论文总字数：36082字

摘 要

隧道在服役过程中普遍存在衬砌结构劣化的现象，降低其耐久性和安全性，缩短了隧道的服役年限。但是我国规范中尚没有隧道衬砌耐久性能评价的定量描述，只是通过采用较大安全系数的方法保证设计使用年限符合要求。

针对全生命周期隧道衬砌设计优化及隧道寿命预测，本文所做工作如下：

（1）总结现行规范中对隧道衬砌的设计计算方法，分析特点、适用性和优缺点。

（2）系统总结导致隧道衬砌钢筋混凝土结构发生劣化的各原因及多因素共同作用的情况，包括碳化作用、氯离子等引起钢筋锈蚀的作用、冻融循环作用、碱集料反应等。根据不同作用的影响因素提出防治、控制措施。探究衬砌劣化对隧道结构在力学性能方面的影响。

（3）结合前人研究成果，根据现今较为成熟的混凝土结构剩余使用生命预测理论，提出一种预测隧道生命的可行方法，结合实际工程数据计算结果，综合影响衬砌寿命的因素指导隧道进行优化设计。

关键词：隧道衬砌；劣化；全生命周期；寿命预测

Abstract

　　The deterioration of lining structure generally occurs during the service of tunnels, which damages durability and safety, and shortens the service life of tunnels. However, it can be found in design code that no quantitative description has been made affecting the durability of lining, only by making large safety factors can the design service life be ensured attain the requirement.

　　Aimed at the design optimization of tunnel lining in full life-cycle and life prediction, the following works are done in this paper:

(1) Summarize the calculation method of tunnel lining in current design code, analyze the characteristics, applicability, advantages and disadvantages.

(2)Summarize the reasons for the deterioration of the reinforced concrete structure of tunnel lining and the common effects of multiple factors systematically, including carbonization, chloride ion, corrosion, freeze-thaw cycle, and alkali aggregate reaction. According to different influence factors, formulate prevention and control measures. Research the influence of mechanical properties of tunnel structure due to lining deterioration.

(3)Present a method to predict the life of the tunnel according to the mature life prediction theory of concrete structure. Combined the predict results of actual tunnel data and the factors which affecting lining life, optimization tunnel design.

KEY WORDS: Tunnel lining, deterioration, full life cycle, life prediction

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 地下结构计算理论的发展 1

1.2.1 刚性结构阶段 1

1.2.2 弹性结构阶段 2

1.2.3 连续介质阶段 2

1.2.4 数值模拟阶段 2

1.2.5 可靠度分析及优化设计阶段 2

1.3 国内外研究现状 3

1.3.1 引起隧道钢筋混凝土衬砌材料劣化的因素 3

1.3.2 混凝土劣化对衬砌结构力学性能的影响 3

1.3.3 基于全生命周期的隧道结构设计 3

1.3.4 现有成果评述 4

1.4 主要研究内容与技术路线 4

1.4.1 研究内容 4

1.4.2 技术路线 5

第二章 隧道衬砌计算方法 6

2.1 概述 6

2.2 隧道衬砌结构设计和计算方法^[28] 6

2.2.1 深埋隧道围岩压力 6

2.2.2 荷载结构法 6

2.2.3 地层结构法 8

2.3 对现行设计计算方法的评价 9

2.3.1 荷载结构法及优缺点 9

2.3.2 地层结构法及优缺点 10

2.4 本章小结 10

第三章 隧道衬砌结构劣化机理分析与力学性能影响 12

3.1 引言 12

3.2 隧道衬砌钢筋混凝土劣化机理 12

3.2.1 在单一因素作用下的劣化机理 12

3.2.2 多因素共同作用下引起衬砌劣化的机理 15

3.3 混凝土劣化对衬砌结构力学性能的影响 16

3.3.1 混凝土碳化对衬砌结构力学性能的影响 16

3.3.2 钢筋锈蚀对衬砌结构力学性能的影响 19

3.4 本章小结 24

第四章 基于全寿命周期的隧道衬砌结构设计方法探讨 25

4.1 概述 25

4.2 隧道衬砌寿命预测 25

4.2.1 钢筋混凝土结构寿命预测方法 25

4.2.2 隧道衬砌结构寿命预测方法确定 25

4.2.3 预测衬砌结构寿命方法探讨 26

4.3 预测隧道寿命及基于全生命周期的隧道衬砌结构优化设计探讨 28

4.3.1 龙头山隧道衬砌寿命预测 28

4.3.2 衬砌结构寿命影响因素 28

4.3.3 隧道结构耐久性改善措施 29

4.4 本章小结 29

第五章 结论与展望 31

5.1 主要成果 31

5.2 展望 31

致谢 33

参考文献 34

绪论

研究背景与意义

近年来，我国交通基础设施建设的发展不断加快。“十三五”以来，我国正处于从交通大国迈向交通强国的过程，交通基础设施的建设投资不断增长。在这个阶段中，交通基础设施的建设规模会稳步扩大，不断增加高等级公路、铁路的建设数量和里程。当路线需要穿过山区或丘陵地区时，往往利用地下空间以修建隧道，隧道工程及大断面公路隧道工程将日益增加。由于公路隧道和铁路隧道的线形和使用需求，工程所处不同而且复杂的地质条件，断面面积较大且扁平，隧道衬砌与周边环境的作用机理十分复杂，并且在隧道整个施工、运行、养护的过程中都存在。

近年来，随着地下工程数量的增多，投资和规模的扩大，对于地下工程的标准要求也在逐渐提高。在实际工程中，保障地下工程安全的同时，如果改进隧道耐久性可以延长地下结构的使用年限，工程经济性能得以增强。隧道衬砌在一定长的时间后的损坏是无法避免的，甚至无法通过修复的方式恢复初建成时的状态。也会浪费资源并破坏周边环境。据资料统计，世界各国由于建筑结构腐蚀导致的损失平均能占国民经济总产值的2%~4%。^[1]。由于隧道工程是埋在地下的，地下工程地质环境和水文地质环境非常复杂，往往存在诸多不确定因素，比如环境中氯盐的影响、腐蚀性气体侵蚀、周围环境温度湿度等影响因素。这些因素对结构长期作用，造成钢筋锈蚀和混凝土损伤腐蚀，钢筋的锈蚀是导致混凝土结构耐久性降低甚至结构破坏的首要因素。在各种因素影响下结构承载能力不断下降，最终过早失效，缩减服役寿命。工程结构可靠性既包括安全性、适用性，时也包括耐久性要求，在设计阶段完善结构的耐久性设计，不仅有良好的经济效益，还能使设计更加合理可靠。

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