基于温度效应的隧道衬砌结构力学特性及使用寿命研究

大量交通隧道投入运营不久便被迫返修，其结构使用寿命令人堪忧。影响隧道衬砌结构使用寿命的因素有多种，而由环境温度反复交替变化导致的结构耐久性失效，在寒区隧道中尤为常见。本项申请拟以公路隧道为背景，研究在周期性温差反复作用下，寒区隧道衬砌结构开裂损伤机理，及其使用寿命的预测理论和方法。研究方法拟现场试验与理论分析并重，采用精密仪器对裂缝的宽度、深度和扩展情况进行扫描观测，分析周期性温差反复作用下的裂缝变化规律，并根据损伤力学和断裂力学理论揭示衬砌结构内部累积损伤和表面开裂损伤机理；采用应力应变传感器和远程监测系统，对衬砌结构受力状况进行长期监测，分析其力学特性，建立裂缝和衬砌结构受力之间的关系。根据现场试验和理论分析结果，预测衬砌表面裂缝扩展时间，按照结构承载力安全理论建立隧道衬砌结构使用寿命的预测方法。研究成果可为保障寒区隧道结构安全和耐久性评估提供理论基础。

本项目以两座寒区隧道为工程依托，采用DJCS-OS型裂缝测深仪和表面应变计对二次衬砌裂缝进行了观测，分析了在周期性温差反复作用下隧道二次衬砌裂缝产生和发展机理。采用应力应变传感器和无线远程监测系统，对隧道二次衬砌结构受力进行了为期2年多的长期监测，结合有限元数值模拟计算，分析得到了隧道二次衬砌温度应力变化规律，建立了衬砌开裂与结构受力之间的关系。根据隧道地基水平抗力和混凝土温度应力进行理论分析，建立了温差作用下衬砌开裂预测模型，提出了二次衬砌合理长度。根据荷载结构法对二次衬砌结构内力进行计算，按最不利截面控制结构承载力，提出了隧道二次衬砌结构使用寿命预测理论。采用高标号混凝土减薄衬砌厚度的方法，可减小温度应力的影响，提高衬砌结构的使用寿命。