大跨隧道施工力学行为及衬砌裂缝产生机理

前言

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外发展现状

1.2.1 大跨度隧道国内外发展现状

1.2.2 衬砌裂缝国内外发展现状

第二章 不同断面大跨度隧道的力学特性

2.1 简述

2.1.1 岩体自重应力

2.1.2 岩体构造应力

2.2 大跨度隧道基本力学特性

2.3 不同断面形式的隧道力学特性

2.3.1 圆形断面隧道的应力分布

2.3.2 椭圆形断面隧道的应力分布

2.3.3 矩形断面隧道的应力分布

2.3.4 卵形断面隧道的应力分布

2.4 扁平率对大跨隧道力学特性影响

2.5 仰拱对大跨隧道力学特性的影响

2.6 小结

第三章 大跨度隧道围岩稳定性分析

3.1 影响隧道围岩稳定的有关因素

3.1.1 地质及地质结构因素

3.1.2 初始应力状态

3.1.3 岩体力学性质因素

3.1.4 地下水影响

3.1.5 工程因素

3.1.6 时间因素

3.2 基于人工神经网络的隧道围岩判别

3.2.1 人工神经网络原理

3.2.2 梅关隧道围岩判别的BP神经网络实现

第四章 大跨度隧道施工方法研究

4.1 大跨度隧道基本施工方法

4.2 大跨度隧道适用施工方法分析评价

4.2.1 全断面法

4.2.2 台阶法

4.2.3 台阶分部开挖法

4.2.4 双侧壁导坑法(眼镜法)

4.2.5 中壁法(CD工法和CRD工法)

4.2.6 施工方法比较

4.3 大跨度隧道施工辅助措施

4.4 小结

第五章 隧道施工数值模拟的思想

5.1 隧道施工过程数值模拟方法

5.1.1 基本模拟思想

5.1.2 实现卸载过程的具体方法

5.2 数值模拟计算方法——拉格朗日差分法

第六章 大跨单拱隧道施工力学动态数值模拟与施工方法比选

6.1 Ⅴ级围岩数值分析模型概况

6.1.1 Ⅴ级围岩上下台阶法开挖支护的动态数值模拟

6.1.2 Ⅴ级围岩上下台阶留核心土法开挖支护的动态数值模拟

6.1.3 Ⅴ级围岩CD法(中隔壁法)开挖支护的动态数值模拟

6.1.4 Ⅴ级围岩CRD法(交叉中隔壁法)开挖支护的动态数值模拟

6.1.5 Ⅴ级围岩双侧壁导坑法(眼镜法)开挖支护的动态数值模拟

6.2 Ⅳ级、Ⅲ级、Ⅱ级围岩上下台阶法和CD法开挖支护的数值模拟

6.2.1 Ⅳ级围岩上下台阶法和CD法开挖支护的数值模拟

6.2.2 Ⅲ级围岩上下台阶法和CD法开挖支护的数值模拟

6.2.3 Ⅱ级围岩上下台阶法和CD法开挖支护的数值模拟

6.2.4 两种施工方法的比较

第七章 大跨连拱隧道施工力学动态数值模拟与施工方法比选

7.1 简述

7.2 连拱隧道结构断面形式

7.2.1 连拱隧道结构断面形式

7.2.2 连拱隧道的开挖方式

7.3 双连拱公路隧道不同围岩类别开挖方法的数值模拟

7.3.1 模型的建立

7.3.2 计算模型的选用

7.3.3 计算范围的确定

7.3.4 围岩参数的确定

7.3.5 喷射混凝土参数计算及模型受力计算

7.3.6 Ⅴ级围岩中双联拱隧道施工数值模拟分析

7.3.7 Ⅳ级围岩中双联拱隧道施工数值模拟分析

7.3.8 Ⅲ级围岩中双联拱隧道施工数值模拟分析

7.3.9 Ⅰ级、Ⅱ级围岩施工方法的选择

第八章 爆破震动对隧道的结构影响分析

8.1 国内外研究现状与进展

8.1.1 理论研究

8.1.2 经验判据法

8.1.3 其他判据

8.1.4 现状概述

8.2 爆破震动对单拱隧道的结构作用能量机制的数值分析

8.3 爆破震动对连拱隧道的中隔墙结构影响分析

8.3.1 隧道的工程概况和地质情况

8.3.2 动力分析模型及参数选定

8.3.3 爆破加载模型的确定

8.3.4 计算结果

第九章 隧道衬砌极限荷载分析

9.1 隧道衬砌上的极限围岩压力

9.1.1 非均质岩体强度

9.1.2 倾斜层状岩层中隧道极限围岩压力

9.2 衬砌结构内力计算

9.2.1 计算模型

9.2.2 拱圈衬砌内力

9.2.3 边墙内力及变形

第十章 衬砌开裂机理及其承载能力分析

10.1 裂缝机理分析

10.1.1 黏结一滑移法

10.1.2 无滑移法

10.1.3 综合分析

10.1.4 缝宽度计算

10.2 断裂理论分析开裂衬砌的稳定性

10.2.1 混凝土断裂理论

10.2.2 受拉伸的Griffith裂纹

第十一章 隧道衬砌裂纹的整治措施

11.1 衬砌裂纹的整治原则

11.2 加固围岩的整治措施

11.2.1 锚固注浆法

11.2.2 深孔压浆法

11.2.3 支挡加固和治水稳固围岩

11.3 加固衬砌的整治措施

11.3.1 喷锚加固裂损衬砌

11.3.2 嵌补衬砌裂纹

11.3.3 钢筋混凝土套拱

11.3.4 拆除重建法

11.3.5 隧道底部加固

11.3.6 增设仰拱

11.4 小结

参考文献 2100433B

大跨度隧道施工力学行为及衬砌裂缝产生机理是困扰隧道科技工作者的一个难题。作者借助于数值分析，针对工程中常见的II、III、IV和V级围岩中大跨度单拱和边拱隧道施工的力学行进行了较深入研究。通过研究得到了不同级别围岩中大跨度隧道的合理开挖顺序。隧道渗透水是影响隧道安全运营和结构稳定的主要不利因素，而初砌开裂是引起渗漏水的主要原因。本书结合沙坝隧道分析了倾斜岩层中衬砌开裂机理及其承载能力，并提出了相应的处治措施。

本书通俗易懂，实用性强，可供隧道工程界的工程技术人员、科技人员及高校师生阅读。

前言

第一章　绪论

第二章　不同断面大跨度隧道的力学特性

第三章　大跨度隧道围岩稳定性分析

第四章　大跨度隧道施工方法研究

第五章　隧道施工数值模拟的思想

第六章　大跨单拱隧道施工力学动态数值模拟与施工方法比选

第七章　大跨连拱隧道施工力学动态数值模拟与施工方法比选

第八章　爆破震动对隧道的结构影响分析

第九章　隧道衬砌极限荷载分析

第十章　衬砌开裂机理及其承载能力分析

第十一章　隧道衬砌裂纹的整治措施

参考文献 2100433B

该书借助于数值分析，针对工程中常见的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级围岩中大跨度单拱和边拱隧道施工的力学行进行了较深入研究。结合沙坝隧道分析了倾斜岩层中衬砌开裂机理及其承载能力，并提出了相应的处治措施。

半刚性基层沥青路面由于具有强度高、造价低、整体性及水稳定性好等优点，在我国公路建设中得到了广泛的运用；但半刚性基层在运营期间易产生干缩裂缝和低温收缩裂缝，在交通荷载和温度荷载的重复作用下，半刚性基层的这种收缩裂缝很容易扩展到沥青面层而形成反射裂缝。反射裂缝一旦产生，不仅影响路面的美观和行车舒适性，更重要的是大大的缩短了路面的使用寿命。关于沥青路面断裂分析的理论及抗裂，国内外已开展了大量的研究工作。由于断裂力学较好的反映了结构内部存在的裂缝之类缺陷，因此在路面反射裂缝的分析方面得到了较好的应用。目前采用断裂力学对反射裂缝的研究主要集中在缝端应力状态及缝端应力强度因子的计算上，通过对比不同防裂措施及材料的缝端应力或应力强度因子对防裂效果进行计算比较：而对疲劳寿命的计算及疲劳寿命与路面结构参数的关系研究较少。可以采用断裂力学有限元模型，通过疲劳断裂分析，对温度荷载作用下疲劳断裂寿命进行了计算；同时对不同面层厚度和模量情况下疲劳断裂寿命进行了计算比较，为防裂材料和防裂结构的选择提供了理论依据 。

由于旧水泥混凝土路面板接、裂缝处不能承受拉应力和剪应力，所以裂缝和接缝顶面的沥青罩面层最容易受到损伤，因此反射裂缝一般情况下与旧水泥混凝土板的裂缝和接缝相对应。如果沥青罩面层与旧路面板之间有较好的粘结性能那么造成反射裂缝可能有如下两种情况：

1.反射裂缝是旧路面上裂缝处应力集中作用的直接结果，集中的应力使得裂缝直接扩展进入罩面层。一般认为，反射裂缝的产生和发展是由于旧水泥路面板的移动所造成的，而这些移动又主要来源于温度变化、行驶车辆及两者的综合作用。由温度变化引起的反射裂缝常常称之为温度型反射裂缝，相应地由行车荷载引起的反射裂缝称之为荷载型反射裂缝 。

温度型反射裂缝：外部环境对混凝土路面温度的影响可以按日变化温度和年变化温度来考虑。在年变化温度作用下，由于作用周期较长，沥青罩面层的顶面与底面温度较接近。在寒冷的季节，旧混凝土板产生收缩变形，在沥青罩面层内产生拉应力；在炎热的夏季，旧混凝土板膨胀，在沥青罩面层中产生压应力。在日变化温度作用下，沥青罩面层顶面温度变化较大，底面温度变化较小，使沥青罩面层出现翘曲变形。随着温度的下降，在罩面层顶面产生拉应力，底面产生压应力。温度变化越大、越快，产生的应力越大，罩面层越容易开裂。

荷载型反射裂缝：当汽车荷载驶经接缝时，可分为3个过程：①轴载位于接缝一侧时，接缝两侧产生较大的相对位移，在罩面层中造成较大的剪切应力；②轴载位于接缝顶面时，两板无相对位移或相对位移较小，罩面层主要承受弯拉应力作用；③轴载驶离接缝时，在罩面层内产生与第一次方向相反的剪切应力，在整个过程中罩面层受到两次剪切一次弯曲，而且是连续的。如果接缝处设有传力杆，基层刚度大且无脱空，那么上述3个过程区分不明显 。

2.当通过某种方式消除了旧路面板上接裂缝应力集中的影响，接裂缝的第二个“作用”就是在车辆荷载的作用下使罩面结构在裂缝处产生最大的弯沉，相应地在罩面层中产生最大的应力，从而使接裂缝顶部的沥青罩面层成为反射裂缝产生的最可能部位 。