地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理與安全性評(píng)價(jià).pdf

1、軌道交通以其方便、快捷、高效的特點(diǎn)成為解決城市交通問題的重要措施，在保障城市正常運(yùn)轉(zhuǎn)方面發(fā)揮著不可替代的作用。工程實(shí)踐表明，隧道結(jié)構(gòu)病害是地鐵運(yùn)營過程中不可忽視的問題，對列車的運(yùn)營安全造成隱患。然而，目前對地鐵隧道的病害狀態(tài)、襯砌結(jié)構(gòu)裂縫的擴(kuò)展機(jī)理和分布模式以及結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)價(jià)的研究尚不多見。隨著軌道交通運(yùn)營體量的增大，隧道結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)價(jià)研究就顯得尤為必要。
　　本文首先以北京地鐵為例進(jìn)行了地鐵運(yùn)營隧道的病害狀態(tài)調(diào)研;其次，對礦

2、山法隧道復(fù)合式襯砌的初期支護(hù)與二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行了求解;再次，分析了地鐵隧道襯砌截面的極限內(nèi)力、裂縫擴(kuò)展過程及其影響因素;之后，對影響地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)破壞的結(jié)構(gòu)因素和地質(zhì)因素進(jìn)行分析，提出地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)破壞的裂縫分布模式;最后，給出了地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)價(jià)方法。本文的主要工作內(nèi)容和成果如下:
　　(1)現(xiàn)場調(diào)研及病害數(shù)據(jù)表明隧道襯砌孔縫是結(jié)構(gòu)滲漏水的多發(fā)位置，包括盾構(gòu)隧道的管片接縫、螺栓孔以及礦山法隧道中的“三縫”和襯砌

3、裂縫。斷面收斂變形超限和道床脫空在盾構(gòu)隧道中更為常見，其病害以滲漏水為主;礦山法隧道中以襯砌開裂為主且受結(jié)構(gòu)配筋影響較大。隧道運(yùn)營時(shí)間越長、測點(diǎn)位置越靠下，襯砌碳化情況越嚴(yán)重。
　　(2)基于彈性地基曲梁理論和初參數(shù)法，在不考慮初支與二襯之間摩擦的基礎(chǔ)上，假定兩者在隧道斷面徑向上滿足變形協(xié)調(diào)，以此求解復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力。二襯結(jié)構(gòu)內(nèi)力與隧道斷面半徑、斷面形式、初支和二襯厚度以及混凝土強(qiáng)度等級(jí)均有密切的關(guān)系。較之單層式襯砌結(jié)構(gòu)，由于二

4、襯結(jié)構(gòu)的存在，初支內(nèi)力的計(jì)算在各項(xiàng)上均有相應(yīng)的修正。
　　(3)基于混凝土理論，分析隧道二襯結(jié)構(gòu)在偏心受拉和偏心受壓破壞下的極限內(nèi)力。以混凝土斷裂理論為依據(jù)，編制求解裂縫擴(kuò)展深度的Matlab“搜索法”計(jì)算程序，獲得各破壞形式所對應(yīng)的裂縫擴(kuò)展曲線。截面軸力為拉力時(shí)，裂縫擴(kuò)展經(jīng)歷“未開裂、鋼筋保護(hù)層范圍內(nèi)的急速擴(kuò)展、越過鋼筋后的極緩慢擴(kuò)展、急劇擴(kuò)展以及鄰近破壞前的緩慢擴(kuò)展”5個(gè)非線性階段;當(dāng)截面軸向力為壓力時(shí)，裂縫經(jīng)歷非線性擴(kuò)展直至

5、貫穿整個(gè)截面。
　　(4)在襯砌截面裂縫擴(kuò)展分析的基礎(chǔ)上，分析截面剪力、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、二襯厚度、配筋數(shù)量、鋼筋屈服強(qiáng)度以及鋼筋保護(hù)層厚度對裂縫擴(kuò)展的影響。其中，較大剪力對襯砌截面的抗裂性能不利;高等級(jí)混凝土對受壓截面的裂縫控制能力要好于受拉截面;襯砌厚度越大，各階段內(nèi)的裂縫擴(kuò)展速率越快;高配筋量對裂縫的控制作用更為明顯;在材料彈性模量相同的前提下，高屈服強(qiáng)度鋼筋在裂縫擴(kuò)展控制方面并沒有太大的優(yōu)勢;鋼筋保護(hù)層厚度大的情況止裂效果更

6、好。不同階段內(nèi)裂縫擴(kuò)展的主要影響因素不同。
　　(5)基于正交分析原理建立112種工況，借助擴(kuò)展有限元計(jì)算研究結(jié)構(gòu)自身因素和工程地質(zhì)條件對襯砌結(jié)構(gòu)破壞的影響，提出了地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的裂縫分布模式。圍巖側(cè)壓力系數(shù)以及隧道斷面形式是影響結(jié)構(gòu)收斂變形和裂縫狀態(tài)的主要因素。結(jié)構(gòu)自身因素以及工程地質(zhì)條件各參數(shù)對襯砌結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的斷面收斂變形和裂縫狀態(tài)的影響不同;襯砌裂縫分布模式受斷面形式影響最大。
　　(6)采用模糊綜合評(píng)價(jià)法，建