既有交通隧道衬砌裂损快速修补组合结构受力机理研究

Most of the transportation tunnels are composite lining structure, based on investigation, project comparison, systematic indoor experiment, numerical simulation and site test, with the help of residue load competent, research on fast repair assembly structure for existing transportation tunnel is done. The study focuses on mechanical mechanism and performance of the assembly structure. Mechanical characteristic of assembly board, anchoring unit is studied. Preferably the new material that to be able to ensure the reliability and durability of the composite structure is selected, such as FRP, special glass, light alloy and galvanized steel sheet etc.. Meanwhile, the arrangement (hoop strip shape, verticle-transverse net shape), dimensions of assembly board and high intensity short anchor, the arrangement and rapid anchoring of anchor are established. With these functions, high intensity assembly board and lining cracking could be fast and effectively connected for a long period of time, thus mechanical advantages of the assembly structure could be fully used, and the mechanical statement of lining cracking could be changed and load competent is strengthened. The rapid repair assembly structure could be widely used in railway tunnel and road tunnel repair projects, furthermore, it could be promoted in the high speed railway tunnel.

针对交通隧道大多是复合式衬砌结构的特点，在充分利用裂损衬砌残余能力的基础上，采用调查研究、工程类比、系统性室内实验、数值模拟及现场测试等方法，研究能对既有交通隧道裂损衬砌实现快速修补的组合结构，主要开展组合结构及其锚固件的受力机理和性能研究。把握组合结构的组合板、锚固件受力特性；选用满足相应力学性能和耐久性要求的高性能材料（如高分子、FRP、特种玻璃、轻质合金、镀锌钢板等）；确定组合结构的布置形式（环向条带式、纵横向网格式等）、组合板和高强短锚尺寸、锚固件布置和快速锚固方式等。使高性能组合板与裂损衬砌在锚固件作用下快速、长期有效连接，充分发挥组合结构各构件的性能优势，改善裂损衬砌的受力状态，提高修补后裂损衬砌的承载能力。通过研究形成多种能实现快速修补既有交通隧道衬砌裂损的组合结构，将研究成果在普速铁路隧道、公路隧道的病害整治工程中大量应用，并在高速铁路隧道的衬砌裂损修补中进行推广。

项目于2014年获得资助，研究时间为2015.1.1~2018.12.31。研究采用资料调研、室内模型及1:1原型构件试验、数值模拟和现场测试等手段，提出了在充分利用裂损衬砌残余能力基础上以实现快速修补的组合结构，针对板式短锚组合结构开展了完好衬砌、不同程度裂损衬砌及裂损衬砌修补组合结构的整体承载能力和力学机理等研究。.模型试验和数值模拟研究得：隧道拱顶存在30%、50%、70%损伤时安全性比完好衬砌降低43.2%、51.3%、59.4%，经板式构件修补后整体安全性分别提高19.0%、22.2%、26.6%；组成组合结构的裂损衬砌和板式构件分别承担60~80%、40~20%荷载，板式构件主要作用是改善裂损衬砌的受力状态和约束裂损的发展，而裂损衬砌仍是受力主体；板式构件应具有良好的抗拉性能和较好的延展性以承受张拉应力和短锚处集中应力，以使其与短锚和既有裂损衬砌协同工作。.1:1原型构件试验和精细化数值模拟研究得：精细化数值模拟与1:1原型构件试验的极限承载力最大相差5.82%，并结合两者的破坏形态及应力应变等对比，证明精细化数值模拟适于组合结构研究，并全过程能获得裂缝发展及构件破坏后应力应变等构件试验所不易获取的数据；板式短锚组合结构对裂损30%、50%和70%构件修补后，极限承载力分别提高20.37%、24.22%和28.36%，参数合适的板式构件和短锚可使组合结构的极限承载力强于完好构件；裂损区附近短锚应具有较高抗拉拔能力、远离裂损区短锚应具有较大有效截面积和较高抗剪强度以确保板式构件与裂损衬砌的有效连接和共同受力。.通过研究，分析了板式短锚与裂损衬砌形成组合结构的力学机理，并据受力特性及性能要求明确了组合结构各部件的材料性能和布置形式等，提出并证明了基于1:1原型构件试验和精细化数值模拟开展该类问题研究的可行性，研究成果有望应用于日益增多的隧道病害整治。