松动荷载引起的公路隧道衬砌损伤演化特征及套拱加固的计算方法

The tunnel will be damaged inordinately and the bearing capacity for lining will decline when loose pressure increases because of the surrounding rock degradation and strata disturbance. This project aims at studying the load and deformation of lining and inner lining reinforced structure, characteristics of cracks growth and its failure mechanism. Directing at the effect mode of loose pressure and adopting comprehensive methods of model tests, numerical simulation and theoretical analysis, research of the project is conducted to study the attenuation law of lining crack, establish three-dimensional evaluation model of lining capacity under different state of damage and invert equivalent coefficient beam element stiffness and spring element parameter of crack to concise the criteria of health diagnose based on damage characteristics and quantize its relationship with lining capacity. This project uncovers the damage mechanism of inner lining reinforcement under secondary load, establishes evaluation mode of the inner lining reinforcement structure's capacity, analyzes the key factors of inner lining reinforcement structure's capacity and presents section capacity's reduction coefficient of different damage state of the original lining structure, establishes the calculation method for inner lining reinforcement of different forms, provides theoretical supports for the design of inner lining reinforcement under loose pressure.

由于围岩劣化或地层扰动等因素导致作用在隧道上松动荷载增加，引起隧道不同程度的损伤，导致承载力下降。本课题拟针对松动荷载作用模式，采用室内模型试验、数值模拟、理论分析等手段，研究隧道衬砌与套拱补强结构的受力变形、裂缝扩展特征及破坏模式，揭示隧道衬砌开裂损伤演化规律，建立不同损伤状态下衬砌承载力的三维评价模型和基于梁-弹簧单元的简易计算模型，并反演梁单元刚度等效系数与裂缝弹簧单元参数；凝练基于损伤特征的健康度评价指标，量化其与承载力的对应关系。揭示二次受力模式下套拱补强结构的损伤机理，建立不同损伤状态下套拱补强结构承载力的评价模型；分析套拱补强结构承载力的关键影响因素，并提出原衬砌结构不同损伤状态下的截面承载力折减系数，建立不同形式套拱加固的设计计算方法，为松动荷载下隧道衬砌套拱补强提供科学依据。

由于围岩劣化或地层扰动等因素导致作用在隧道上松动荷载增加，引起隧道不同程度的损伤，导致承载力下降。本项目结合松动荷载作用模式，通过室内模型试验、数值模拟以及理论分析等手段，分析了松动荷载下公路隧道衬砌变形及开裂损伤规律，提出了不同损伤状态下衬砌承载力的评价方法及健康度评价指标，建立了不同损伤状态的原结构承载力的计算模型，揭示了松动荷载下公路隧道衬砌以及套拱补强结构的损伤演化机理，分析了带损伤衬砌套拱补强后承载力的评价方法与影响因素，提出了套拱加固补强结构截面强度计算方法。.主要结论如下：.1）通过试验和考虑裂缝发展的扩展有限元三维仿真分析，得到了松动荷载作用下原结构的损伤演化规律，破坏集中在拱顶、两侧拱腰位置，破坏时形成“三铰拱几何可动体系”，拱顶下沉8~12cm，收敛8~11cm，松动荷载导致的受力裂缝密度0.8~1m/m2；地层抗力系数不同时，拱腰破坏位置和变形、裂损指标有所变化；结合现行养护技术规范、试验及计算分析结果，建立了不同地层条件下健康度（技术状况）与剩余承载力、变形、裂缝密度及抗弯刚度等指标的量化对应关系，提出了基于二维梁-弹簧单元的隧道结构承载能力简易计算模型，依据变形和结构病害特征快速评价损伤状态和健康度；.2）通过考虑二次受力的加固模型试验和精细化三维仿真分析，得到了松动荷载作用下套拱加固结构的损伤演化规律，在不同加固时机对衬砌结构极限承载力及变形有较大的影响，剩余承载力为15%时加固，加固后的极限承载力可提高111%，剩余承载力为0%时加固，加固后的极限承载力可提高86%；.3）建立了基于二次受力和组合梁单元的套拱加固结构内力计算模型，叠合式套拱可采用共结点方案模拟，分离式套拱采用界面摩擦或剪切弹簧方式模拟；提出了基于原结构损伤状态的加固截面极限承载力计算方法，结合试验和计算，给出了原结构承载力的折减系数，钢筋混凝土衬砌的中等-严重破损时承载力折减系数分别为0.7，0.1；.4）成果已初步应用于武吉高速田丘段引水隧道工程。