【摘 要】
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近年来,铁路建设不断向偏远多山地区延伸。伴随而来的是隧道工程的大量修建。大多数隧道需要穿越地质地形条件较复杂的山岭地区,受地形、地貌等因素的影响,很多隧道进口段均呈现为浅埋偏压的状态。在施工过程中,若出现浇筑不当,将对隧道衬砌造成既有缺陷。在偏压荷载作用下,衬砌缺陷处极易发生较大变形,造成安全事故,甚至导致隧道坍塌。本文以相思山隧道为工程背景,采用数值模拟的研究手段,对在不同坡度角和覆跨比下偏压隧
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近年来,铁路建设不断向偏远多山地区延伸。伴随而来的是隧道工程的大量修建。大多数隧道需要穿越地质地形条件较复杂的山岭地区,受地形、地貌等因素的影响,很多隧道进口段均呈现为浅埋偏压的状态。在施工过程中,若出现浇筑不当,将对隧道衬砌造成既有缺陷。在偏压荷载作用下,衬砌缺陷处极易发生较大变形,造成安全事故,甚至导致隧道坍塌。本文以相思山隧道为工程背景,采用数值模拟的研究手段,对在不同坡度角和覆跨比下偏压隧道围岩的受力响应特性进行分析;进行相似模型试验,探究偏压荷载作用不同既有缺陷衬砌的受力特性与变形特征,对比了多种FRP网格加固方式的优缺点。得到了衬砌在偏压荷载作用下的裂损机理和受力变形规律以及最优FRP网格加固方法。为偏压隧道衬砌的临灾判识和防控治理提供参考。综合得出主要结论如下:（1）基于FLAC3D数值仿真软件建立偏压隧道的三维数值仿真模型,探究了坡度角和覆盖比对浅埋偏压隧道围岩状态的影响规律。当坡度角分别为30°、45°、60°时,围岩最大竖向应力分别为12.55MPa、17.81MPa、32.63MPa;最大水平应力分别为9.08MPa、12.74MPa、15.08MPa;最大竖向位移分别为3.69cm、4.51cm、6.64cm;最大水平位移分别为1.09cm、1.17cm、10cm。当覆跨比分别为0.5、1、1.5时,围岩最大竖向应力分别为10.93MPa、15.11MPa、19.15MPa;最大水平应力分别为11.49MPa、13MPa、15.87MPa;最大竖向位移分别为1.07cm、1.93cm、2.76cm;最大水平位移分别为0.92cm、1.33cm、1.7cm。同时,不同坡度角和覆盖比情况下,较大的竖向应力、竖向位移和水平位移均集中在右拱脚和左拱肩附近,证明右拱脚和左拱肩为浅埋偏压隧道的薄弱位置,也是浅埋偏压隧道最需加固的位置,为本文后续研究提供了依据。（2）采用几何相似比为1:10的相似模型试验,探究拱肩脱空、拱腰有裂缝、拱顶有裂缝三种既有缺陷衬砌,受左拱肩30°范围偏压荷载时的受力与变形特性。试验得出,三种既有缺陷衬砌承载能力极限分别为3.20kN、3.05kN、2.85kN。同时,三种既有缺陷衬砌在左拱肩处最大弯矩分别为7.38 kN×m、6.82kN×m、5.68kN×m;最大轴力分别为296.85kN、274.36kN、236.57kN,相较于其他两种既有缺陷衬砌,拱顶有裂缝衬砌在承载力与结构内力上均出现明显下降。说明拱顶有裂缝缺陷对隧道衬砌结构稳定性影响最大,在实际工程中应优先进行加固维修治理。（3）通过对30°范围、45°范围、60°范围和双层60°范围FRP网格加固衬砌,在左拱肩30°范围偏压荷载作用下衬砌结构受力与变形特性进行分析。得到四种加固衬砌承载能力为:2.15kN、2.90kN、2.41kN、2.58kN。左拱肩处最大弯矩分别为11.59 kN×m、15.69 kN×m、12.84kN×m、13.47 kN×m;最大轴力分别为368.86kN、437.83kN、385.46kN和418.24kN。其中45°范围加固方式相较于其他三种加固方式在承载能力与承受最大内力能力上均有明显提高。说明FRP网格加固并非范围越大、厚度越大越好,也为相思山隧道以及此类浅埋偏压隧道的加固提供了参考。
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