地铁隧道衬砌结构破坏机理与安全性评价

摘要

轨道交通以其方便、快捷、高效的特点成为解决城市交通问题的重要措施，在保障城市正常运转方面发挥着不可替代的作用。工程实践表明，隧道结构病害是地铁运营过程中不可忽视的问题，对列车的运营安全造成隐患。然而，目前对地铁隧道的病害状态、衬砌结构裂缝的扩展机理和分布模式以及结构的安全性评价的研究尚不多见。随着轨道交通运营体量的增大，隧道结构的安全性评价研究就显得尤为必要。
　　本文首先以北京地铁为例进行了地铁运营隧道的病害状态调研;其次，对矿山法隧道复合式衬砌的初期支护与二次衬砌结构内力进行了求解;再次，分析了地铁隧道衬砌截面的极限内力、裂缝扩展过程及其影响因素;之后，对影响地铁隧道衬砌结构破坏的结构因素和地质因素进行分析，提出地铁隧道衬砌结构破坏的裂缝分布模式;最后，给出了地铁隧道衬砌结构的安全性评价方法。本文的主要工作内容和成果如下:
　　(1)现场调研及病害数据表明隧道衬砌孔缝是结构渗漏水的多发位置，包括盾构隧道的管片接缝、螺栓孔以及矿山法隧道中的“三缝”和衬砌裂缝。断面收敛变形超限和道床脱空在盾构隧道中更为常见，其病害以渗漏水为主;矿山法隧道中以衬砌开裂为主且受结构配筋影响较大。隧道运营时间越长、测点位置越靠下，衬砌碳化情况越严重。
　　(2)基于弹性地基曲梁理论和初参数法，在不考虑初支与二衬之间摩擦的基础上，假定两者在隧道断面径向上满足变形协调，以此求解复合式衬砌结构内力。二衬结构内力与隧道断面半径、断面形式、初支和二衬厚度以及混凝土强度等级均有密切的关系。较之单层式衬砌结构，由于二衬结构的存在，初支内力的计算在各项上均有相应的修正。
　　(3)基于混凝土理论，分析隧道二衬结构在偏心受拉和偏心受压破坏下的极限内力。以混凝土断裂理论为依据，编制求解裂缝扩展深度的Matlab“搜索法”计算程序，获得各破坏形式所对应的裂缝扩展曲线。截面轴力为拉力时，裂缝扩展经历“未开裂、钢筋保护层范围内的急速扩展、越过钢筋后的极缓慢扩展、急剧扩展以及邻近破坏前的缓慢扩展”5个非线性阶段;当截面轴向力为压力时，裂缝经历非线性扩展直至贯穿整个截面。
　　(4)在衬砌截面裂缝扩展分析的基础上，分析截面剪力、混凝土强度等级、二衬厚度、配筋数量、钢筋屈服强度以及钢筋保护层厚度对裂缝扩展的影响。其中，较大剪力对衬砌截面的抗裂性能不利;高等级混凝土对受压截面的裂缝控制能力要好于受拉截面;衬砌厚度越大，各阶段内的裂缝扩展速率越快;高配筋量对裂缝的控制作用更为明显;在材料弹性模量相同的前提下，高屈服强度钢筋在裂缝扩展控制方面并没有太大的优势;钢筋保护层厚度大的情况止裂效果更好。不同阶段内裂缝扩展的主要影响因素不同。
　　(5)基于正交分析原理建立112种工况，借助扩展有限元计算研究结构自身因素和工程地质条件对衬砌结构破坏的影响，提出了地铁隧道衬砌结构破坏时的裂缝分布模式。围岩侧压力系数以及隧道断面形式是影响结构收敛变形和裂缝状态的主要因素。结构自身因素以及工程地质条件各参数对衬砌结构破坏时的断面收敛变形和裂缝状态的影响不同;衬砌裂缝分布模式受断面形式影响最大。
　　(6)采用模糊综合评价法，建立了包含隧道断面收敛变形和裂缝状态的三级指标体系。根据SPSS的Q型聚类分析和各项指标的隶属度函数，以安全度矩阵为依据将地铁隧道衬砌结构划分为A、B、C三个安全等级，给出了应用更为方便的地铁隧道结构安全度等级面域查询图。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 隧道结构病害种类及成因

1．2．2 混凝土结构断裂分析

1．2．3 地铁隧道结构的安全性评价

1．3 研究中存在的主要问题

1．4 研究内容

1．5 研究方法

2 地铁运营隧道病害状态分析

2．1 盾构隧道的横断面收敛变形超限

2．2 地铁隧道衬砌结构病害

2．2．1 地铁隧道衬砌结构开裂

2．2．2 地铁隧道衬砌混凝土碳化

2．3 地铁隧道渗漏水

2．4 地铁隧道整体式道床结构病害

2．5 本章小结

3 地铁隧道复合式衬砌结构内力分析

3．1 弹性地基曲梁的微分方程

3．2 隧道单层衬砌结构内力的初参数法求解

3．3 地铁隧道复合式衬砌结构内力求解

3．3．1 二衬结构支护刚度Ka(θ)

3．3．2 初支结构的内力求解

3．3．3 二衬结构的内力求解

3．4 算例验证

3．5 本章小结

4 地铁隧道钢筋混凝土衬砌结构裂缝扩展分析

4．1 地铁隧道钢筋混凝土衬砌截面的极限内力

4．1．1 基本假定及材料的应力-应变关系

4．1．2 地铁隧道钢筋混凝土衬砌截面的极限内力分析

4．1．3 地铁隧道衬砌截面破坏的极限内力值

4．2 钢筋混凝土构件的断裂性能

4．2．1 线弹性断裂理论

4．2．2 混凝土断裂理论

4．3 地铁隧道钢筋混凝土衬砌结构裂缝扩展分析

4．3．1 复合型裂缝缝端应力强度因子

4．3．2 地铁隧道钢筋混凝土衬砌结构裂缝扩展机理

4．4 本章小结

5 地铁隧道衬砌结构裂缝扩展影响因素分析

5．1 剪力对地铁隧道衬砌结构裂缝扩展的影响

5．1．1 剪力影响下的受拉破坏

5．1．2 剪力影响下的受压破坏

5．2 混凝土强度等级对地铁隧道衬结构裂缝扩展的影响

5．2．1 混凝土强度等级影响下的受拉破坏

5．2．2 混凝土强度等级影响下的受压破坏

5．3 二衬厚度对地铁隧道衬砌结构裂缝扩展的影响

5．3．1 二衬厚度影响下的受拉破坏

5．3．2 二衬厚度影响下的受压破坏

5．4 截面配筋数量对地铁隧道衬砌结构裂缝扩展的影响

5．4．1 截面配筋数量影响下的受拉破坏

5．4．2 截面配筋数量影响下的受压破坏

5．5 钢筋屈服强度对地铁隧道衬砌结构裂缝扩展的影响

5．5．1 钢筋屈服强度影响下的受拉破坏

5．5．2 钢筋屈服强度影响下的受压破坏

5．6 钢筋保护层厚度对地铁隧道衬砌结构裂缝扩展的影响

5．6．1 钢筋保护层厚度影响下的受拉破坏

5．6．2 钢筋保护层厚度影响下的受压破坏

5．7 地铁隧道衬砌结构裂缝扩展的主因素分析

5．8 本章小结

6 地铁隧道衬砌结构破坏分析

6．1 地铁隧道钢筋混凝土衬砌结构破坏分析

6．1．1 扩展有限元法基本原理

6．1．2 地铁隧道衬砌结构破坏的XFEM分析

6．2 结构自身因素对地铁隧道衬砌破坏的影响

6．2．1 影响因素工况设计

6．2．2 地铁隧道结构破坏时的相对收敛分析

6．2．3 地铁隧道结构破坏时的裂缝状态分析

6．3 工程地质条件对地铁隧道衬砌破坏的影响

6．3．1 影响因素工况设计

6．3．2 地铁隧道结构破坏时的相对收敛分析

6．3．3 地铁隧道结构破坏时的裂缝状态分析

6．4 地铁隧道结构破坏时的衬砌裂缝分布模式

6．4．1 R05断面的衬砌裂缝分布模式

6．4．2 R06断面的衬砌裂缝分布模式

6．4．3 R07断面的衬砌裂缝分布模式

6．4．4 R08断面的衬砌裂缝分布模式

6．4．5 R10断面的衬砌裂缝分布模式

6．5 本章小结

7 地铁隧道结构的安全性评价

7．1 地铁隧道结构安全性评价方法

7．1．1 模糊综合评价方法原理

7．1．2 安全性指标的确定

7．1．3 评价指标权重的确定

7．1．4 安全度的计算

7．2 地铁隧道结构安全性分级

7．2．1 地铁隧道结构安全性分级方法

7．2．2 结构相对收敛δ分级标准

7．2．3 结构裂缝状态C分级标准

7．3 评价指标隶属度的确定

7．3．1 定性指标隶属度

7．3．2 定量指标隶属度

7．4．1 地铁隧道衬砌结构安全度矩阵

7．4．2 地铁隧道衬砌结构安全度面域查询图

7．5 本章小结

8 结论与展望

8．1 主要结论

8．2 主要创新点

8．3 展望

参考文献

附录

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集