道仰拱以现场钢筋人工绑扎和混凝土现浇相结合的方式施作,存在进度滞后、质量难以保证、场地限制等情况. 装配式结构相对于现浇混凝土结构有诸多优点:预制构件工厂化,可以控制制作质量;构件标准化程度高,可以实现构件通用化;施工机械化程度高,可以降低施工工序和时间,提高效率,降低工程造价.

预制仰拱块结构的选择是仰拱结构设计的基础,具体包括预制块的形状、厚度、数量等;只有确定合理的仰拱结构,方能便于预制仰拱块的制作和施工. 围绕预制仰拱选型及施工工艺的研究已取得一定成果. 唐伟[3]以某高速铁路单线盾构隧道为工程依托,对隧底回填分块预制、整块预制、整块预制+两侧布设纵梁3个方案进行综合比选分析,得出回填整块预制+两侧布设纵梁结构形式方案最优,最能充分发挥预制件的优越性. 陈敬军[4]提出对现行铁路隧道断面优化的结构形式,研究表明优化的衬砌形式较原衬砌形式不仅安全系数提高,而且减小了衬砌的变形量. 周佳媚等[5-7]对西康铁路预留中心排水沟的预制仰拱结构块进行详细的结构受力分析,深入研究了预制结构的初始地应力、上部支护结构、接头形式、仰拱结构设计等问题. 梁晋平[8]对山西万家寨引黄工程隧洞中采用的蜂窝状六边形混凝土预制管片进行管片储放和吊装时的受力情况研究,认为在运输和存放全过程中,所有形式管片的横断面均处于全压应力状态,设计制作预制块时应增加一定的配筋才能保证管片的安全. 张鹏[9]对板形预制管片和箱形预制管片进行比较研究,建议根据断面形式和施工需求选用不同形状的管片. 张斌[10]针对高铁隧道预制仰拱结构,在采用传统的钢筋混凝土预制仰拱基础上,提出不同的预制仰拱充填技术. 王明年等[11-13]分别对铁路、公路装配式衬砌构件不同划分方案下衬砌的力学特性开展相关研究. 时亚昕等[14-15]开展仰拱预制板施工工艺研究,确定最佳的铺底混凝土坍落度和预制仰拱构件的具体施工参数.

公路隧道预制仰拱结构没有实现标准化,公路隧道装配式衬砌主要参照地铁盾构隧道和铁路隧道相关经验,由于盾构隧道断面主要为圆形,比公路隧道内轮廓形状简单. 另外,关于公路隧道装配式仰拱结构及受力分析的研究较少. 本文以甘肃省内某钻爆法公路隧道为工程依托背景,以自主设计的公路隧道新型箱型预制仰拱结构为研究对象,采用室内物理模型试验结合数字照相量测技术,研究该箱型预制仰拱结构的力学特性及破坏模式,结合数值模拟研究实际工况中衬砌与仰拱共同作用下的受力规律.

1. 相似条件与相似材料

1.1. 模型试验相似条件

本模型试验不考虑如构件之间接头防水的细部构造,基于自主设计的箱型预制仰拱结构,具体相似关系按照相似第一定理[16]进行推导. 根据实验室加载设备和现场条件,采用几何相似比为1∶5,容重相似比为1∶1来控制其他物理力学参数的相似性. 根据几何相似比,仰拱结构长1 750 mm、高370 mm、宽度30 mm. 根据相似准则推得预制仰拱模型各个物理力学参数的相似比如下:几何相似比$ {C_L} = 5. $容重相似比$ {C_\gamma } = 1. $ 泊松比相似比$ {C_\mu } = 1. $ 应变相似比$ {C_\varepsilon } = 1. $ 强度相似比$ {C_R} = 5. $ 应力相似比$ {C_\sigma } = 5. $ 弹性模量相似比$ {C_E} = 5. $

1.2. 相似材料选择

箱型预制仰拱制作的主要材料有混凝土、钢筋、接头螺栓. 预制仰拱结构主要为拉张破坏,混凝土本身只能承受较小拉力,由于相似结构混凝土与原结构设计标号同为C35混凝土,根据文献[17]~文献[19]确定管片钢筋,根据等效抗弯刚度$ E I $完全相似的办法,通过相似比的计算,采用4 mm光圆钢筋代替;接头模拟的方法参考文献[18],在管片接缝位置开一定深度的槽缝来弱化该部位的抗弯刚度.

2. 仰拱模型制作

设计的新型预制仰拱截面尺寸如图1所示. 仰拱构件的浇筑过程如图2所示,具体包括制作仰拱模具、内置钢筋、钢筋置入模具、浇筑混凝土、振捣、养护、拆模、刷漆等工序.

图 1

图 1   预制仰拱截面尺寸

Fig.1   Sectional dimensions of prefabricated inverted arch


图 2

图 2   预制仰拱的浇筑过程图

Fig.2   Pouring process diagram of prefabricated inverted arch


3. 模型试验设计

3.1. 试验装置设计

在实际隧道工程中,作用在预制仰拱构件上的荷载非常复杂,除了轴力外,还有上部衬砌压力、地层反力、水土压力等,构件接头破坏主要由弯矩作用导致,轴力作用较小. 本试验仅考虑仰拱构件所受轴力和竖向压力作用. 具体做法:加载设备采用反力架,将预制仰拱构件反向置于框架内;轴力作用通过一侧千斤顶施加荷载实现,竖向压力通过顶部千斤顶施加面荷载传递至试件上部;观察箱型预制仰拱结构在承受竖向荷载作用下的变形、破坏全过程. 试验在中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室进行,现场加载情况如图3所示. 采用油压千斤顶与手压千斤顶相互配合控制加载. 油压千斤顶加载特点是速度快、荷载稳定,适合仰拱结构水平力较大且稳定的加载. 手压千斤顶加载特点是加载速度慢、精度高,适合试验监测重点仰拱结构竖向力的加载.

图 3

图 3   预制仰拱的加载试验图

Fig.3   Loading test diagram of prefabricated inverted arch


原型隧道最大埋深为162 m,隧道沿线围岩为Ⅲ~Ⅴ级,根据模拟计算得到隧道衬砌所受轴力为1 000~2 000 kN,本试验选择1 000 kN,根据相似比换算所加轴力为200 kN. 水平力通过油压千斤顶加载,采用力控制加载模式,每级荷载为20 kN;为了保证水平荷载和竖向荷载能够充分施加至构件上,加载时长为1 min,每级间隔3 min;试验加载过程中通过不断加、卸力保证水平力稳定. 竖向力采用手压千斤顶分级加载,加载前期每级荷载为10 kN,加载时长为1 min,每级间隔3 min;待构件出现开裂及屈服状态情况时,加载荷载降为5 kN,加载时长变为2 min,直至仰拱构件破坏(构件混凝土被拉碎或者内置钢筋拉断);竖向力加载过程中,通过加、卸载力保持水平力为200 kN不变. 具体加载情况如图4所示.

图 4

图 4   预制仰拱加载试验的流程图

Fig.4   Flowchart for loading test of prefabricated inverted arch


3.2. 数字量测监测系统

数字照相量测系统是通过高性能相机采集试验目标的图片后,根据散斑图像相关性分析原理对图片进行计算分析或特征识别的量测技术[20]. 本研究采用的数字量测软件由中国矿业大学李元海教授研发,软件系统由图像分析软件PhotoInfor和结果后处理软件PostViewer组成[21],如图5所示. 该软件功能强大,可以处理包括位移、变形、裂隙等相关信息.

图 5

图 5   数字照相量测软件系统

Fig.5   Digital photographic measurement software system


3.3. 图像分析过程

图6所示为数字量测监测过程图. 通过试验前期准备、预制仰拱浇筑及养护后进行试验,试验完成后进行图像以及相关数据的整理. 对预制仰拱在受力过程中变形破坏的图像进行分析,图像分析的过程如下.

图 6

图 6   预制仰拱的数字量测监测过程图

Fig.6   Process diagram of digital photogrammetric measurement for prefabricated inverted arch


(1)确定图像比例. 采用计算图像比例的方法进行图形变形的校正和坐标转换,具体做法是在模型上找到2个已知距离的点,图像比例计算为两点之间的距离与两点图像像素距离之比. 预制仰拱模型的两点实际距离/像素距离=0.31 mm/pixels.

(2)网格划分. PhotoInfor采用四边形单元作为网格测点,为此通过Ansys建模并利用其他软件将生成的单元转化为PhotoInfor识别的网格,导入PhotoInfor按常规网格点进行后续分析,如图7所示.

图 7

图 7   预制仰拱的网格划分

Fig.7   Grid division of prefabricated inverted arch


(3)创建项目. 在PhotoInfor软件中创建新项目并保存至目标文件夹,导入筛选后的试验图像以及转化好的Ansys网格.

(4)参数设置. 如图8所示,打开图像分析参数设置界面,进行测点布置、搜索模式、控制点等相关设置,各环节中最重要的是图像比例设置.

图 8

图 8   图像分析的参数设置界面

Fig.8   Parameter setting interface for image analysis


(5)图像分析. 各项参数与图像处理完成后,进行全部图像分析,初步进行结果的处理分析.

(6)导出结果至PostViewer. 图像运行分析结束后,如需继续查看分析结果(如位移矢量图、云图),须将分析结果保存为PostViewer软件识别的数字图像相关法(digital image correlation,DIC)序列文件并导入PostViewer软件,实现结果查询、提取功能.

4. 试验结果及分析

4.1. 预制仰拱裂纹扩展分析

图9所示为预制仰拱在加载过程中破坏及裂纹发展情况. 施加水平力后,预制仰拱结构没有发生明显变化,仅是相对位置在水平力的作用下产生一定的横向位移,无明显的裂纹产生. 水平力施加完毕后开始施加竖向荷载,当竖向荷载施加至40 kN时,右侧预制仰拱块各中柱转角处均出现裂纹. 当竖向荷载施加至60 kN时,两侧预制仰拱块及中间预制块各中柱转角处对称出现裂纹,其中左2(右2)、左3(右3)预制仰拱转角部位裂隙前后对称贯穿,同时中间预制块、左3(右3)预制块一侧凹槽处出现裂纹. 当竖向荷载施加至140 kN时,位于左3(右3)底部凹槽、中柱凹槽处产生裂纹,较之前凹槽裂隙多3条,其余裂纹都是在之前荷载产生裂纹上延伸,其中右1、左2(右2)中柱转角处裂隙明显变宽. 当竖向荷载增加至180 kN时,预制仰拱结构发生变化,产生明显竖向位移. 左2(右2)预制块一侧凹槽处出现裂纹,中间预制块凹槽裂纹以及右3预制块凹槽裂纹继续向外延伸,至此预制仰拱所有底部凹槽均出现裂纹. 中间预制块以及右1预制块中柱转角处均出现多条裂纹,左2(右2)中柱裂纹明显变宽并发生转动. 当竖向荷载增加至190 kN时,多条裂纹继续发展并发生贯穿破坏,其中右2、右3的凹槽处完全破坏,中柱转角处裂纹变宽发生明显破坏,对称于左2预制块中柱转角处裂纹继续变宽发生局部破坏;当竖向荷载增加至210 kN时,右2预制仰拱块关于凹槽裂隙处完全破坏,其余预制块凹槽部位均出现不同程度贯穿式裂纹. 至此预制块产生明显竖向位移,整体结构承载性能已经失效.

图 9

图 9   加载过程中预制仰拱的破坏及裂隙发展

Fig.9   Damage and crack development of prefabricated inverted arch during loading


综上所述,竖向压力产生的拉张破坏作用是预制仰拱裂纹发展的主要原因,水平压力对预制仰拱不会产生明显的裂隙发展. 当竖向压力不断增加,预制仰拱块首先在各个预制块转角处产生裂纹并继续发展,之后各个预制块之间凹槽处产生裂纹并继续发展,最后预制仰拱完全破坏. 预制块凹槽处产生贯穿式裂纹是导致仰拱结构整体发生破坏的主要原因,因此预制块接缝处以及各个预制块中柱转角处是预制仰拱结构最为薄弱的部位,同时预制块接缝处是影响整个预制仰拱结构安全的关键因素.

4.2. 预制仰拱位移分析

图10所示为预制仰拱位移云图演化过程,其中H为高度,L为长度,X为位移. 位移云图表现预制仰拱各个部位变形情况,位移矢量表现预制仰拱各个部位位移变化方向. 预制仰拱在施加水平力后整体有较小的向右水平位移,最大值为6.58 mm预制仰拱施加40 kN的竖向力后仰拱结构位移变化仍然不大;当预制仰拱施加140 kN的竖向力后,预制仰拱产生明显向下位移,位移以中间预制块为对称轴向左右两边递减,中间预制块的最大位移约为23.19 mm;当预制仰拱施加较小竖向力时,仰拱整体位移明显增加直至破坏,破坏时中间预制块及其周围整体位移最大,最大值为43.10 mm. 右侧预制块整体产生向右上的位移,这可能是预制仰拱在承受正弯矩时,上部仰拱受压直至破坏,或者是千斤顶作用方向的偏离误差所致.

图 10

图 10   预制仰拱的位移云图演化过程

Fig.10   Displacement nephogram evolution process of prefabricated inverted arch


利用PostViewer后处理软件查看指定测线数据功能,如图11所示为预制仰拱底部位移变化趋势图,其中XT为测点位移. 可以看出,预制仰拱整体位移变化呈对称分布,中间预制块位移最大,越靠近中间预制块的仰拱位移变化越小,当测点位置远离左(右1)预制块后仰拱位移迅速减小.

图 11

图 11   仰拱底部的位移变化趋势

Fig.11   Trend of displacement variation at bottom of inverted arch


利用PostViewer后处理软件中提取测点的方法,研究预制仰拱各个部位在整个受力过程中位移变化情况. 预制仰拱位移基本呈对称变化,因此选取左侧3个预制块以及中间预制块底部4个测点作为关键点进行统计分析,如图12所示为各个预制块在受力过程的位移变化情况,其中Q为荷载. 预制仰拱在受力过程中位移变化大致可以分为3个阶段:加载压密、弹塑性变形、塑性破坏. 加载致密阶段为施加竖向力0~50 kN的过程,此阶段构件未出现明显裂纹发展,当施加水平力为0~200 kN时,仰拱构件承受水平轴力而被逐渐压实. 加载压密阶段仰拱承受的竖向荷载较小,施加的竖向力抵消了施加水平力引起的仰拱向上隆起作用,因此整个阶段位移很小. 弹塑性变形阶段施加的竖向力为50 kN~140 kN,此阶段构件上出现裂纹发展,当竖向力为50 kN~80 kN时,该阶段随着荷载的逐渐增加,测点位移陡增,预制仰拱裂纹数量增加,但此时预制仰拱并未发生明显的破坏. 当施加竖向力为80 kN~140 kN,虽然荷载增加幅度较大,但是各测点位移变化较小,预制仰拱在此阶段新裂纹增加不多,主要是原来产生的裂纹进一步扩展. 塑性破坏阶段施加的竖向力为140 kN~200 kN,该阶段裂纹发展迅速并出现贯穿情况,随着竖向力的缓慢增加,预制仰拱位移出现陡增直至整体破坏. 各个测点在不同阶段的位移变化由大到小依次为中间预制块、左1预制块、左2预制块、左3预制块. 因此在隧道工程实践中,应重点监测中间预制块的位移变化情况.

图 12

图 12   仰拱的位移变化图

Fig.12   Displacement variation diagram of inverted arch


4.3. 预制仰拱接头分析

PhotoInfor软件自带通用点对分析功能,可以实现相邻点的相对位移、转角和应变统计分析. 本研究选取各预制仰拱接头凹槽部位两边点作为分析对象,预制仰拱接头凹槽部位相对位移和素描图如图13所示,其中素描图中不带箭头的线段与带箭头线段分别为散点变形前与变形后的连线图. 可以看出,预制仰拱接头凹槽部位相对位移基本关于中轴部位呈对称变化,且越靠近中轴,接头凹槽相对位移素描图越竖直,代表凹槽部位竖向位移较大而水平位移较小. 当接头凹槽越远离中轴时,尤其是仰拱上部凹槽部位的相对转角越大,代表此时接头凹槽部位水平位移较大. 从素描图中各接头凹槽部位相对位移对比中可以看出,越靠近中轴部位接头凹槽相对位移越大,相对位移数值越大代表此时接头部位承受的拉力越大,预制仰拱接头部位混凝土越容易破坏.

图 13

图 13   预制仰拱接头凹槽部位的相对位移和素描图

Fig.13   Relative displacement and sketch of groove position of prefabricated inverted arch joint


为了更好统计预制仰拱凹槽部位相对位移变化情况,对接头测点相对位移变化过程曲线进行分析,如图14所示. PhotoInfor软件将测点顺序进行奇数-偶数配对(如测点1-测点2、测点3-测点4、测点5-测点6等),以左上、左下向右的顺序选取测点,由于预制仰拱接头测点位移关于中轴基本呈对称变化,仅列举左侧部分测点位移变化过程. 可以看出,预制仰拱接头测点相对位移变化过程基本可以分为3个阶段. 在施加水平力为0~200 kN阶段,接头测点相对位移几乎为0. 在施加竖向力为0~170 kN阶段,各个接头都逐渐产生相对位移,其中测点1-测点2、测点3-测点4、测点5-测点6产生负位移(挤压),测点9-测点10、测点11-测点12产生正位移(拉张),测点7-测点8首先产生负位移,之后相对位移随着荷载增加而增加. 在施加竖向力为170 kN~200 kN阶段,当竖向力增加至一定程度后,接头测点相对位移迅速增加直至构件破坏. 最终测点5-测点6接头相对位移最接近0,测点3-测点4相对负位移大于测点1-测点2,测点7-测点8相对位移小于测点11-测点12,但是大于测点9-测点10相对位移. 由此可以看出,靠近中轴预制仰拱的接头以拉张破坏为主,且下部接头破坏情况大于上部接头;预制仰拱两侧接头以挤压破坏为主,上部接头破坏情况大于下部接头.

图 14

图 14   测点相对位移曲线

Fig.14   Relative displacement curve of measuring points


5. 箱型预制仰拱构件与隧道衬砌结构的整体受力规律

利用Flac3D数值模拟软件研究箱型预制仰拱构件与隧道衬砌结构共同受力情况,从位移变化[22]和最大主应力方面开展分析. 以甘肃省某钻爆法公路隧道为工程依托背景,隧道埋深150 m,属于V级围岩段砂砾岩,隧道初支厚度为30 cm,二衬厚度为50 cm,围岩和支护结构参数如表1所示. 表中,γ为容重、E弹性模量、μ为泊松比、C为黏聚力、Φ为内摩擦角. 隧道模型如图15所示,当模型边界到隧道周边距离大于3倍隧道直径时,隧道开挖对边界影响可以忽略不计,隧道模型采用三维模型,模型尺寸为120 m×1.20 m×120 m.

表 1   围岩和支护结构的力学参数

Tab.1  Mechanical parameters of surrounding rock and supporting structure

类型γ/(kN·m−3)E/GPaμC/MPaΦ/(°)
围岩200.30.3227
初支2229.40.235
二衬2431.40.235
仰拱2534.00.235

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图 15

图 15   公路隧道模型

Fig.15   Highway tunnel model


开挖方式采用交叉中隔墙(cross diaphragm, CRD)工法施工,如图16所示为开挖示意图. 通过数值模拟得到隧道支护结构位移云图以及最大主应力云图如图17所示. 可以看出,支护结构位移主要集中于拱顶以及拱底处且呈左右对称分布. 拱腰处的水平位移向外发展,原因是在隧道开挖、支护结构施作后,支护结构竖向承受较大围岩压力,导致支护结构拱腰部位向外扩散,抵抗围岩水平应力以此起到保护隧道的作用. 二次衬砌产生的位移明显小于初支和仰拱,可以得出支护结构中初期支护为主要承受围岩压力的结构,二衬起安全储备的作用. 仰拱构件的位移主要集中在构件底部,上部产生的位移相对较小,且主要集中在竖撑和构件连接处. 最大拉应力主要集中于仰拱顶部;拱顶部位也有小部分区域承受拉应力,其他区域主要以压应力为主. 可以得出,预制仰拱结构是支护结构中最容易被破坏的结构,因此为了防止仰拱构件上部出现张拉破坏,应该加大配筋或者增大截面尺寸.

图 16

图 16   交叉中隔墙法的开挖示意图

Fig.16   Excavation diagram of cross diaphragm method


图 17

图 17   隧道支护结构云图

Fig.17   Nephogram of tunnel supporting structure


6. 结 论

(1)箱型预制仰拱裂纹发展规律:竖向压力产生的拉张破坏作用是预制仰拱裂纹产生并扩展的主要原因,水平荷载对预制仰拱的破坏作用不显著. 预制块接缝处以及各个预制块中柱转角处是预制仰拱结构最为薄弱的部位,预制块接缝处是影响整个预制仰拱结构安全的关键因素.

(2)箱型预制仰拱位移变化规律:预制仰拱位移变化关于中轴部位呈对称分布,中间预制块位移最大,越靠近中间预制块的仰拱位移越小,当测点位置远离左1(右1)预制块后,仰拱位移迅速减小. 位移由大到小依次为中间预制块、左1预制块、左2预制块、左3预制块. 在实际隧道工程中,应当着重监测中间预制块的位移变化情况.

(3)箱型预制仰拱破坏可以分为加载压密、弹塑性变形和塑性破坏3个阶段. 预制仰拱接头相对位移变化可以分为3个阶段:1)随着荷载增加接头无明显位移;2)接头相对位移稳定增加;3)接头相对位移迅速增加直至破坏.

(4)越靠近中轴,接头凹槽竖向位移越大,水平位移越小;当接头凹槽越远离中轴时,尤其是仰拱上部凹槽部位的相对转角越大,此时接头凹槽部位水平位移较大. 靠近中轴的预制仰拱接头以拉张破坏为主,且下部接头破坏情况大于上部接头;预制仰拱两侧接头以挤压破坏为主,上部接头破坏情况大于下部接头.

(5)通过箱型预制仰拱构件与隧道衬砌结构的整体受力数值模拟可知,该预制仰拱构件在隧道支护中,位移主要发生在拱顶和拱底位置,对于仰拱构件来说,底部隆起量比上部大很多;支护出现的拉应力主要出现在仰拱上部,其他部分主要以压为主.

参考文献

王明年, 翁汉民, 李志业

隧道仰拱的力学行为研究

[J]. 岩土工程学报, 1996, 18 (1): 46- 53

DOI:10.3321/j.issn:1000-4548.1996.01.007      [本文引用: 1]

WANG Mingnian

WENG Hanmin, LI Zhiye. Study on the mechanic behavior of tunnel invert

[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1996, 18 (1): 46- 53

DOI:10.3321/j.issn:1000-4548.1996.01.007      [本文引用: 1]

FANG Y, DING K

Mechanical effects analysis of inverted arch

[J]. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, 490: 032026

DOI:10.1088/1757-899X/490/3/032026      [本文引用: 1]

唐伟

高速铁路单线盾构隧道装配式隧底回填结构设计研究

[J]. 铁道标准设计, 2020, 64 (11): 99- 103

[本文引用: 1]

TANG Wei

Research on fabricated bottom backfill structure design of single line shield tunnel in high-speed railway

[J]. Railway Standard Design, 2020, 64 (11): 99- 103

[本文引用: 1]

陈敬军. 矿山法施工的铁路隧道装配式衬砌力学特性研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2005.

[本文引用: 1]

CHEN Jingjun. Study on the mechanical characteristic of the fabricated railway tunnel lining constructed with mining method [D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2005.

[本文引用: 1]

周佳媚, 高波, 李志业

TBM施工隧道仰拱预制块的力学特性研究

[J]. 岩土力学, 2004, 25 (12): 1973- 1976

DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2004.12.023      [本文引用: 1]

ZHOU Jiamei, GAO Bo, LI Zhiye

Study of mechanical characteristics of precast block of inverted arch for TBM construction tunnel

[J]. Rock and Soil Mechanics, 2004, 25 (12): 1973- 1976

DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2004.12.023      [本文引用: 1]

周佳媚, 李志业, 高波

TBM施工隧道仰拱预制块的受力分析

[J]. 中国铁道科学, 2004, 25 (3): 32- 35

DOI:10.3321/j.issn:1001-4632.2004.03.007     

ZHOU Jiamei, LI Zhiye, GAO Bo

Mechanic analysis of invert prefabricate in TBM construction tunnel

[J]. China Railway Science, 2004, 25 (3): 32- 35

DOI:10.3321/j.issn:1001-4632.2004.03.007     

符亚鹏

敞开式TBM施工铁路隧道仰拱预制块关键设计参数研究

[J]. 铁道标准设计, 2016, 60 (8): 79- 83

[本文引用: 1]

FU Yapeng

Study on key design parameters of prefabricated invert segment for open type TBM railway tunnel construction

[J]. Railway Standard Design, 2016, 60 (8): 79- 83

[本文引用: 1]

梁晋平

六边形混凝土预制管片衬砌设计

[J]. 水利水电技术, 2011, 42 (6): 15- 17

[本文引用: 1]

LIANG Jinping

Design of hexagon-precast concrete lining segment

[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2011, 42 (6): 15- 17

[本文引用: 1]

张鹏

隧道盾构管片衬砌参数的设计

[J]. 山西建筑, 2017, 43 (31): 163- 164

DOI:10.3969/j.issn.1009-6825.2017.31.092      [本文引用: 1]

ZHANG Peng

The design of shield tunnel segment lining parameters

[J]. Shanxi Architecture, 2017, 43 (31): 163- 164

DOI:10.3969/j.issn.1009-6825.2017.31.092      [本文引用: 1]

张斌. 山岭高铁隧道预制装配式轨下结构设计选型及优化研究[D]. 北京: 中国铁道科学研究院, 2019.

[本文引用: 1]

ZHANG Bin. Design and optimization of prefabricated fabricated rail structure for mountain high speed railway tunnel [D]. Beijing: China Academy of Railway Sciences, 2019.

[本文引用: 1]

王明年, 李志业, 魏龙海. 隧道及地下铁道预制化技术[M]. 成都: 西南交通大学出版社, 2009.

[本文引用: 1]

郇星超. 公路隧道装配式衬砌结构研究[D]. 西安: 长安大学, 2013.

HUAN Xingchao. Prefabricated lining structure research of highway tunnel [D]. Xi’an: Chang’an University, 2013.

严义招. 高速铁路大跨度双线隧道矿山法施工的装配式衬砌力学特性研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2008.

[本文引用: 1]

YAN Yizhao. Research on mechanical characteristic of fabricated lining of high speed railway longspan two-line tunnel constructed with mining method [D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2008.

[本文引用: 1]

时亚昕. 隧道仰拱快速施工技术的现场试验研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2004.

[本文引用: 1]

SHI Yaxin. The in-situ experimental study about fast-speed construction technology of tunnel invert [D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2004.

[本文引用: 1]

王武现. 隧道仰拱(铺底)预制板快速施工技术研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2007.

[本文引用: 1]

WANG Wuxian. Research on the fast-speed construction technology of precast-slab for tunnel invert [D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2007.

[本文引用: 1]

王士民, 陈兵, 王先明, 等

盾构隧道二次衬砌合理施作时机模型试验研究

[J]. 岩土工程学报, 2020, 42 (5): 882- 891

DOI:10.11779/CJGE202005010      [本文引用: 1]

WANG Shimin, CHEN Bing, WANG Xianming, et al

Model tests on reasonable construction time of secondary lining of shield tunnel

[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2020, 42 (5): 882- 891

DOI:10.11779/CJGE202005010      [本文引用: 1]

何川, 唐志成, 汪波, 等

应力场对缺陷隧道承载力影响的模型试验研究

[J]. 地下空间与工程学报, 2009, 5 (2): 227- 234

DOI:10.3969/j.issn.1673-0836.2009.02.005      [本文引用: 1]

HE Chuan, TANG Zhicheng, WANG Bo, et al

Study on effects of stress field for bearing capacity in defect tunnel

[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2009, 5 (2): 227- 234

DOI:10.3969/j.issn.1673-0836.2009.02.005      [本文引用: 1]

唐志成, 何川, 林刚

地铁盾构隧道管片结构力学行为模型试验研究

[J]. 岩土工程学报, 2005, 27 (1): 85- 89

DOI:10.3321/j.issn:1000-4548.2005.01.014      [本文引用: 1]

TANG Zhicheng, HE Chuan, LIN Gang

Study on mechanical behavior of segment of shield tunnel of metro with model test

[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005, 27 (1): 85- 89

DOI:10.3321/j.issn:1000-4548.2005.01.014      [本文引用: 1]

兰宇. 高速公路隧道维护加固对策的模型试验研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2005.

[本文引用: 1]

LAN Yu. Model test of expressway tunnel for maintenance and reinforcement strategies [D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2005.

[本文引用: 1]

李元海, 靖洪文, 刘刚, 等

数字照相量测在岩石隧道模型试验中的应用研究

[J]. 岩石力学与工程学报, 2007, 26 (8): 1684- 1690

DOI:10.3321/j.issn:1000-6915.2007.08.020      [本文引用: 1]

LI Yuanhai, JING Hongwen, LIU Gang, et al

Study on application of digital close range photogrammetry to model test of tunnel in jointed rock masses

[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26 (8): 1684- 1690

DOI:10.3321/j.issn:1000-6915.2007.08.020      [本文引用: 1]

刘德柱. 基于数字照相的软弱缓倾层状隧道围岩稳定性试验研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2021.

[本文引用: 1]

LIU Dezhu. Experimental investigation on the stability of the surrounding rock of a soft and slowly inclined layered tunnel based on digital photogrammetry [D]. Xuzhou: China University of Mining and Technology, 2021.

[本文引用: 1]

刘泾堂, 王迎超, 邱成虎, 等

公路隧道装配式仰拱结构形式优化设计

[J]. 河海大学学报: 自然科学版, 2023, 51 (4): 55- 64

[本文引用: 1]

LIU Jingtang, WANG Yingchao, QIU Chenghu, et al

Optimal design of prefabricated inverted arch structure for highway tunnels

[J]. Journal of Hohai University: Natural Sciences, 2023, 51 (4): 55- 64

[本文引用: 1]

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