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        硬巖隧道二襯拱頂脫空原因分析及整治措施研究

        2021-10-20 08:53:12劉文俊
        鐵道建筑技術(shù) 2021年9期
        關(guān)鍵詞:硬巖空洞拱頂

        劉文俊

        (中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司 山西太原 030032)

        1 引言

        據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2020年底,中國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)14.5萬(wàn)km,其中,投入運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道共16 798座,總長(zhǎng)約19 630 km[1]。越來(lái)越多的隧道進(jìn)入維修養(yǎng)護(hù)階段,其中因襯砌脫空導(dǎo)致的隧道質(zhì)量問(wèn)題也逐漸顯露。隨著施工技術(shù)的不斷提高,隧道一次襯砌脫空的問(wèn)題已經(jīng)得到了有效的控制,然而由于多種因素的影響,二襯脫空問(wèn)題始終沒(méi)有得到很好的解決。二襯空洞的存在,既是二襯厚度減少的體現(xiàn),還削弱了襯砌與圍巖間的相互作用,導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)承載力降低,極大威脅了工程質(zhì)量及人員安全。

        目前有不少學(xué)者從不同的方面對(duì)二襯空洞進(jìn)行了深入研究:袁成海、郭海鵬等[2-3]對(duì)空洞成因進(jìn)行了深入分析,認(rèn)為混凝土的自收縮、施工質(zhì)量及施工工藝等是二襯空洞形式的主要原因;趙陽(yáng)川、楊文平等[4-5]則從施工及管理的角度對(duì)二襯空洞的預(yù)防措施進(jìn)行了探討;對(duì)于既有運(yùn)營(yíng)隧道出現(xiàn)的襯砌空洞,傅鶴林等[6]采用荷載結(jié)構(gòu)法及平面有限元對(duì)結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行了分析,指出襯砌脫空對(duì)結(jié)構(gòu)整體安全性影響較小,主要影響的是襯砌結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)截面的百分比。

        雖然目前對(duì)襯砌空洞的研究取得了一定成果,但空洞對(duì)襯砌的影響與圍巖條件、隧道斷面大小、埋深等多種因素有關(guān),對(duì)硬巖隧道中二襯拱頂空洞的危害及整治措施開(kāi)展針對(duì)性研究的相關(guān)文獻(xiàn)較少。本文以廈深鐵路梅林隧道為例,分析了花崗巖地層復(fù)合式襯砌中拱頂二襯空洞對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響,并提出了相應(yīng)的整治措施,可為類似工程提供參考。

        2 工程概況

        廈深鐵路梅林隧道全長(zhǎng)8 646.28 m,為客專雙線隧道,位于深圳市龍崗區(qū)布吉鎮(zhèn)境內(nèi)。隧道襯砌空洞病害處的洞身圍巖為花崗巖,弱風(fēng)化,屬于Ⅱ級(jí)圍巖地段,埋深約100 m。梅林隧道為復(fù)合式襯砌隧道,初期支護(hù)為5 cm厚C25素噴混凝土,二次襯砌拱墻為35 cm厚C30素混凝土。

        為更好地掌握襯砌脫空大小及位置,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了鉆孔探測(cè),共鉆孔14個(gè)點(diǎn),以K2+500拱頂中心為原點(diǎn),以線路法線方向?yàn)閄軸,以隧道拱頂縱向中心線為Y軸,將鉆孔勘測(cè)情況用二維展開(kāi)的內(nèi)襯面表示,如圖1所示。結(jié)果表明二襯空洞位于隧道兩線間正拱頂,范圍為環(huán)向170~280 cm,縱向長(zhǎng)度為900 cm,呈梯形分布,最大空洞厚度21 cm,范圍如圖2所示。對(duì)隧道空洞處混凝土的表觀情況、二襯及圍巖強(qiáng)度進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查及測(cè)試,結(jié)果如下:鉆孔處襯砌混凝土密實(shí),表層無(wú)裂紋,二次襯砌處于穩(wěn)定狀態(tài);空洞處二次襯砌芯樣平均抗壓強(qiáng)度為38.2 MPa,符合要求;圍巖芯樣平均抗壓強(qiáng)度為41.5 MPa,強(qiáng)度較高且內(nèi)部無(wú)水。

        圖1 鉆孔位置及結(jié)果

        圖2 空洞分布范圍示意

        3 襯砌脫空原因及危害

        結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)二襯脫空情況及工程地質(zhì)條件,以梅林隧道為出發(fā)點(diǎn),對(duì)硬巖隧道拱頂二襯脫空產(chǎn)生的原因及危害進(jìn)行了詳細(xì)的探討。

        3.1 脫空原因分析

        (1)混凝土自身原因

        混凝土受空氣濕度、溫度等各種因素的影響會(huì)產(chǎn)生收縮現(xiàn)象,在隧道二襯中就會(huì)表現(xiàn)為一定程度的脫空,使用補(bǔ)償收縮混凝土進(jìn)行二襯灌注會(huì)緩解這一情況;二襯澆筑完成后在自重作用下一方面會(huì)使自身更加密實(shí),另一方面會(huì)將原來(lái)沒(méi)有填充到的局部位置進(jìn)行填充,由此造成“混凝土供應(yīng)量不足”,導(dǎo)致發(fā)生拱頂脫空。

        (2)設(shè)備原因

        在襯砌澆筑過(guò)程中泵送至拱頂?shù)膲毫Σ蛔?,致使拱頂離泵送設(shè)備較遠(yuǎn)處的位置混凝土泵送不到,造成拱頂脫空;泵送孔的噴射角度大多與隧道輪廓垂直,此時(shí)混凝土從管內(nèi)進(jìn)入模板時(shí)流動(dòng)方向需改變90°,喪失了一部分混凝土的動(dòng)能,由此帶來(lái)的壓力損失導(dǎo)致襯砌遠(yuǎn)端脫空;附著式振搗器數(shù)量不足,致使某些位置的混凝土振搗不到位,而后混凝土在自重作用下下沉,造成拱頂脫空;二襯模板臺(tái)車的擋頭板封堵不嚴(yán)密,從而發(fā)生漏漿,造成二次襯砌背后混凝土厚度不足及脫空。

        (3)環(huán)境原因

        隧道坡度較陡時(shí),位置較高一側(cè)混凝土較其他位置所需灌注壓力大,該位置處灌注的混凝土不易密實(shí),進(jìn)而發(fā)生脫空;襯砌拱部未設(shè)置排氣孔或預(yù)留排氣孔堵塞失效,內(nèi)部形成氣囊,導(dǎo)致混凝土無(wú)法充填飽滿,在拱部形成空洞。

        3.2 脫空危害分析

        襯砌混凝土脫空會(huì)造成截面承載力降低、改變受力狀態(tài)及其他附加危害[7-8],在這些危害的耦合作用下,隧道的服役狀態(tài)將受到影響,運(yùn)營(yíng)管理成本將會(huì)提高,同時(shí)隧道的使用壽命也會(huì)降低。

        4 分級(jí)整治措施

        為預(yù)防拱頂脫空產(chǎn)生的一系列病害,保證隧道正常服役狀態(tài),除了在施工階段采取一定的措施預(yù)防空洞的產(chǎn)生外,還需要對(duì)既有脫空病害的隧道采取合理的整治措施。目前對(duì)隧道脫空的整治措施包括:回填壓漿[9],使支護(hù)結(jié)構(gòu)之間接觸密貼的同時(shí)還可達(dá)到加厚襯砌的效果;內(nèi)表面補(bǔ)強(qiáng),采用纖維板或鋼板進(jìn)行粘著,分擔(dān)內(nèi)表面拉應(yīng)力控制襯砌開(kāi)裂;施加內(nèi)襯或鋼拱架,該法可承擔(dān)部分地壓力,但應(yīng)用的前提是隧道有足夠的凈空;打設(shè)錨桿改善襯砌的受力狀態(tài);對(duì)富水隧道采取降水輔助措施改善襯砌周邊環(huán)境;局部改建或者全斷面改建。

        以往隧道脫空整治往往根據(jù)襯砌表觀狀態(tài)選擇整治措施,有較強(qiáng)的主觀性,沒(méi)有對(duì)不同的圍巖情況做區(qū)分,而不同的圍巖條件下隧道二襯的受力狀態(tài)往往差別很大。對(duì)此,本文按照安全、經(jīng)濟(jì)的原則,對(duì)硬巖隧道二襯不同脫空程度進(jìn)行量化表征,并采取不同的整治措施??斩吹纳疃群蛯挾榷紝?duì)襯砌安全性有影響,但對(duì)于硬巖隧道拱頂二襯脫空,空腔深度大的地方往往其寬度也大,空洞的深度與寬度具有很強(qiáng)的相關(guān)性,因此為了方便可僅采用空腔深度作為脫空程度指標(biāo)??紤]到襯砌厚度有大有小,為使整治措施更具通用性,采用空腔深度與襯砌厚度的比值作為最終的脫空程度量化指標(biāo),進(jìn)而提出針對(duì)性的整治措施。具體整治原則及措施如表1所示,其中針對(duì)大修的施工如圖3所示。

        圖3 大修處理措施示意

        表1 硬巖隧道拱頂襯砌脫空程度分級(jí)及整治措施

        (1)小修措施

        對(duì)襯砌脫空程度較小的部位,鉆孔形成灌注孔道,預(yù)埋管長(zhǎng)度據(jù)脫空程度而定,襯砌內(nèi)部預(yù)埋管抵至距離防水板1~2 cm位置,每層單側(cè)鉆孔2個(gè),低孔作為注漿孔,高孔作為排氣和觀察孔,在灌注前采用竹膠板將開(kāi)口封堵,加固方式同襯砌加固。灌注材料采用微膨脹C30細(xì)石混凝土,流動(dòng)性好,能充分澆滿空洞部位并避免體積收縮引起的二次脫空。當(dāng)溢漿孔溢出與灌注同配比混凝土?xí)r,即可結(jié)束該孔注漿。

        (2)中修措施

        脫空區(qū)域范圍內(nèi)打φ22全長(zhǎng)固結(jié)型錨桿,錨桿長(zhǎng)5.0 m,間距0.8 m,錨桿應(yīng)注漿飽滿。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整錨桿方向,避免錨桿孔正對(duì)接觸網(wǎng)線和其他管線。

        鉆孔形成灌注孔道,每層單側(cè)鉆孔2個(gè),低孔作為注漿孔,高孔作為排氣和觀察孔,在灌注前采用竹膠板將開(kāi)口封堵。灌注材料采用微膨脹C30細(xì)石混凝土,當(dāng)溢漿孔溢出與灌注同配比混凝土?xí)r,即可結(jié)束該孔注漿。

        (3)大修措施

        對(duì)嚴(yán)重脫空段襯砌范圍四周外側(cè)打設(shè)φ22全長(zhǎng)錨固型補(bǔ)強(qiáng)錨桿,錨桿長(zhǎng)5.0 m,間距0.8 m,錨桿應(yīng)注漿飽滿,錨桿與防水板間采用遇水膨脹止水膠進(jìn)行封閉。鑿除脫空部位二襯混凝土,形成“天窗”,并清除虛渣、浮石,鑿除面呈倒楔形,對(duì)環(huán)向施工縫處的既有混凝土面進(jìn)行鑿毛處理。

        鑿除脫空段混凝土后,在空洞四周襯砌斷面上打設(shè)植筋孔,采用φ22鋼筋進(jìn)行植筋,鋼筋安裝后在植筋孔內(nèi)灌注砂漿進(jìn)行錨固。脫空區(qū)域范圍內(nèi)打φ22全長(zhǎng)固結(jié)型錨桿,錨桿長(zhǎng)5.0 m,間距0.8 m,錨桿應(yīng)注漿飽滿。錨桿與防水板間采用遇水膨脹止水膠進(jìn)行封閉,施作順序?yàn)橄葍蓚?cè)后中間,并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整錨桿方向,避免錨桿孔正對(duì)接觸網(wǎng)線和其他管線。

        錨桿端頭槽在錨桿抗拔力達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,采用膨脹水泥砂漿回填,與原襯砌面打磨平整,錨桿端頭通過(guò)螺母與墊板連接,焊縫高度不小于10 mm;補(bǔ)強(qiáng)錨桿完成后,進(jìn)行模筑混凝土作業(yè),宜采用微膨脹C30細(xì)石混凝土,流動(dòng)性好,能充分澆滿空洞部位并避免體積收縮引起的二次脫空;施作完成后對(duì)襯砌內(nèi)表面打磨光滑,內(nèi)表面施作滲透性結(jié)晶防水涂料。

        5 整治措施的力學(xué)驗(yàn)證

        結(jié)合梅林隧道3個(gè)典型斷面的拱頂二襯脫空整治實(shí)例,針對(duì)第4章提出的分級(jí)整治措施[10],采用地層結(jié)構(gòu)法利用有限元軟件進(jìn)行分析驗(yàn)證。3個(gè)實(shí)例所對(duì)應(yīng)的工況如下:工況一空洞深度7 cm,小修;工況二空洞深度9 cm,中修;工況三空洞深度21 cm,大修。

        5.1 三維計(jì)算模型

        (1)模型尺寸及約束條件

        模型二襯尺寸及空洞位置如圖4所示。隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖產(chǎn)生的擾動(dòng)在距開(kāi)挖區(qū)域3~5倍洞跨處產(chǎn)生的影響可忽略不計(jì),因此為消除邊界條件影響,模型橫向?qū)挾热?20 m,豎直長(zhǎng)度往隧底下取60 m、向上取距離拱頂50 m、外加1.25 MPa豎向應(yīng)力(該計(jì)算模型取埋深100 m)。模型底邊采用固支約束,左右兩邊采用橫向位移約束,上邊為自由面,不施加約束。計(jì)算模型如圖5所示。

        圖4 二襯輪廓及空洞位

        圖5 邊界條件及模型范圍示意

        (2)計(jì)算參數(shù)

        模型中的圍巖、初支及二襯均采用平面應(yīng)變單元進(jìn)行模擬,錨桿采用cable單元模擬。其中圍巖采用彈塑性材料,滿足Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則,支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性材料。計(jì)算中力學(xué)材料參數(shù)以鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范取值為依據(jù),并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)取芯強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證,具體參數(shù)見(jiàn)表2。網(wǎng)格劃分情況見(jiàn)圖6。

        圖6 模型網(wǎng)格劃分

        表2 計(jì)算參數(shù)的選取

        5.2 計(jì)算結(jié)果

        采用平面應(yīng)變單元模擬的二襯可以很方便地獲取應(yīng)力云圖,但是對(duì)于襯砌的軸力及彎矩?zé)o法直接獲取。為此,先提取出單元的豎向應(yīng)力及水平應(yīng)力,進(jìn)而根據(jù)平截面假定得到截面處的內(nèi)力分布情況,最后利用材料力學(xué)公式進(jìn)行獲取[11]。使用處理措施后的各工況內(nèi)力如圖7所示,因?yàn)閮?nèi)力對(duì)稱分布,僅取一半作圖。

        圖7 各工況內(nèi)力

        5.3 安全性分析

        對(duì)各工況二次襯砌進(jìn)行軸力和彎矩的提取,按照鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范8.5節(jié)對(duì)隧道二次襯砌進(jìn)行安全系數(shù)驗(yàn)算。為確定二襯不同截面安全系數(shù)分布情況,將二襯單元?jiǎng)澐譃?6個(gè)單元,逐一對(duì)單元處內(nèi)力采用破損階段法[12]進(jìn)行安全系數(shù)的計(jì)算,單元?jiǎng)澐智闆r及編號(hào)如圖8所示。

        圖8 二襯單元編號(hào)

        將各工況安全系數(shù)進(jìn)行整理,得到不同工況不同截面處的安全系數(shù)匯總圖,如圖9所示。從安全系數(shù)匯總圖可以看出,采取第三章措施對(duì)各工況脫空情況進(jìn)行整治后,各截面安全系數(shù)都大于規(guī)范規(guī)定的3.6,滿足安全要求,因此分級(jí)整治措施是合理的。

        圖9 安全系數(shù)匯總

        6 結(jié)論

        (1)以梅林隧道脫空實(shí)例為出發(fā)點(diǎn),從混凝土自身、設(shè)備及環(huán)境三方面對(duì)硬巖隧道拱頂脫空的原因進(jìn)行了探討,并對(duì)脫空可能產(chǎn)生的危害進(jìn)行了總結(jié)。

        (2)從混凝土本身、施工設(shè)備及環(huán)境三方面進(jìn)行分析,提出需要采取的幾點(diǎn)預(yù)防措施,以盡量避免施工階段類似情況的出現(xiàn)。

        (3)提出硬巖隧道拱頂脫空分級(jí)整治措施,該措施按照脫空程度的不同分別采取小、中、大修三種處理方法。其中小修直接灌注混凝土;中修打錨桿+灌注混凝土;大修開(kāi)天窗+植筋+打錨桿+灌注混凝土。

        (4)結(jié)合梅林隧道三種典型脫空斷面,使用地層結(jié)構(gòu)法對(duì)采取分級(jí)整治措施后的襯砌進(jìn)行有限元分析并進(jìn)行安全系數(shù)驗(yàn)算,結(jié)果表明經(jīng)過(guò)處理后的二襯結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理,且安全性均滿足要求。

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