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原文传递隧道衬砌结构服役力学性能演化机理研究

论文题名：	隧道衬砌结构服役力学性能演化机理研究
关键词：	运营隧道;衬砌结构;支护劣化;围岩荷载;服役力学性能
摘要：	隧道结构作为一个复杂的体系，在投入运营或服役后会出现各种类型和不同程度的病害现象，威胁隧道运营安全，缩短隧道维护周期及服役寿命。从科学层面而言，隧道结构病害是支护与围岩长期不良作用的结果，其本质是隧道结构体系状态变化所造成的结构受力条件的改变。对于复杂隧道而言，支护结构在服役期会表现出随时间劣化现象，而围岩作为天然地质体也具有显著时效特性，这两者均会对隧道结构长期服役安全性产生影响。因此，开展支护-围岩耦合作用下隧道结构长期力学响应及安全性演化规律的研究，对完善隧道结构设计理念、延长隧道服役寿命具有重要的意义。为此，本文以隧道结构长期服役力学性能为核心，围绕衬砌混凝土力学特性劣化机理、围岩侵蚀时效特性及其荷载效应、隧道结构体系的长期力学响应特征及安全性演化规律、衬砌结构渐进性破坏机理等内容展开了系统研究。本文主要研究工作及成果如下：　　（1）结合运营隧道衬砌结构病害资料，总结归纳出衬砌混凝土内部随机劣化产物的堆积造成结构疏松多孔，是导致其宏观力学性能劣化的主要原因，据此构建了含随机劣化缺陷的混凝土数值模型，并对不同劣化程度下衬砌混凝土内部微裂缝萌生、扩展、贯穿至破坏的全过程、多尺度演化规律展开了分析，从而揭示了混凝土内部微细观结构破坏引起其宏观力学性能劣化的内在机理。　　（2）考虑到隧道服役环境中岩石侵蚀时效特性引起的围岩长期荷载效应这一普遍现象，结合岩石侵蚀过程中内部细观颗粒间胶结物逐渐溶蚀的特征，将岩石侵蚀等效为内部颗粒间黏结面积的减小；基于此依托颗粒离散元软件建立了考虑环境侵蚀的岩石细观蠕变模型，系统分析了不同侵蚀程度、侵蚀速率、非均质性等因素对岩石蠕变特性的影响规律；进一步将岩石蠕变模型应用于隧道工程尺度层面，分析了围岩侵蚀时效特性下衬砌结构力学响应特征。　　（3）建立了考虑支护结构劣化及围岩长期荷载效应的支护-围岩耦合作用机理模型，对耦合作用下支护结构长期力学响应特征进行了系统研究。由于支护结构劣化现象以及围岩长期荷载效应均会对隧道工程长期服役安全性产生影响，进而建立了考虑上述时效因素的支护-围岩耦合作用机理模型，并对其全过程解析；据此阐明了耦合作用下支护结构长期力学响应特征，并对相关参数进行了影响因素分析；进一步结合支护荷载与承载能力演化曲线，对隧道结构长期安全性演化规律进行了探讨，为隧道结构服役寿命的预测提供依据。　　（4）揭示了隧道复合式支护结构长期荷载传递机制及承载特性，并对二次衬砌设计方法进行了探讨。根据复合式支护结构服役状态及承载特点，在考虑围岩长期荷载效应及初支混凝土劣化基础上，建立了“流变围岩?初期支护?二次衬砌”耦合作用机理模型，推导了围岩变形和支护荷载时变解答；就耦合作用下复合式支护结构长期力学响应特征及其影响因素进行了分析，进而揭示了初期支护在承担荷载和传递荷载两个层面角色转换特点及两层支护间荷载分配规律，并重点阐明了耦合作用下二次衬砌结构长期承载特性，最后就考虑时效特性的二次衬砌结构设计方法进行了探讨。　　（5）构建了考虑混凝土细观尺度特征的衬砌结构模型，系统分析了衬砌背后空洞、衬砌内部缺陷影响下衬砌结构力学响应特征及渐进性破坏过程，并阐明了混凝土细观尺度特征对衬砌裂缝扩展过程影响机制；最后结合运营隧道病害治理工程，针对不同类型衬砌结构破坏特点，提出了相应病害修复措施及长期性能保持方法。
作者：	刘昌
专业：	土木工程
导师：	张顶立
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2023