既有隧道裂损衬砌快速微创修缮技术研究

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随着近数十年国内交通建设行业的快速发展,我国所处交通设施建设阶段已从高速建设阶段逐步过渡到建设+维修阶段,在此阶段,既有隧道的运营维护是十分重要的一环。裂缝是既有隧道中最为常见的病害,已成为运营维护阶段不可忽视的问题,将影响隧道结构的受力状态,威胁隧道的正常运营。目前隧道中出现更多的为衬砌因围岩形变压力而处于小偏心受压状态而产生的压剪型裂缝,因此针对此类裂缝提出基于板式短锚组合结构的快速微创修缮技术,它是一种新兴的隧道裂缝修补方法,具有耗时耗材少、对衬砌结构损伤小、操作便捷等优点。本文以国家重点研发计划子课题“既有城市隧道结构损伤快速微创修缮技术”和国家自然科学基金“既有交通隧道衬砌裂损快速修补组合结构受力机理研究”项目为依托,综合资料调研、模型试验和数值模拟等研究方法,从构件和全环的角度对既有隧道衬砌快速微创修缮技术进行研究。主要结论和成果如下:(1)设计并开展了小偏心受压下板式短锚组合结构构件的模型试验,建立与之对应的数值计算模型,试验与数值模拟结果得到相互验证,揭示了板式短锚组合结构构件修补裂损衬砌时的力学机理,得出板式短锚组合结构能有效控制裂缝发展,提升衬砌构件自身承载能力的结论。(2)揭示了板式短锚组合结构作用的力学机理:组合结构利用钢板的抗拉压和短锚的抗剪切、抗拉拔特性对衬砌裂缝进行修补;对于钢板,靠近裂缝处与衬砌表面密贴以抵抗衬砌开裂时沿剪切面的破坏趋势,远离裂缝的钢板端部出现翘曲,钢板孔处由于短锚的横向剪切作用和短锚螺帽的法向压力而产生应力集中,并发生靠裂缝方向的局部变形;对于短锚,靠近裂缝处出现较大的受力变形,在衬砌裂损处一侧主要产生剪切作用而出现反弯,另一侧主要产生拉拔作用,在钢板孔处产生应力集中,远离裂缝处的短锚主要提供拉拔作用;组合结构整体表现为与构件相协调的挠曲变形。(3)研究了不同时机进行裂损衬砌修补的影响,将其分为三个阶段,得到了在实际应用中合理的修补时机:在荷载达到极限承载力的89%后进行,峰后修补变形控制值为0.53mm;进行参数优化,得出不同时机修补的组合结构合理参数组合,并基于灰色理论进行参数关联度分析。(4)结合达成线苟家沟隧道衬砌出现的裂缝病害实例,建立了全环板式短锚组合结构修补裂损衬砌的模型,进一步验证了板式短锚组合结构的力学机理,结果表明板式短锚组合结构能控制裂缝的发展,改善裂损部位的受力状态,提升衬砌自身残余承载能力。基于以上研究内容提出了快速微创修缮技术施工工法,为工程应用提供参考。
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