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城市复杂环境中浅埋小净距交通隧道衬砌的服役性能研究

城市复杂环境中浅埋小净距交通隧道衬砌的服役性能研究

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作者：刘瑞康湖南科技大学

学位级别：硕士

对于采用盾构法建成并且采用管片衬砌的城市交通隧道,隧道衬砌将面临复杂的城市服役环境,例如衬砌要经受围岩压力引起开裂、水渗流导致强度降低、杂散电流泄漏引发电化学腐蚀等因素的影响,衬砌的受力性能、防水性能、抗腐性能等服役性... 详细信息

对于采用盾构法建成并且采用管片衬砌的城市交通隧道,隧道衬砌将面临复杂的城市服役环境,例如衬砌要经受围岩压力引起开裂、水渗流导致强度降低、杂散电流泄漏引发电化学腐蚀等因素的影响,衬砌的受力性能、防水性能、抗腐性能等服役性能决定着整个隧道的安全状况与使用寿命。本文依据城市复杂环境中浅埋小净距交通隧道的特点,研究衬砌的服役性能,并提出相关的工程建议。主要研究内容与成果如下:(1)城市交通隧道易受楼房、道路、江河等地表均布荷载的影响。首先,根据极限平衡理论,研究了城市地表均布荷载作用下浅埋小净距隧道的围岩压力的解析计算公式;然后通过模型试验验证了围岩压力计算公式的可参考性;最后运用解析计算公式分析双洞净距对隧道围岩压力的影响。结果表明:当双洞之间的净距从1.5B减小到0.5B时,靠近中夹岩一侧垂直围岩压力增大了16.4k Pa,靠近中夹岩一侧拱顶处与拱底处水平围岩压力分别减小了26.0k Pa、39.3k Pa。(2)为了满足城市交通隧道从地面进再绕过江河或者地下结构最后从地面出的线路布置,城市交通隧道常采用“凹形纵坡”的形式。首先,建立考虑凹形纵坡影响、双洞相互影响、施工过程影响、服役期渗流影响的数值模型;然后,对比分析5种双洞净距的数值模拟结果,重点研究服役期双洞转折段管片下半部同时渗水影响下凹形纵坡小净距隧道的衬砌应力、衬砌位移以及河床位移的变化特性;最后,提出相应的工程建议。结果表明:对于管片最大压应力沿隧道纵向的分布情况,下坡段与上坡段都呈现类似于“斜直线”的规则分布,而转折段的分布则很不规则,这是因为转折段受到了下坡段与上坡段的共同影响;随着双洞净距增大,服役期渗水前后管片的拱底与拱顶的竖向位移变化量都减小,且都呈现非线性变化。(3)城市交通隧道的用电量越来越大,隧道渗水也会导电,因此各类城市交通隧道都可能会泄露迷流(杂散电流),从而会对衬砌产生电化学腐蚀。有效防护迷流的前提是弄清楚迷流影响下隧道的电位分布特性。首先建立单洞隧道泄漏迷流的数值模型,将数值模拟结果与解析计算结果进行对比,验证了数值模型具有参考价值;然后对数值模型进行改进,使之能模拟双洞隧道;最后数值模拟分析双洞隧道只有一个洞泄漏迷流与两个洞都泄漏迷流两大类工况,每一大类工况又根据双洞之间净距的不同细分为8种工况,以此研究双洞相互影响下的隧道衬砌的电位分布特性。结果表明:对于两个洞均泄漏迷流的工况,在各种净距下,管片全环的最高电位均出现在拱底,管片全环的最低电位均出现在远离中夹岩边墙处;在一环管片中,靠近中间岩下部的标准块的电位最大。(4)在城市复杂环境中的围岩压力(应力腐蚀)、渗流(水腐蚀)、迷流(电腐蚀)的共同作用下,衬砌的接头螺栓很有可能会锈蚀,从而改变接头刚度,进一步改变衬砌的服役性能。首先建立5环管片错缝拼装的数值模型,将解析计算出的围岩压力添加到数值模型中;然后根据管片下半部接头刚度的不同分为5种工况,数值模拟研究腐蚀环境下接头刚度改变对管片衬砌的轴力、弯矩、竖向位移、水平位移的影响规律;最后提出相应的工程建议。结果表明:管片衬砌全环的最大轴力与最大弯矩都发生在靠近中夹岩的左端点位置;随着管片下半部接头刚度的降低,上半部与下半部管片上各点的轴力均减小,上半部与下半部管片上各点弯矩均减小;下半部管片靠近中夹岩侧接缝处的竖向与水平错动位移均为最大;建议管片接头螺栓采用锌基铬酸盐涂层做防腐处理,也可以考虑采用无螺栓楔形管片衬砌。

关键词：城市复杂环境交通隧道浅埋小净距衬砌服役性能围岩压力渗流迷流

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