中鐵某標段隧道襯砌脫空對結(jié)構(gòu)安全的影響分析PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1 中鐵某標段隧道襯砌脫空對結(jié)構(gòu)安全的中鐵某標段隧道襯砌脫空對結(jié)構(gòu)安全的 影響分析影響分析 隨著鐵路建設(shè)的范圍越來越廣泛，鐵路隧道面臨的 地質(zhì)、設(shè)計、施工及結(jié)構(gòu)安全問題較以往更具有特殊性 和典型性。隧道襯砌結(jié)構(gòu)是否可靠，主要由地質(zhì)條件、 設(shè)計參數(shù)、施工質(zhì)量以及相應(yīng)的建設(shè)管理等因素控制。 由于鐵路隧道襯砌斷面考慮空氣動力學(xué)原因，隧道斷面 較大，給隧道施工質(zhì)量提出了更高的要求。按照新奧法 的設(shè)計理念，隧道襯砌與圍巖緊密貼合，共同受力變形 ，設(shè)計計算中也考慮隧道襯砌背后的圍巖可以提供連續(xù) 的徑向彈性抗力。 1 概概 述述 第1頁/共47頁 1 概述概述 然而，由于施工質(zhì)量問題，隧道襯砌與背后圍

2、巖脫空 ，未密貼，圍巖未提供連續(xù)有效的彈性抗力，襯砌結(jié)構(gòu)承 載不均勻，產(chǎn)生不均勻地層反力，引起結(jié)構(gòu)局部地方應(yīng)力 集中，嚴重影響結(jié)構(gòu)安全儲備，危害結(jié)構(gòu)安全，實際工程 中造成結(jié)構(gòu)開裂、掉塊，局部結(jié)構(gòu)防排水措施失效等病害 。本文結(jié)合某鐵路隧道的工程實例，以數(shù)值模擬為手段， 分析不同脫空部位及脫空范圍對結(jié)構(gòu)受力特征的影響，為 鐵路隧道的結(jié)構(gòu)安全提供技術(shù)基礎(chǔ)及方案處理對策。 第2頁/共47頁 2 脫空的數(shù)值模脫空的數(shù)值模 擬擬 2.1 數(shù)值計算模型建立及參數(shù)取值數(shù)值計算模型建立及參數(shù)取值 由于隧道背后脫空現(xiàn)象多發(fā)生于巖層條件較好的硬質(zhì) 巖中，以典型的灰?guī)r隧道為例，隧道斷面深埋，圍巖為 灰?guī)r(D2q)：淺

3、灰、灰色，中厚層狀，巖質(zhì)硬脆 ，節(jié)理裂隙弱發(fā)育，地下水弱發(fā)育。斷面采用地層結(jié)構(gòu)法 進行了級圍巖隧道平面應(yīng)變分析，III 級 A 型復(fù)合式襯 砌斷面如圖 1 所示。計算模型橫向?qū)挾?180 m，縱向高 度 150 m，直角坐標系的坐標原點位于仰拱中心。 第3頁/共47頁 假設(shè)圍巖材料均服從Mohr-Coulomb準則，四 面體單元進行離散；隧道二襯采用彈性梁單元模擬， 左側(cè)邊墻腳處的單元為1#，順時針編號，二襯共劃 分了92個單元。 在整體坐標系里，X軸平行于隧道斷面且與水平 地面平行，Y軸垂直向上，Z軸沿隧道中線，靜力分 析中X方向約束法向位移，底部邊界約束X、Y方向位 移，共離散了2740個

4、單元，2850個節(jié)點。數(shù)值計算 各參數(shù)取值見表 1。 2 脫空的數(shù)值模脫空的數(shù)值模 擬擬 2.1 數(shù)值計算模型建立及參數(shù)取值數(shù)值計算模型建立及參數(shù)取值 第4頁/共47頁 2 脫空的數(shù)值模脫空的數(shù)值模 擬擬 圖1：III級A型復(fù)合式襯砌斷面示意圖 2.1 數(shù)值計算模型建立及參數(shù)取值數(shù)值計算模型建立及參數(shù)取值 第5頁/共47頁 2 脫空的數(shù)值模脫空的數(shù)值模 擬擬 表1： 模擬參數(shù)取值 2.1 數(shù)值計算模型建立及參數(shù)取值數(shù)值計算模型建立及參數(shù)取值 項目名稱 E/MPa 天然容重 (kN/m3) 內(nèi)聚力 c(kPa) 內(nèi)摩擦角 () 圍巖37000.2825110044 二襯 300000.2225

5、第6頁/共47頁 2.2 靜力模擬工況靜力模擬工況 本次模擬共進行了10種工況的分析，考慮沿拱圈 0.5m范圍內(nèi)混凝土與二襯脫離來進行模擬，共劃分 了16個脫空單元，如圖2所示。模擬主要分為4種類 型10個小項，分別為：二襯與圍巖緊密貼合無脫空、 拱頂脫空、拱腰脫空和邊墻脫空，具體工況如表2所 示。 2 脫空的數(shù)值模脫空的數(shù)值模 擬擬 第7頁/共47頁 圖2：數(shù)值模擬16個脫空單元示意圖 2 脫空的數(shù)值模脫空的數(shù)值模 擬擬 2.2 靜力模擬工況靜力模擬工況 第8頁/共47頁 2 脫空的數(shù)值模脫空的數(shù)值模 擬擬 表2： 數(shù)值模擬工況表 2.2 靜力模擬工況靜力模擬工況 項目名稱模擬內(nèi)容 無脫空二

6、襯與圍巖緊密貼合 拱頂脫空 1 m單元 1 與二襯分離 2 m單元 1、單元 2 與二襯分離 4 m單元 1單元 4 與二襯分離 拱腰脫空 1 m單元 9 與二襯分離 2 m單元 9、單元 10 與二襯分離 4 m單元 9單元 12 與二襯分離 邊墻脫空 1 m單元 13 與二襯分離 2 m單元 13、單元 14 與二襯分離 4 m單元 13單元 16 與二襯分離 第9頁/共47頁 2.3 計算結(jié)果計算結(jié)果 2 脫空的數(shù)值模脫空的數(shù)值模 擬擬 KN ?aRa bh (1) 式中 Ra混凝土或砌體的抗壓極限強度； K安全系數(shù)； N軸向力； b截面寬度； h截面厚度； 構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù)；對于隧道

7、襯砌取 = 1.0； a軸向力的偏心影響系數(shù)。 根據(jù)鐵路隧道設(shè)計規(guī)范(TB10003-2005) 6的襯砌計算方法，混凝土矩形截面中心及偏心受 壓構(gòu)件的抗壓強度應(yīng)按下式計算： 第10頁/共47頁 2.3 計算結(jié)果計算結(jié)果 2 脫空的數(shù)值模脫空的數(shù)值模 擬擬 從抗裂要求出發(fā)，混凝土矩形截面偏心受壓構(gòu)件的 抗拉強度應(yīng)按下式計算： 1 6 75.1 0 1 h e bhR KN 第11頁/共47頁 2.3 計算結(jié)果計算結(jié)果 2 脫空的數(shù)值模脫空的數(shù)值模 擬擬 通過數(shù)值模擬計算，得到二襯軸向內(nèi)力結(jié)果，按下 式計算截面安全系數(shù)，評價脫空對二襯的影響。 K = ?aRabh (抗壓控制)(3) N K =

8、 ?1.75R1bh (抗壓控制)(4) N(6e0/h-1) 第12頁/共47頁 2.3 計算結(jié)果計算結(jié)果 2 脫空的數(shù)值模脫空的數(shù)值模 擬擬 10 種數(shù)值模擬工況的襯砌軸力及彎矩圖如表 3 所 示。不同脫空部位對應(yīng)的各截面安全系數(shù) K 分布圖如圖 3圖 5 所示。 結(jié)果顯示，在 04 m 范圍內(nèi)，脫空 4 m 時，對 二襯結(jié)構(gòu)內(nèi)力及截面安全系數(shù) K 影響最大。 第13頁/共47頁 2.3 計算結(jié)果計算結(jié)果 2 脫空的數(shù)值模脫空的數(shù)值模 擬擬 表3：數(shù)值模擬各工況襯砌軸力及彎矩圖 模擬工況名稱襯砌軸力圖襯砌彎矩圖 無脫空 31#Kmax = 47.75 1#Kmin = 14.19 第14頁

9、/共47頁 模擬工況名稱襯砌軸力圖襯砌彎矩圖 拱頂脫空 1 m 25#Kmax = 51.35 1#Kmin = 14.20 2 脫空的數(shù)值模脫空的數(shù)值模 擬擬 2.3 計算結(jié)果計算結(jié)果 續(xù)表3 第15頁/共47頁 模擬工況名稱襯砌軸力圖襯砌彎矩圖 拱頂脫空 2 m 26#Kmax = 53.64 1#Kmin = 14.20 2 脫空的數(shù)值模脫空的數(shù)值模 擬擬 2.3 計算結(jié)果計算結(jié)果 續(xù)表3 第16頁/共47頁 模擬工況名稱襯砌軸力圖襯砌彎矩圖 拱頂脫空 4m 32#Kmax = 58.60 35#Kmin = 6.39 2 脫空的數(shù)值模脫空的數(shù)值模 擬擬 2.3 計算結(jié)果計算結(jié)果 續(xù)表3

10、 第17頁/共47頁 模擬工況名稱襯砌軸力圖襯砌彎矩圖 拱腰脫空 1 m 30#Kmax = 48.14 1#Kmin = 14.19 2 脫空的數(shù)值模脫空的數(shù)值模 擬擬 2.3 計算結(jié)果計算結(jié)果 續(xù)表3 第18頁/共47頁 模擬工況名稱襯砌軸力圖襯砌彎矩圖 拱腰脫空 2 m 31#Kmax = 47.93 1#Kmin = 14.19 2 脫空的數(shù)值模脫空的數(shù)值模 擬擬 2.3 計算結(jié)果計算結(jié)果 續(xù)表3 第19頁/共47頁 模擬工況名稱襯砌軸力圖襯砌彎矩圖 拱腰脫空 4 m 29#Kmax = 50.24 46#Kmin = 1.78 2 脫空的數(shù)值模脫空的數(shù)值模 擬擬 2.3 計算結(jié)果計算

11、結(jié)果 續(xù)表3 第20頁/共47頁 模擬工況名稱襯砌軸力圖襯砌彎矩圖 邊墻脫空 1m 30#Kmax = 48.48 52#Kmin = 14.13 2 脫空的數(shù)值模脫空的數(shù)值模 擬擬 2.3 計算結(jié)果計算結(jié)果 續(xù)表3 第21頁/共47頁 模擬工況名稱襯砌軸力圖襯砌彎矩圖 邊墻脫空 2 m 29#Kmax = 48.56 53#Kmin = 11.49 2 脫空的數(shù)值模脫空的數(shù)值模 擬擬 2.3 計算結(jié)果計算結(jié)果 續(xù)表3 第22頁/共47頁 模擬工況名稱襯砌軸力圖襯砌彎矩圖 邊墻脫空 4 m 29#Kmax = 49.80 55#Kmin = 1.29 2 脫空的數(shù)值模脫空的數(shù)值模 擬擬 2.3

12、 計算結(jié)果計算結(jié)果 續(xù)表3 第23頁/共47頁 2 脫空的數(shù)值模脫空的數(shù)值模 擬擬 2.3 計算結(jié)果計算結(jié)果 圖3：不同拱部脫空寬度對應(yīng)的各截面安全系數(shù) K 分布圖 第24頁/共47頁 2 脫空的數(shù)值模脫空的數(shù)值模 擬擬 2.3 計算結(jié)果計算結(jié)果 圖4：不同拱腰脫空寬度對應(yīng)的各截面安全系數(shù) K 分布圖 第25頁/共47頁 2 脫空的數(shù)值模脫空的數(shù)值模 擬擬 2.3 計算結(jié)果計算結(jié)果 圖4：不同邊墻脫空寬度對應(yīng)的各截面安全系數(shù) K 分布圖 第26頁/共47頁 2 脫空的數(shù)值模脫空的數(shù)值模 擬擬 2.3 計算結(jié)果計算結(jié)果 拱部脫空 4m時，襯砌截面安全系數(shù) K 跳動很明 顯，波動大于 10%的襯砌

13、長度超過 8 m，24#和 34# 單元(拱頂襯砌脫空與未脫空銜接處)K 值由 45 左右降低至 6.6，降幅達 85%，但襯砌截面具備一定 的安全儲備，滿足規(guī)范要求，同時部分截面由于內(nèi)力 減小，安全系數(shù) K 有一定幅度的升高。 第27頁/共47頁 2 脫空的數(shù)值模脫空的數(shù)值模 擬擬 2.3 計算結(jié)果計算結(jié)果 拱腰脫空 4 m 時，脫空處前后約 11 m 范圍內(nèi) 的二襯截面安全系數(shù) K 值波動超過 10%，46#及 47#單元(拱腳處)K 值由 19 降低至 1.8，降幅幾近 91%，影響范圍向拱頂及邊墻兩個方向延伸，較相同 的拱頂脫空寬度影響范圍增加。 第28頁/共47頁 2 脫空的數(shù)值模脫

14、空的數(shù)值模 擬擬 2.3 計算結(jié)果計算結(jié)果 邊墻脫空 4 m 時，41#66#單元約 13 m 范圍 內(nèi)二襯截面安全系數(shù) K 值波動超過 10%，特別是 55# 單元(邊墻脫空中部單元)K 值由 15.45 降低至 1.29， 降幅為 91.65%，但影響范圍波及到的拱腰及仰拱部分 單元截面 K 值有不同程度的提高。相同的脫空寬度，邊 墻脫空引起截面 K 值波動范圍最大，最不利截面安全儲 備降低最大，已經(jīng)不滿足設(shè)計規(guī)范要求，局部結(jié)構(gòu)被破 壞。 第29頁/共47頁 3 脫空的原因脫空的原因 表4為西南山區(qū)高速鐵路某灰?guī)r隧道無損檢測結(jié)果 ，結(jié)果顯示圍巖條件較差時脫空缺陷率較低，各級圍巖 拱頂與拱腰

15、脫空缺陷率明顯高于邊墻脫空缺陷率，結(jié)合 現(xiàn)場檢測結(jié)果及隧道施工質(zhì)量控制過程，隧道二襯與圍 巖脫空的原因主要包括以下 4 個方面：洞室開挖成型效 果、混凝土澆筑、襯砌模板臺車強度及防水板安裝。 第30頁/共47頁 3 脫空的原因脫空的原因 3.1 開挖成型效果開挖成型效果 由表4可知，開挖過程中的二襯脫空主要出現(xiàn)在 II 、III 級圍巖地段，脫空缺陷率較 IV、V 級圍巖明顯偏 高，這段圍巖若光爆效果較差，開挖成型效果不好，且 初支噴射混凝土與設(shè)計厚度不符，表面平整度差，常常 造成二襯混凝土與圍巖不密貼，施工過程中的質(zhì)量控制 是初支表面平整度的決定性因素。 第31頁/共47頁 3 脫空的原因脫

16、空的原因 3.1 開挖成型效果開挖成型效果 對于 IV、V 級圍巖地段，小間隙脫空因圍巖變形逐 漸與二襯外緣貼合，脫空率較低，但高速鐵路隧道斷面 一般均設(shè)置格柵或型鋼鋼架，受鋼架架設(shè)因素影響，噴 射混凝土在鋼架間的平整度相對無鋼架支護時可以較易 控制，但如果鋼架間噴射混凝土不飽滿，或者局部超欠 挖使得鋼架難以按設(shè)計位置安裝，則會造成相鄰鋼架起 伏過大，進而導(dǎo)致初支不平整度過大。 第32頁/共47頁 3 脫空的原因脫空的原因 3.1 開挖成型效果開挖成型效果 設(shè)置鋼架地段初支還存在一個不容忽視的情況，格 柵鋼架一般高度 12 cm 或 16 cm，鋼筋間距較密，密 集的鋼筋導(dǎo)致噴射混凝土難以按設(shè)

17、計要求成型；另外噴 射混凝土難以密貼型鋼鋼架翼緣板與圍巖間較小的縫隙 ，也會造成人為脫空，此類脫空隨機性較大，難以檢測 及控制。此外，對于裂隙較發(fā)育巖體局部掉塊部位，若 錨桿、鋼筋網(wǎng)未按設(shè)計施作或現(xiàn)場處理不當，掉塊空腔 內(nèi)混凝土未噴射封閉密實，同樣會造成二襯與圍巖脫空 。 第33頁/共47頁 3 脫空的原因脫空的原因 3.1 開挖成型效果開挖成型效果 表4：某隧道二次襯砌背后脫空情況統(tǒng)計 圍巖級別 檢測長度( 米) 缺陷長度(米)脫空缺 陷率 拱頂 左拱腰右拱腰左邊墻右邊墻 合計 II2041410.5207.55575.6% III2548242.5125.5131111.598.57095

18、.6% IV1085733250.519.523.5198.53.7% V54724.510.515.535.5592.2% 合計4384354178.5217141.5132.5 1023.54.7% 脫空缺陷率8.1%4.1%4.9%3.2%3.0%4.7% 第34頁/共47頁 3 脫空的原因脫空的原因 3.2 混凝土澆筑混凝土澆筑 數(shù)值模擬結(jié)果顯示，邊墻脫空對二襯的影響最大， 是最不利工況，然而在實際施工中，邊墻大范圍脫空的 情況很少見，主要原因在于混凝土在澆筑過程中是一種 流動體，受重力影響，大面積澆筑時，邊墻的空腔最易 充填密實，而拱頂及拱腰處最易出現(xiàn)二襯脫空的情況， 主要由以下幾方

19、面控制： 第35頁/共47頁 3 脫空的原因脫空的原因 3.2 混凝土澆筑混凝土澆筑 (1)混凝土澆筑過程中未振搗密實，澆筑完成后混凝 土受自重影響向邊墻處下沉，拱部壓力減小，造成拱部 縱向脫空。同理，在反坡施工時，與上一個循環(huán)已施作 完畢的襯砌間也容易出現(xiàn)自重影響下的增壓氣囊，造成 二襯背后環(huán)向脫空。 第36頁/共47頁 3 脫空的原因脫空的原因 3.2 混凝土澆筑混凝土澆筑 (2)混凝土澆筑至拱部時，一般臨近本循環(huán)混凝土澆 筑結(jié)束，剩余混凝土數(shù)量難以精確掌握，容易導(dǎo)致拱頂 混凝土灌注量不足；另外灌注過程壓力變化，導(dǎo)致拱部 局部地區(qū)泵送混凝土不到位，二襯脫空。灌注完畢后， 襯砌背后二次注漿孔

20、堵塞或襯砌背后注漿施作不到位， 也會造成襯砌與圍巖的不密貼。 第37頁/共47頁 3 脫空的原因脫空的原因 3.2 混凝土澆筑混凝土澆筑 (3)泵送混凝土僅利用個別窗口澆筑時，易出現(xiàn)混凝 土流動距離過長的情況，距灌注窗口較遠處，混凝土供 應(yīng)數(shù)量不足、輸送泵壓力不足或運行故障而易造成脫空 。此外，當混凝土擴散度不足時，也可能無法擴散填充 密實而造成脫空。 第38頁/共47頁 3 脫空的原因脫空的原因 3.3 模板臺車強度模板臺車強度 襯砌模板臺車由于各種原因底部支撐不足，或未支撐 牢固，澆筑混凝土?xí)r，臺車發(fā)生整體位移，不但造成二襯 背后脫空，而且可能造成二襯侵限等嚴重質(zhì)量問題。若襯 砌臺車模板在

21、混凝土達到拆模條件前或混凝土強度不足以 承受其自重前發(fā)生下沉、變形則可能導(dǎo)致二襯背后脫空。 混凝土澆筑時，模板臺車擋頭板封堵不嚴實，或在壓 力作用下變形，與臨近模板脫開，造成漏漿，導(dǎo)致二襯背 后脫空或不密實。此情況多出現(xiàn)于拱頂處。 第39頁/共47頁 3 脫空的原因脫空的原因 3.4 防水板安裝防水板安裝 若防水板鋪設(shè)固定點數(shù)量不足，松弛過度，防水板 余量過大，澆筑混凝土過程中由于混凝土的流動、振搗 及沖擊，混凝土對防水板產(chǎn)生擠壓及錯動作用，使位于 下部的防水板卷曲并層疊，形成大量褶皺，造成本循環(huán) 內(nèi)的縱向空腔，但此類脫空縱向面積較小，對結(jié)構(gòu)影響 也較小。 第40頁/共47頁 3 脫空的原因脫

22、空的原因 3.4 防水板安裝防水板安裝 若防水板鋪設(shè)松弛度不足或全環(huán)鋪設(shè)松緊不均，澆 筑混凝土過程中松弛度的不足量逐步積累，拱頂防水板 張緊，局部緊繃的防水板阻隔混凝土與初支的密貼，形 成拱頂縱向連續(xù)型空腔，直接造成二襯背后脫空。此種 情況還易造成拱頂防水板固定點脫離圍巖表面甚至防水 板的撕裂。 第41頁/共47頁 4 安全影響分安全影響分 析析 (1)數(shù)值模擬結(jié)果中，脫空寬度為 1.0 m 時，隧道 襯砌結(jié)構(gòu)各截面內(nèi)力變化范圍及幅度較小，截面安全系 數(shù) K 的分布與無脫空時基本一致；當脫空寬度為 2.0 m 或 4.0 m 時，脫空中部或脫空與未脫空銜接處截面內(nèi)力 變化較為明顯，結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力集中，局部截面安全系數(shù) K 值急劇下降，低于規(guī)范要求，襯砌無法保證鐵路 安全運營要求。 第42頁/共47頁 4 安全影響分安全影響分 析析 (2)隧道襯砌脫空導(dǎo)致圍巖對襯砌的彈性作用不連續(xù) ，圍巖對襯砌外緣的約束狀態(tài)變化，改變了理想狀態(tài)下 襯砌的受力狀態(tài)。脫空處襯砌結(jié)構(gòu)彎矩出現(xiàn)正負轉(zhuǎn)換， 截面安全系數(shù)由受壓控制轉(zhuǎn)化為混凝土受拉控制，安全 儲備急劇降低。由于脫空處可能存在內(nèi)力減小的情況， 脫空處