CN110514518A - 基于隧道衬砌病害特征的隧道衬砌结构服役性能检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于隧道衬砌病害特征的隧道衬砌结构服役性能检测方法，包括：步骤S1：采用模型试验方法对隧道结构、外部荷载以及地层条件等进行相似模拟，开展结构受力破坏试验，记录隧道衬砌病害特征的测试值；步骤S2：根据步骤S1中隧道衬砌病害特征测试值，建立隧道衬砌病害特征与剩余承载力区间的对应关系；步骤S3：采用现场检测方法记录隧道原型的衬砌病害特征的检测值；步骤S4：将步骤S3中衬砌病害特征的检测值与步骤S2建立的隧道衬砌病害特征与剩余承载力区间的对应关系对照，确定步骤S3中隧道原型衬砌结构的剩余承载力区间。与现有技术相比，本发明能根据病害特征快速判定隧道衬砌结构的剩余承载力区间，为隧道安全性评价提供数据支撑。

Description

基于隧道衬砌病害特征的隧道衬砌结构服役性能检测方法
技术领域
本发明涉及公路隧道结构服役性能评价领域，尤其是涉及一种基于隧道衬砌病害特征的隧道衬砌结构服役性能检测方法。
背景技术
随着我国隧道大规模的兴建，运营隧道数量逐年增多，同时由于隧道结构外部环境改变以及结构自身材料的弱化，隧道衬砌结构产生的病害尤为突出，同时隧道衬砌病害特征是反映结构安全的最直观指标。为保障隧道结构安全，合理评价隧道衬砌结构的服役性能，有必要提出一种由隧道衬砌病害确定隧道衬砌结构服役性能的方法。
专利CN106919784A公开了一种基于变权重的盾构隧道服役性能评价方法，根据盾构隧道的服役性能评估指标体系获得评价所必需的监测、检测数据，基于模糊综合评判的方法对结构单元进行评价根据单元结构评价等级综合判定隧道整体服役性能等级。
《城市轨道交通隧道结构养护技术标准》CJJ/T289-2018利用专家评分法建立盾构法(TBM法)隧道服役性能与病害指标的综合关系。
上述专利、规范虽然对隧道服役性能的评价方法有所研究，但仅考虑隧道病害因素对隧道结构影响的模糊关系，没有建立起对应的量化关系，另一方面，没有建立隧道衬砌病害特征与隧道结构的剩余承载力以及健康度的对应关系。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于隧道衬砌病害特征的隧道衬砌结构服役性能检测方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于隧道衬砌病害特征的隧道衬砌结构服役性能检测方法，所述隧道衬砌结构服役性能具体量化为隧道衬砌结构的剩余承载力区间，所述检测方法包括：
步骤S1：采用模型试验方法对隧道结构、外部荷载以及地层条件等进行相似模拟，开展结构受力破坏试验，记录隧道衬砌病害特征的测试值；
步骤S2：根据所述步骤S1记录的隧道衬砌病害特征测试值，建立隧道衬砌病害特征与剩余承载力区间的对应关系；
步骤S3：采用现场检测方法记录隧道原型的衬砌病害特征的检测值；
步骤S4：将所述步骤S3中隧道原型的衬砌病害特征的检测值与所述步骤S2建立的隧道衬砌病害特征与剩余承载力区间的对应关系进行对照，确定所述步骤S3中隧道原型衬砌结构的剩余承载力区间。
所述步骤S1具体为：
步骤S101：确定所述隧道衬砌结构的尺寸、结构力学参数、地层力学参数以及隧道外部荷载形式，所述结构力学参数包括裂缝参数、钢筋参数，检测所述隧道衬砌病害特征并记录测试值，对缺陷的与完好隧道衬砌结构开展相似模型试验；
步骤S102：确定试验模型的几何相似比CL、应力相似比Cσ和弹模相似比CE，由相似理论确定试验模型位移相似比Cd、应变相似比Cε、荷载相似比CP、弯矩相似比以及地层抗力相似比；
步骤S103：根据所述步骤S102确定的模型几何相似比CL、试验材料应力相似比Cσ、弹模相似比CE，选取砂子、水泥、石膏、钢筋进行配比立方体试验，配制满足所述应力、弹模相似比CE的隧道材料，采用所述隧道材料进行试验模型浇筑和振捣养护；
步骤S104：根据所述步骤S102确定的模型几何相似比CL、荷载相似比CP，制作试验装置，所述试验装置包括荷载控制系统、数据采集系统，所述荷载控制系统包括反力架(2)、千斤顶(3)、加载板(6)以及模拟地层抗力的弹簧(5)，所述弹簧(5)的个数与刚度总量满足地层抗力要求，所述荷载控制系统控制模拟的顶部松动荷载，偏压荷载以及隧道边墙两侧的塑性地压荷载；所述数据采集系统包括压力传感器(4)、数据采集仪(7)、位移百分表(8)和应变片，所述压力传感器(4)数量与所述弹簧(5)数量、曲板数量一一对应，所述位移百分表(8)设于隧道外侧所述每个曲板的正中间，所述压力传感器(4)、位移百分表(8)、应变片与数据采集仪(7)相连；
步骤S105：所述荷载控制系统采用静力分级模式模拟所述顶部松动荷载，偏压荷载以及隧道边墙两侧的塑性地压荷载，所述每级荷载施加后待所述荷载稳定60分钟后开始所述下一级荷载，直至隧道衬砌结构被破坏。
所述隧道衬砌结构的缺陷包括衬砌背后脱空、厚度不足、强度不足、存在裂缝和缺筋少筋，所述背后脱空部位采用不布置所述弹簧和荷载进行模拟，存在裂缝的部位在浇筑时根据所述步骤S101测得的裂缝参数预制裂缝，所述厚度不足的部位根据所述结构力学参数建立厚度不足的所述隧道衬砌结构模型，所述缺筋少筋部位根据所述步骤S101测得的钢筋参数进行配筋。
所述结构破坏的标志包括：受拉主钢筋拉断、受压区混凝土压溃、所述荷载不变情况下变形持续增加、所述裂缝最大垂直宽度达到1.5mm。在规定的所述荷载持续时间结束后，出现所述标志时，应以此时的荷载值作为截面破坏的实测值；当在加载过程中出现所述标志时，应取前一级荷载值作为破坏荷载的实测值；当在规定的所述荷载持续时间内出现所述标志时，应取本级荷载值与前一级荷载的平均值作为破坏荷载的实测值。
所述隧道衬砌病害特征包括拱顶沉降、边墙收敛、裂缝密度和裂缝深度。
所述隧道衬砌病害特征与剩余承载力区间的对应关系分别包括所述拱顶沉降与剩余承载力区间的对应关系、所述边墙收敛与剩余承载力区间的对应关系、所述裂缝密度与剩余承载力区间的对应关系、所述裂缝深度与剩余承载力区间的对应关系。
所述步骤S3具体为：
步骤S301：采用裂缝测深仪测定隧道原型衬砌结构的所述裂缝深度；
步骤S302：采用游标卡尺、裂缝测宽仪或者图像识别法测定隧道原型衬砌结构的裂缝宽度；
步骤S303：采用卷尺或图像识别方法测定隧道原型衬砌结构的裂缝长度；
步骤S304：采用地质雷达检测隧道原型衬砌结构的衬砌厚度、钢筋分布情况以及衬砌背后空洞情况，所述背后空洞情况包括环向空洞范围、纵向空洞长度；
步骤S305：采用全站仪或激光断面仪测定隧道原型衬砌结构的所述拱顶沉降与边墙收敛。
所述步骤S4具体为：
步骤S401：根据试验模型确定的所述隧道衬砌病害特征与剩余承载力区间的对应关系，结合模型相似比确定所述隧道原型的隧道衬砌病害特征与剩余承载力区间的对应关系；
步骤S402：根据所述步骤S301～S305检测的隧道原型的隧道衬砌病害特征的检测值与所述步骤S401确定的隧道原型的隧道衬砌病害特征与剩余承载力区间的对应关系进行对照，当存在多种病害特征时按照最不利原则确定所述隧道原型的剩余承载力区间。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明能够根据现场检测的隧道结构病害特征快速判定剩余承载力区间，提高了隧道安全检测的工作效率。
2.本发明为隧道结构快速安全性评价提供数据支撑，对隧道结构的运营养护具有指导性意义。
3.本发明根据隧道几何相似比CL、试验材料应力相似比Cσ、弹模相似比CE进行建模，可以同时模拟多种病害特征，具有很高的实用性。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明试验模型的示意图；
图3为本发明衬砌背后空洞示意图；
图4为本发明衬砌未贯通裂缝示意图；
图5为本发明衬砌结构厚度不足示意图；
图6为本发明数据采集系统测点布置示意图；
图7为本发明拱顶沉降与结构承载力关系曲线示意图；
图8为本发明裂缝密度与结构承载力关系曲线示意图。
附图标记：
1-隧道二衬模型；2-反力架；3-千斤顶；4-压力传感器；5-弹簧；6-加载板；7-数据采集仪；8-位移百分表；W-空洞范围；d-实际厚度；D-设计厚度。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，一种基于隧道衬砌病害特征的隧道衬砌结构服役性能检测方法，包括：
步骤S1：采用模型试验方法对隧道结构、外部荷载以及地层条件等进行相似模拟，开展结构受力破坏试验，记录隧道衬砌病害特征的测试值：
以两车道公路隧道为例开展相似模型试验，原型隧道断面宽1186cm，高962.8cm，轴向长300cm；隧道二衬模型为C30钢筋混凝土，厚50cm，受拉主钢筋为HRB335，保护层厚度5cm，配筋率0.62％。考虑试验室场地大小和加载条件，几何相似比CL选择10，模型衬砌厚5cm，宽118.6cm，高96.28cm，轴向长度30cm。根据多次配比试验比较，混凝土材料采用水泥、黄砂、石灰膏和水的质量比为187:1450:113:330时制成的M30混合砂浆进行模拟。经过7cm×7cm×7cm的立方体试块单轴压缩试验测得抗压强度为3.1MPa，应力相似比Cσ≈10；经过10cm×10cm×30cm的棱柱体试块单轴压缩试验测得弹性模量1.57Gpa，弹性模量相似比CE≈20。由相似理论可以得到试验模型中各个物理量的相似常数具体如表1：
表1试验模型物理量的相似常数
物理量 量纲 相似常数
长度L m 10
位移δ m 5
应力σ N/m2 10
弹模E N/m2 20
面力s N/m2 10
应变ε “1” 0.5
泊松比μ “1” 1
体力ρ N/m3 1
力N N 1000
弯矩M N·m 10000
地层抗力系数k N/m3 2
步骤S1具体为：
步骤S101：确定隧道衬砌结构的尺寸、结构力学参数、地层力学参数以及隧道外部荷载形式，结构力学参数包括裂缝参数、钢筋参数，检测隧道衬砌病害特征并记录测试值，根据调研结果对缺陷的与完好隧道衬砌结构开展相似模型试验；
隧道衬砌结构的缺陷包括衬砌背后脱空、厚度不足、强度不足、存在裂缝和缺筋少筋，如图3所示，背后脱空部位采用不布置弹簧和荷载进行模拟，如图4所示，存在裂缝的部位在浇筑时根据步骤S101测得的裂缝参数预制裂缝，厚度不足的部位根据结构力学参数建立厚度不足的隧道衬砌结构模型，如图5所示，缺筋少筋部位根据步骤S101测得的钢筋参数进行配筋。
步骤S102：确定试验模型的几何相似比CL、应力相似比Cσ和弹模相似比CE，由相似理论确定试验模型位移相似比Cd、应变相似比Cε、荷载相似比CP、弯矩相似比以及地层抗力相似比；
步骤S103：根据步骤S102确定的模型几何相似比CL、试验材料应力相似比Cσ、弹模相似比CE，选取砂子、水泥、石膏、钢筋进行配比立方体试验，配制满足应力、弹模相似比CE的隧道材料，采用隧道材料进行试验模型浇筑和振捣养护；
步骤S104：根据步骤S102确定的模型几何相似比CL、荷载相似比CP，制作试验模型装置，试验模型装置包括荷载控制系统、数据采集系统；如图2所示，在隧道二衬模型1的外侧连有荷载控制系统，荷载控制系统由反力架2、千斤顶3、加载板6以及模拟地层抗力的弹簧5构成，连接弹簧5的个数与刚度总量满足地层抗力的要求，荷载控制系统控制模拟的顶部松动荷载，偏压荷载以及隧道边墙两侧的塑性地压荷载；
为模拟弹性抗力系数为3.16MPa/m的VI级围岩，根据公式(1)求得弹簧刚度系数为100kN/m：
其中，K为弹簧刚度系数，k为地层抗力系数，s为加载板面积，Ck为地层抗力系数相似比，CE为弹性模量相似比，CL为几何相似比；
对于IV-V级围岩，采用公式(1)分别确定模拟弹性抗力的弹簧刚度系数。
如图2和图6所示，数据采集系统包括压力传感器4、数据采集仪7以及位移百分表8，数据采集系统测点布置如图6，百分表8布置在模型外表面每个曲板中间位置用于测量模型全周的径向位移；在左右侧起拱线位置各安装一个纵向的百分表8，用于测量起拱线的沉降。压力传感器4和百分表8通过数据采集仪7连接到计算机，实现位移、荷载、应变的数据自动采集；
步骤S105：荷载控制系统采用静力分级模式模拟顶部松动荷载，偏压荷载以及隧道边墙两侧的塑性地压荷载，每级荷载施加后待荷载稳定60分钟后开始下一级荷载，直至隧道衬砌结构被破坏。
结构破坏的标志包括：受拉主钢筋拉断、受压区混凝土压溃、荷载不变情况下变形持续增加、裂缝最大垂直宽度达到1.5mm。在规定的荷载持续时间结束后，出现结构破坏标志时，应以此时的荷载值作为截面破坏的实测值；当在加载过程中出现结构破坏标志时，应取前一级荷载值作为破坏荷载的实测值；当在规定的荷载持续时间内出现结构破坏标志时，应取本级荷载值与前一级荷载的平均值作为破坏荷载的实测值。
步骤S2：根据步骤S1记录的隧道衬砌病害特征测试值，建立隧道衬砌病害特征与剩余承载力区间的对应关系：
基于试验结果分析外部荷载作用下完好的隧道衬砌结构和缺陷的隧道衬砌结构随荷载的增加病害特征的测试值以及变形规律，绘制建立拱顶沉降、边墙收敛、裂缝密度、裂缝深度与结构承载力的关系曲线，如图7、8所示的拱顶沉降、裂缝密度与结构承载力的关系曲线，根据关系曲线建立隧道拱顶沉降、边墙收敛、裂缝密度、裂缝深度与结构承载力的对应关系；
隧道衬砌病害特征与剩余承载力区间的对应关系见表2：
表2隧道衬砌病害特征与剩余承载力区间的对应关系
步骤S3：采用现场检测方法记录隧道原型的衬砌病害特征的检测值：
步骤S301：采用裂缝测深仪测定隧道原型衬砌结构的裂缝深度；
步骤S302：采用游标卡尺、裂缝测宽仪或者图像识别法测定隧道原型衬砌结构的裂缝宽度；
步骤S303：采用卷尺或图像识别方法测定隧道原型衬砌结构的裂缝长度；
步骤S304：采用地质雷达检测隧道原型衬砌结构的衬砌厚度、钢筋分布情况以及衬砌背后空洞情况，背后空洞情况包括环向空洞范围、纵向空洞长度；
步骤S305：采用全站仪或激光断面仪测定隧道原型衬砌结构的拱顶沉降与边墙收敛。
以浙江白阳山隧道某断面为例，隧道病害特征的检测值见表3：
表3浙江白阳山隧道断面病害特征
步骤S4：将步骤S3中隧道原型的衬砌病害特征的检测值与步骤S2建立的隧道衬砌病害特征与剩余承载力区间的对应关系进行对照，确定步骤S3中隧道原型的衬砌结构剩余承载力区间，具体为：
步骤S401：根据试验模型确定的隧道衬砌病害特征与剩余承载力区间的对应关系，结合模型相似比确定隧道原型的隧道衬砌病害特征与剩余承载力区间的对应关系：
根据试验中测量的模型变形δm、荷载Pm、裂缝密度ρm分别按照公式(2)、(3)、(4)反算隧道原型衬砌结构的变形δp、荷载Pp、裂缝密度ρm：
δp＝δm*Cδ (2)
Pp＝Pm*CP (3)
ρp＝ρm*Cρ (4)
其中，Cδ为变形相似比，CP为荷载相似比，Cρ为裂缝密度相似比；
根据隧道原型衬砌结构与试验模型的相似比，确定隧道原型的隧道衬砌病害特征与剩余承载力区间的对应关系，见表4：
表4隧道原型衬砌病害特征与剩余承载力区间的对应关系
步骤S402：根据步骤S301～S305检测的隧道原型的隧道衬砌病害特征的检测值与步骤S401确定的隧道原型的隧道衬砌病害特征与剩余承载力区间的对应关系进行对照，当存在多种病害特征时按照最不利原则确定隧道原型的剩余承载力区间：
根据表3所示浙江白阳山隧道断面病害特征检测值和表4所示隧道原型衬砌病害特征与剩余承载力区间的对应关系，判定拱顶下沉对应的剩余承载力区间为60％～35％，边墙收敛判定对应的剩余承载力区间为60％～35％，裂缝密度对应的剩余承载力区间为35％～15％，裂缝深度对应的剩余承载力区间为35％～15％，综合多种病害特征，按照最不利原则确定浙江白阳山隧道的隧道衬砌结构的剩余承载力区间为35％～15％。

Claims (8)

1.一种基于隧道衬砌病害特征的隧道衬砌结构服役性能检测方法，其特征在于，包括：
步骤S1：采用模型试验方法对隧道结构、外部荷载以及地层条件等进行相似模拟，开展结构受力破坏试验，记录隧道衬砌病害特征的测试值；
步骤S2：根据所述步骤S1记录的隧道衬砌病害特征测试值，建立隧道衬砌病害特征与剩余承载力区间的对应关系；
步骤S3：采用现场检测方法记录隧道原型的衬砌病害特征的检测值；
步骤S4：将所述步骤S3中隧道原型的衬砌病害特征的检测值与所述步骤S2建立的隧道衬砌病害特征与剩余承载力区间的对应关系进行对照，确定所述步骤S3中隧道原型衬砌结构的剩余承载力区间。
2.根据权利要求1所述的一种基于隧道衬砌病害特征的隧道衬砌结构服役性能检测方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：
步骤S101：确定所述隧道衬砌结构的尺寸、结构力学参数、地层力学参数以及隧道外部荷载形式，所述结构力学参数包括裂缝参数、钢筋参数，检测所述隧道衬砌病害特征并记录测试值，对缺陷的与完好隧道衬砌结构开展相似模型试验；
步骤S102：确定试验模型的几何相似比CL、应力相似比Cσ和弹模相似比CE，由相似理论确定试验模型位移相似比Cd、应变相似比Cσ、荷载相似比CP、弯矩相似比以及地层抗力相似比；
步骤S103：根据所述步骤S102确定的模型几何相似比CL、试验材料应力相似比Cσ、弹模相似比CE，选取砂子、水泥、石膏、钢筋进行配比立方体试验，配制满足所述应力、弹模相似比CE的隧道材料，采用所述隧道材料进行试验模型浇筑和振捣养护；
步骤S104：根据所述步骤S102确定的模型几何相似比CL、荷载相似比CP，制作试验装置，所述试验装置包括荷载控制系统、数据采集系统，所述荷载控制系统包括反力架(2)、千斤顶(3)、加载板(6)以及模拟地层抗力的弹簧(5)，所述弹簧(5)的个数与刚度总量满足地层抗力要求，所述荷载控制系统控制模拟的顶部松动荷载，偏压荷载以及隧道边墙两侧的塑性地压荷载；所述数据采集系统包括压力传感器(4)、数据采集仪(7)、位移百分表(8)和应变片，所述压力传感器(4)数量与所述弹簧(5)数量、曲板数量一一对应，所述位移百分表(8)设于隧道外侧所述每个曲板的正中间，所述压力传感器(4)、位移百分表(8)、应变片与数据采集仪(7)相连；
步骤S105：所述荷载控制系统采用静力分级模式模拟所述顶部松动荷载，偏压荷载以及隧道边墙两侧的塑性地压荷载，所述每级荷载施加后待所述荷载稳定60分钟后开始所述下一级荷载，直至隧道衬砌结构被破坏。
3.根据权利要求2所述的一种基于隧道衬砌病害特征的隧道衬砌结构服役性能检测方法，其特征在于，所述隧道衬砌结构的缺陷包括衬砌背后脱空、厚度不足、强度不足、存在裂缝和缺筋少筋，所述背后脱空部位采用不布置所述弹簧(5)和荷载进行模拟，存在裂缝的部位在浇筑时根据所述步骤S101测得的裂缝参数预制裂缝，所述厚度不足的部位根据所述结构力学参数建立厚度不足的所述隧道衬砌结构模型，所述缺筋少筋部位根据所述步骤S101测得的钢筋参数进行配筋。
4.根据权利要求3所述的一种隧道衬砌病害确定隧道衬砌结构服役性能的方法，其特征在于，所述隧道衬砌结构被破坏的标志包括：受拉主钢筋拉断、受压区混凝土压溃、所述荷载不变情况下变形持续增加、所述裂缝最大垂直宽度达到1.5mm。
5.根据权利要求2所述的一种基于隧道衬砌病害特征的隧道衬砌结构服役性能检测方法，其特征在于，所述隧道衬砌病害特征包括拱顶沉降、边墙收敛、裂缝密度和裂缝深度。
6.根据权利要求5所述的一种基于隧道衬砌病害特征的隧道衬砌结构服役性能检测方法，其特征在于，所述隧道衬砌病害特征与剩余承载力区间的对应关系分别包括所述拱顶沉降与剩余承载力区间的对应关系、所述边墙收敛与剩余承载力区间的对应关系、所述裂缝密度与剩余承载力区间的对应关系、所述裂缝深度与剩余承载力区间的对应关系。
7.根据权利要求5所述的一种基于隧道衬砌病害特征的隧道衬砌结构服役性能检测方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
步骤S301：采用裂缝测深仪测定隧道原型衬砌结构的所述裂缝深度；
步骤S302：采用游标卡尺、裂缝测宽仪或者图像识别法测定隧道原型衬砌结构的裂缝宽度；
步骤S303：采用卷尺或图像识别方法测定隧道原型衬砌结构的裂缝长度；
步骤S304：采用地质雷达检测隧道原型衬砌结构的衬砌厚度、钢筋分布情况以及衬砌背后空洞情况，所述背后空洞情况包括环向空洞范围、纵向空洞长度；
步骤S305：采用全站仪或激光断面仪测定隧道原型衬砌结构的所述拱顶沉降与边墙收敛。
8.根据权利要求7所述的一种基于隧道衬砌病害特征的隧道衬砌结构服役性能检测方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
步骤S401：根据试验模型确定的所述隧道衬砌病害特征与剩余承载力区间的对应关系，结合模型相似比确定所述隧道原型的隧道衬砌病害特征与剩余承载力区间的对应关系；
步骤S402：根据所述步骤S301～S305检测的隧道原型的隧道衬砌病害特征的检测值与所述步骤S401确定的隧道原型的隧道衬砌病害特征与剩余承载力区间的对应关系进行对照，当存在多种病害特征时按照最不利原则确定所述隧道原型的剩余承载力区间。
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