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书 名：高速公路隧道维修与加固
著 译 者：何川,佘健
出 版 社：人民交通出版社
书 号：
ISBN 7-114-05973-6
图书编号：B10035378印刷日期：2006-04-01
出版日期：2006-04-01上架时间：2006-07-22
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平装16开,210页
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元
图书简介
内 容 提 要
本书结合国内现阶段典型高速公路隧道的施工过程，对初期支护和永久衬砌结构的实际受力状况和围岩体的稳定性开展原位试验，进行长期跟踪观察，同时，采用数值模拟手法对现场结果进行相互印证分析，归纳出锚喷支护和模筑混凝土复合式隧道结构体这一主流结构形式与围岩体在修建阶段及早期运营阶段的实际力学行为，作为高速公路隧道维修加固研究的基础条件。在此基础上，对不同围岩特征和物性、原始地应力场进行物理模拟，通过大比尺多组数的相似模型试验，针对不同隧道病害形式下的维修加固方法与效果进行研究，以期对我国高速公路隧道的维修加固工作在基础及应用等方面提供参考。
本书可供从事隧道建设的科技人员使用，也可作为高等院校隧道专业师生的参考书。
前 言
随着我国高速公路建设的不断发展，高速公路隧道的总延长不断增加，尤其在西部地区各类长大及复杂地质环境条件下的高速公路隧道数量极大。从数量、规模和建设速度看，我国已成为世界上高速公路隧道工程最多、最复杂、发展最快的国家。但国内外各类隧道工程的实际恃况表明，由于地质条件、地形条件、气候条件和设计、施工、运营过程中各种因素的影响，隧道建成后在长期的使用过程中有很大部分会出现各种各样不同程度的病害，在特殊情况下，部分隧道甚至在使用的前期就出现比较．严重的隧道病害，对隧道的维修加固是运营阶段不可回避的重要工作。同时，鉴于我国数量极大的高速公路隧道基本集中在约20年间建成，可以预见今后面临的维修加固任务将是十分艰巨的。因此，对维修加固方面的基础与实用技术研究已经是刻不容缓的重要课题。
基于这一背景，著者从2001年起，开始针对我国高速公路隧道今后面临的维修加固方面的问题从基础入手进行了尝试性的研究工作，并得到了重庆市科学技术委员会的课题立项支持和重庆南方高速公路有限公司及重庆高速公路发展有限公司的资助。本书是以2002～2005年间著者主持完成的重庆市科技攻关项目"高速公路隧道长期安全性评价及维护加固研究"的内容为基本素材，将著者近年来在此领域取得的相关研究成果进行了归纳，并参考总结了部分国内的工程实例写成此书，以供国内同行参考。
鉴于现阶段我国高速公路隧道采用的设计理念和施工方法有别于我国早期建成的大量铁路隧道、水工隧道等地下工程，我国高速公路隧道普遍采用了新奥法设计理念和相应的施工技术，隧道主体结构以锚喷支护和模筑混凝土复合衬砌结构为主流形式。因此，本书首先结合国内现阶段典型高速公路隧道的施工过程，对初期支护和永久衬砌结构的实际受力状况和围岩体的稳定性开展原位试验，进行长期跟踪观察，同时，采用数值模拟手法对现场结果进行相互印证分析，归纳出锚喷支护和模筑混凝土复合式隧道结构体这一主流结构形式与围岩体在修建阶段及早期运营阶段的实际力学行为，作为高速公路隧道维修加固研究的基础条件。在此基础上，对不同围岩特征和物性、原始地应力场进行物理模拟，通过大比尺多组数的相似模型试验，针对不同隧道病害形式下的维修加固方法与效果进行研究，以期对我国高速公路隧道的维修加固工作在基础及应用等方面提供参考。
本书包含的主要具体内容有：
(1)通过对新建高速公路隧道典型断面施工全过程及建成早期进行的约3年时间的跟踪监控量测，得到了从初期支护结构到永久衬砌结构的实际受力状况，探明了在现阶段的主流施工方法下，高速公路隧道在修建阶段及早期运营阶段的实际力学行为。
(2)对隧道修建阶段、早期运营阶段以及结构的长期运营阶段进行了安全性分析计算，为结构安全性评价及工程维护加固对策提供了基础数据。
(3)针对洞口软弱围岩段结构受力复杂的情况，采用三维有限元方法模拟隧道施工的全过枉，探明了开挖全过程隧道结构的应力、应变、塑性区、位移及沉降的分布及空间效应。
(4)利用相似模型试验对在不同的应力场作用下、不同的围岩级别下的隧道结构进行加载破坏试验，研究了隧道结构破坏规律及极限承载能力，以及针对不同病害情况下的合理补强方法和效果。
(5)应用平面有限元方法对隧道结构的破坏和补强过程进行数值模拟，并与模型试验进行了对照分析，可为隧道的维修加固设计提供参考。
(6)分析介绍了国内6座隧道的病害与维修加固工程实例。
感谢重庆南方高速公路有限公司原总经理阳光教授级高级工程师、总工程师夏小泉对研究工作的大力支持，感谢中铁隧道集团第一工程处的技术人员对现场试验的大力协助，感谢西南交通大学刘永华、兰宇两位硕士研究生在现场试验和模型试验中所做的具体工作。
鉴于著者的水平和认识的局限性，对书中出现的不妥乃至谬误之处望同行批评指正。著者联系方式为：成都市二环路北一段111号，西南交通大学土木工程学院地下工程系何川(收)，邮编610031，Tel：028-87601932，Fax：028-87603021，E-mail：chuanhe21@sina．com。
著 者
2005年12月
子西南交通大学
本书结合国内现阶段典型高速公路隧道的施工过程，对初期支护和永久衬砌结构的实际受力状况和围岩体的稳定性开展原位试验，进行长期跟踪观察，同时，采用数值模拟手法对现场结果进行相互印证分析，归纳出锚喷支护和模筑混凝土复合式隧道结构体这一主流结构形式与围岩体在修建阶段及早期运营阶段的实际力学行为，作为高速公路隧道维修加固研究的基础条件。在此基础上，对不同围岩特征和物性、原始地应力场进行物理模拟，通过大比尺多组数的相似模型试验，针对不同隧道病害形式下的维修加固方法与效果进行研究，以期对我国高速公路隧道的维修加固工作在基础及应用等方面提供参考。
本书可供从事隧道建设的科技人员使用，也可作为高等院校隧道专业师生的参考书。
前 言
随着我国高速公路建设的不断发展，高速公路隧道的总延长不断增加，尤其在西部地区各类长大及复杂地质环境条件下的高速公路隧道数量极大。从数量、规模和建设速度看，我国已成为世界上高速公路隧道工程最多、最复杂、发展最快的国家。但国内外各类隧道工程的实际恃况表明，由于地质条件、地形条件、气候条件和设计、施工、运营过程中各种因素的影响，隧道建成后在长期的使用过程中有很大部分会出现各种各样不同程度的病害，在特殊情况下，部分隧道甚至在使用的前期就出现比较．严重的隧道病害，对隧道的维修加固是运营阶段不可回避的重要工作。同时，鉴于我国数量极大的高速公路隧道基本集中在约20年间建成，可以预见今后面临的维修加固任务将是十分艰巨的。因此，对维修加固方面的基础与实用技术研究已经是刻不容缓的重要课题。
基于这一背景，著者从2001年起，开始针对我国高速公路隧道今后面临的维修加固方面的问题从基础入手进行了尝试性的研究工作，并得到了重庆市科学技术委员会的课题立项支持和重庆南方高速公路有限公司及重庆高速公路发展有限公司的资助。本书是以2002～2005年间著者主持完成的重庆市科技攻关项目"高速公路隧道长期安全性评价及维护加固研究"的内容为基本素材，将著者近年来在此领域取得的相关研究成果进行了归纳，并参考总结了部分国内的工程实例写成此书，以供国内同行参考。
鉴于现阶段我国高速公路隧道采用的设计理念和施工方法有别于我国早期建成的大量铁路隧道、水工隧道等地下工程，我国高速公路隧道普遍采用了新奥法设计理念和相应的施工技术，隧道主体结构以锚喷支护和模筑混凝土复合衬砌结构为主流形式。因此，本书首先结合国内现阶段典型高速公路隧道的施工过程，对初期支护和永久衬砌结构的实际受力状况和围岩体的稳定性开展原位试验，进行长期跟踪观察，同时，采用数值模拟手法对现场结果进行相互印证分析，归纳出锚喷支护和模筑混凝土复合式隧道结构体这一主流结构形式与围岩体在修建阶段及早期运营阶段的实际力学行为，作为高速公路隧道维修加固研究的基础条件。在此基础上，对不同围岩特征和物性、原始地应力场进行物理模拟，通过大比尺多组数的相似模型试验，针对不同隧道病害形式下的维修加固方法与效果进行研究，以期对我国高速公路隧道的维修加固工作在基础及应用等方面提供参考。
本书包含的主要具体内容有：
(1)通过对新建高速公路隧道典型断面施工全过程及建成早期进行的约3年时间的跟踪监控量测，得到了从初期支护结构到永久衬砌结构的实际受力状况，探明了在现阶段的主流施工方法下，高速公路隧道在修建阶段及早期运营阶段的实际力学行为。
(2)对隧道修建阶段、早期运营阶段以及结构的长期运营阶段进行了安全性分析计算，为结构安全性评价及工程维护加固对策提供了基础数据。
(3)针对洞口软弱围岩段结构受力复杂的情况，采用三维有限元方法模拟隧道施工的全过枉，探明了开挖全过程隧道结构的应力、应变、塑性区、位移及沉降的分布及空间效应。
(4)利用相似模型试验对在不同的应力场作用下、不同的围岩级别下的隧道结构进行加载破坏试验，研究了隧道结构破坏规律及极限承载能力，以及针对不同病害情况下的合理补强方法和效果。
(5)应用平面有限元方法对隧道结构的破坏和补强过程进行数值模拟，并与模型试验进行了对照分析，可为隧道的维修加固设计提供参考。
(6)分析介绍了国内6座隧道的病害与维修加固工程实例。
感谢重庆南方高速公路有限公司原总经理阳光教授级高级工程师、总工程师夏小泉对研究工作的大力支持，感谢中铁隧道集团第一工程处的技术人员对现场试验的大力协助，感谢西南交通大学刘永华、兰宇两位硕士研究生在现场试验和模型试验中所做的具体工作。
鉴于著者的水平和认识的局限性，对书中出现的不妥乃至谬误之处望同行批评指正。著者联系方式为：成都市二环路北一段111号，西南交通大学土木工程学院地下工程系何川(收)，邮编610031，Tel：028-87601932，Fax：028-87603021，E-mail：chuanhe21@sina．com。
著 者
2005年12月
子西南交通大学
图书目录
第1章 绪 论1
1．1 问题的提出1
1．2 隧道工程维修管理2
1．2．1 隧道工程维修管理的基本认识2
1．2．2 隧道工程维修管理的现状和存在的问题4
1．2．3 隧道工程维修管理的基本理念5
1．3 隧道病害现象分类及原因分析6
1．3．1 隧道病害现象6
1．3．2 隧道病害原因6
1．4 隧道维修与加固研究现状9
1．4．1 现场原位试验9
1．4．2 理论与数值分析10
1．4．3 室内相似模型试验11
第2章 隧道修建阶段实际力学形态的现场试验13
2．1 概述13
2．2 现场试验隧道简介13
2．2．1 工程地质条件13
2．2．2 水文地质条件14
2．2．3 气候特征及地震情况14
2．2．4 隧道主要不良地质现象14
2．2．5 主洞洞身结构设计15
2．3 现场试验概况17
2．4 现场试验项目及结果分析19
2．4．1 锚杆轴力19
2．4．2 二次衬砌接触压力22
2．4．3 二次衬砌应力26
2．5 二次衬砌安全性分析30
2．5．1 安全系数计算方法30
2．5．2 隧道的安全性分析31
2．6 本章小结32
第3章 隧道修建阶段力学形态的数值模拟34
3．1 概述34
3．1．1 分析方法34
3．1．2 隧道施工的应力及变形分析34
3．1．3 新奥法施工锚喷支护的数值分析35
3．2 数值模拟关联问题36
3．2．1 围岩力学模型的选择36
3．2．2 地应力场的模拟37
3．2．3 边界条件的确定37
3．2．4 释放荷载的计算37
3．2．5 计算模型本构关系的选择39
3．3 三维计算模型40
3．3．1 模型确定40
3．3．2 模拟开挖步骤41
3．4 计算结果分析44
3．4．1 围岩的应力、应变特征44
3．4．2 围岩位移特征49
3．4．3 初期支护受力特征55
3．4．4 次衬砌受力特征57
3．4．5 计算结果与现场试验的比较59
3．5 安全性模拟分析61
3．5．1 基本假定和计算模式61
3．5．2 计算模型61
3．5．3 数值模拟结果与分析62
3．6 本章小结64
第4章 隧道病害与维修加固研究用模型试验概况67
4．1 相似关系67
4．1．1 相似定理67
4．1．2 试验相似关系的确定68
4．2 试验原型及相似材料69
4．2．1 原型隧道69
4．2．2 相似材料69
4．3 模型试验装置及量测系统71
4．3．1 模型试验装置71
4．3．2 量测系统73
4．4 模型试验系列75
4．4．1 补强等级的划分75
4．4．2 隧道补强设计76
4．4．3 隧道补强试验分组78
4．4．4 试验步骤80
4．5 本章小结80
第5章 隧道施工缺陷对衬砌承载力影响的模型试验82
5．1 衬砌背后空洞对衬砌承载力的影响82
5．1．1 水平应力为最大主应力时拱顶空洞对结构承载力影响82
5．1．2 不同的空洞位置对衬砌承载力的影响88
5．1．3 竖直应力作用时拱顶空洞对衬砌承载力的影响94
5．1．4 试验结论101
5．2 衬砌减薄对隧道承载力的影响102
5．2．1 水平主应力作用时V级围岩衬砌厚度不足对结构承载力影响102
5．2．2 水平主应力作用时IV级围岩衬砌厚度不足对结构承载力影响107
5．2．3 竖直应力作用下衬砌厚度不足对结构承载力的影响109
5．2．4 试验结论112
5．3 施工方法对隧道衬砌结构承载力的影响113
5．3．1 水平主应力场中施工方法对隧道衬砌承载力的影响113
5．3．2 竖直应力为主应力时施工方法对隧道衬砌承载力的影响117
5．3．3 不同的主应力方向对隧道衬砌承载力的影响120
5．3．4 试验结论124
5．4 应力场对隧道承载力的影响124
5．4．1 应力场对III级围岩中隧道承载力的影响124
5．4．2 应力场对IV级围岩中隧道承载力的影响128
5．4．3 应力场对V级围岩中隧道承载力的影响132
5．4．4 试验结论136
5．5 本章小结136
第6章 隧道病害维修加固方法与效果的模型试验138
6．1 回填压注138
6．1．1 水平应力为主应力的情况138
6．1．2 竖直应力场作用的情况140
6．1．3 小结142
6．2 内表面补强143
6．2．1 内表面补强对结构承载力的影响143
6．2．2 内表面补强刚度的影响145
6．2．3 内表面补强范围的影响147
6．2．4 不同围岩级别中材质对内表面补强的影响148
6．2．5 小结150
6．3 锚杆补强151
6．3．1 水平应力为主应力的情况151
6．3．2 竖直应力为主应力的情况153
6．3．3 小结155
6．4 内衬·拱架补强156
6．4．1 竖直应力作用的情况156
6．4．2 水平应力为主应力的情况156
6．4．3 小结158
6．5 组合补强159
6．5．1 内衬·拱架与锚杆组合补强159
6．5．2 回填压注、内衬·拱架与锚杆的组合补强160
6．5．3 回填压注、内表面与锚杆组合补强161
6．5．4 小结163
6．6 补强试验模拟计算算例164
6．6．1 V级围岩算例164
6．6．2 III级围岩算例166
6．7 本章小结169
第7章 隧道病害与维修加固实例及分析171
7．1 龙泉山隧道病害维修加固171
7．1．1 工程概况171
7．1．2 隧道病害治理设计171
7．1．3 隧道病害整治施工175
7．1．4 结论178
7．2 西岭雪山隧道衬砌裂损病害整治179
7．2．1 工程概况179
7．2．2 隧道病害现状综述180
7．2．3 隧道病害原因分析182
7．2．4 隧道病害整治设计183
7．2．5 主要施工方法185
7．3 大垭口隧道病害整治186
7．3．1 工程概况186
7．3．2 病害状况186
7．3．3 病害整治原则187
7．3．4 病害整治方法187
7．3．5 病害整治验收标准192
7．4 龙门隧道病害整治192
7．4．1 工程概况192
7．4．2 病害原因分析193
7．4．3 隧道病害的治理194
7．4．4，整治结果196
7．4．5 结语196
7．5 六甲洞隧道病害整治196
7．5．1 工程概况196
7．5．2 病害地段的工程地质和水文地质197
7．5．3 病害成因分析197
7．5．4 病害治理措施199
7．5．5 施工监测与信息反馈200
7．5．6 结论与经验201
7．6 祁家大山隧道病害整治201
7．6．1 工程概况201
7．6．2 病害检测及原因分析202
7．6．3 加固方案203
7．6．4 结语206
参考文献207
1．1 问题的提出1
1．2 隧道工程维修管理2
1．2．1 隧道工程维修管理的基本认识2
1．2．2 隧道工程维修管理的现状和存在的问题4
1．2．3 隧道工程维修管理的基本理念5
1．3 隧道病害现象分类及原因分析6
1．3．1 隧道病害现象6
1．3．2 隧道病害原因6
1．4 隧道维修与加固研究现状9
1．4．1 现场原位试验9
1．4．2 理论与数值分析10
1．4．3 室内相似模型试验11
第2章 隧道修建阶段实际力学形态的现场试验13
2．1 概述13
2．2 现场试验隧道简介13
2．2．1 工程地质条件13
2．2．2 水文地质条件14
2．2．3 气候特征及地震情况14
2．2．4 隧道主要不良地质现象14
2．2．5 主洞洞身结构设计15
2．3 现场试验概况17
2．4 现场试验项目及结果分析19
2．4．1 锚杆轴力19
2．4．2 二次衬砌接触压力22
2．4．3 二次衬砌应力26
2．5 二次衬砌安全性分析30
2．5．1 安全系数计算方法30
2．5．2 隧道的安全性分析31
2．6 本章小结32
第3章 隧道修建阶段力学形态的数值模拟34
3．1 概述34
3．1．1 分析方法34
3．1．2 隧道施工的应力及变形分析34
3．1．3 新奥法施工锚喷支护的数值分析35
3．2 数值模拟关联问题36
3．2．1 围岩力学模型的选择36
3．2．2 地应力场的模拟37
3．2．3 边界条件的确定37
3．2．4 释放荷载的计算37
3．2．5 计算模型本构关系的选择39
3．3 三维计算模型40
3．3．1 模型确定40
3．3．2 模拟开挖步骤41
3．4 计算结果分析44
3．4．1 围岩的应力、应变特征44
3．4．2 围岩位移特征49
3．4．3 初期支护受力特征55
3．4．4 次衬砌受力特征57
3．4．5 计算结果与现场试验的比较59
3．5 安全性模拟分析61
3．5．1 基本假定和计算模式61
3．5．2 计算模型61
3．5．3 数值模拟结果与分析62
3．6 本章小结64
第4章 隧道病害与维修加固研究用模型试验概况67
4．1 相似关系67
4．1．1 相似定理67
4．1．2 试验相似关系的确定68
4．2 试验原型及相似材料69
4．2．1 原型隧道69
4．2．2 相似材料69
4．3 模型试验装置及量测系统71
4．3．1 模型试验装置71
4．3．2 量测系统73
4．4 模型试验系列75
4．4．1 补强等级的划分75
4．4．2 隧道补强设计76
4．4．3 隧道补强试验分组78
4．4．4 试验步骤80
4．5 本章小结80
第5章 隧道施工缺陷对衬砌承载力影响的模型试验82
5．1 衬砌背后空洞对衬砌承载力的影响82
5．1．1 水平应力为最大主应力时拱顶空洞对结构承载力影响82
5．1．2 不同的空洞位置对衬砌承载力的影响88
5．1．3 竖直应力作用时拱顶空洞对衬砌承载力的影响94
5．1．4 试验结论101
5．2 衬砌减薄对隧道承载力的影响102
5．2．1 水平主应力作用时V级围岩衬砌厚度不足对结构承载力影响102
5．2．2 水平主应力作用时IV级围岩衬砌厚度不足对结构承载力影响107
5．2．3 竖直应力作用下衬砌厚度不足对结构承载力的影响109
5．2．4 试验结论112
5．3 施工方法对隧道衬砌结构承载力的影响113
5．3．1 水平主应力场中施工方法对隧道衬砌承载力的影响113
5．3．2 竖直应力为主应力时施工方法对隧道衬砌承载力的影响117
5．3．3 不同的主应力方向对隧道衬砌承载力的影响120
5．3．4 试验结论124
5．4 应力场对隧道承载力的影响124
5．4．1 应力场对III级围岩中隧道承载力的影响124
5．4．2 应力场对IV级围岩中隧道承载力的影响128
5．4．3 应力场对V级围岩中隧道承载力的影响132
5．4．4 试验结论136
5．5 本章小结136
第6章 隧道病害维修加固方法与效果的模型试验138
6．1 回填压注138
6．1．1 水平应力为主应力的情况138
6．1．2 竖直应力场作用的情况140
6．1．3 小结142
6．2 内表面补强143
6．2．1 内表面补强对结构承载力的影响143
6．2．2 内表面补强刚度的影响145
6．2．3 内表面补强范围的影响147
6．2．4 不同围岩级别中材质对内表面补强的影响148
6．2．5 小结150
6．3 锚杆补强151
6．3．1 水平应力为主应力的情况151
6．3．2 竖直应力为主应力的情况153
6．3．3 小结155
6．4 内衬·拱架补强156
6．4．1 竖直应力作用的情况156
6．4．2 水平应力为主应力的情况156
6．4．3 小结158
6．5 组合补强159
6．5．1 内衬·拱架与锚杆组合补强159
6．5．2 回填压注、内衬·拱架与锚杆的组合补强160
6．5．3 回填压注、内表面与锚杆组合补强161
6．5．4 小结163
6．6 补强试验模拟计算算例164
6．6．1 V级围岩算例164
6．6．2 III级围岩算例166
6．7 本章小结169
第7章 隧道病害与维修加固实例及分析171
7．1 龙泉山隧道病害维修加固171
7．1．1 工程概况171
7．1．2 隧道病害治理设计171
7．1．3 隧道病害整治施工175
7．1．4 结论178
7．2 西岭雪山隧道衬砌裂损病害整治179
7．2．1 工程概况179
7．2．2 隧道病害现状综述180
7．2．3 隧道病害原因分析182
7．2．4 隧道病害整治设计183
7．2．5 主要施工方法185
7．3 大垭口隧道病害整治186
7．3．1 工程概况186
7．3．2 病害状况186
7．3．3 病害整治原则187
7．3．4 病害整治方法187
7．3．5 病害整治验收标准192
7．4 龙门隧道病害整治192
7．4．1 工程概况192
7．4．2 病害原因分析193
7．4．3 隧道病害的治理194
7．4．4，整治结果196
7．4．5 结语196
7．5 六甲洞隧道病害整治196
7．5．1 工程概况196
7．5．2 病害地段的工程地质和水文地质197
7．5．3 病害成因分析197
7．5．4 病害治理措施199
7．5．5 施工监测与信息反馈200
7．5．6 结论与经验201
7．6 祁家大山隧道病害整治201
7．6．1 工程概况201
7．6．2 病害检测及原因分析202
7．6．3 加固方案203
7．6．4 结语206
参考文献207
