CN111428293A - 一种盾构隧道服役性能健康评价方法 - Google Patents

Abstract

一种盾构隧道服役性能健康评价方法，包括1)基于荷载结构法，获得隧道椭圆度及螺栓轴力比值与荷载比值的函数关系，分别记为第一和第二关系曲线；2)定义隧道服役性能健康度的表达式，建立椭圆度、螺栓轴力及荷载比值函数关系，并基于试验数据求解出隧道服役性能健康度表达式中的未知量，进而绘制出隧道服役性能健康度与椭圆度及螺栓轴力比值关系函数的等值线热量图，记为第三关系曲线；3)基于所述的第一、第二和第三关系曲线，建立隧道服役性能健康度与荷载比值函数关系，记为第四关系曲线，分析得到不同阶段关键点对应的隧道服役性能健康度的取值范围，并划分隧道服役性能等级。本发明能快速、简明且合理地对隧道结构安全进行评估。

Description

一种盾构隧道服役性能健康评价方法

技术领域

本发明涉及一种盾构隧道服役性能健康评价方法。

背景技术

地铁盾构隧道处于复杂的地质环境中，随着隧道服役时间的增长以及外部环境的改变，隧道结构的安全性和耐久性会呈现不同程度的降低，结构服役性能逐渐劣化，常伴随着诸如结构整体大变形、渗漏水、长裂纹、混凝土掉块、不均匀沉降等病害发生，严重威胁地铁隧道的运营安全。因此，为了合理评价既有老化隧道结构的服役性能并采取针对性的维修加固措施，建立科学的盾构隧道结构服役性能评价方法具有重要意义。然而，由于造成隧道服役性能劣化的影响因素复杂，现有针对盾构隧道服役性能的评价体系和标准主要以工程经验和理论分析为主，并且一般需花费大量人力、财力对隧道结构的各项指标进行全面检测，缺乏一种简明、快捷和合理的盾构隧道服役性能确定方法。

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由隧道变形、螺栓轴力和管片应变确定盾构隧道服役性能的方法，本发明工程中可应用于确定盾构隧道结构粘钢补强加固时机。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种盾构隧道服役性能健康评价方法，包括以下步骤：1)基于荷载结构法，采用相似模型试验的手段，开展盾构隧道结构受力变形破坏试验，获得隧道椭圆度及螺栓轴力比值与荷载比值的函数关系，分别记为第一和第二关系曲线；2)定义隧道服役性能健康度的表达式，建立椭圆度、螺栓轴力及荷载比值函数关系，并基于试验数据求解出隧道服役性能健康度表达式中的未知量，进而绘制出隧道服役性能健康度与椭圆度及螺栓轴力比值关系函数的等值线热量图，记为第三关系曲线；3)基于所述的第一、第二和第三关系曲线，建立隧道服役性能健康度与荷载比值函数关系，记为第四关系曲线，分析得到不同阶段关键点对应的隧道服役性能健康度的取值范围，并划分隧道服役性能等级。

进一步的，还可以包括步骤4)：量测现场隧道的椭圆度和螺栓轴力，计算得到隧道服役性能健康度，从而确定出隧道结构服役性能等级。

进一步地，所述的隧道服役性能健康度表达式的未知量包含隧道椭圆度比值修正系数和螺栓轴力比值修正系数，具体求解方法为：

基于试验数据绘制隧道椭圆度比值、螺栓轴力比值和荷载比值的三维散点图形，借助最小二乘法进行非线性拟合，从而得到隧道椭圆度比值修正系数和螺栓轴力比值修正系数。

所述的三维散点图形的拟合函数公式为：

式中，α为隧道椭圆度比值X的修正系数，β为螺栓轴力比值Y的修正系数，P_r为荷载比值。

进一步地，所述的隧道服役性能健康度取值范围的确定方法具体为：

将关键点所确定的隧道椭圆度及螺栓轴力比值代入所述的第三关系曲线获得不同阶段下隧道服役性能健康度的取值范围。

进一步地，所述关键点包括管片首次开裂点、拱顶内侧裂缝密集点、螺栓或钢筋屈服点、承载极限点和隧道结构坍塌点。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明简化了一般隧道结构服役性能评价的方法，为结构安全评估提供了一种快速、便捷且合理的确定盾构隧道结构服役性能和承载状态的新方法，具有较好的实际应用价值。

附图说明

图1为本发明方法流程图

图2为隧道椭圆度比值X及螺栓轴力比值Y分别同荷载比值P_r的关系曲线；

图3为隧道椭圆度比值X、螺栓轴力比值Y和荷载比值P_r的三维散点图

图4为隧道服役性能健康度H计算公式的关系曲线

图5为隧道服役性能健康度H与荷载比值P_r的关系曲线

图6为环向螺栓测点方位选择示意图

表1为隧道服役性能分级表

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。

本发明盾构隧道服役性能健康评价方法，如图1所示。

实施例1

方法过程，包括：

步骤1：

步骤1-1：

基于荷载结构法，采用相似模型试验的手段，开展盾构隧道结构受力变形破坏试验，记录试验现象，包括隧道破坏过程的关键点、隧道变形δ(包括竖向收敛δ₁和水平扩张δ₂)、螺栓轴力N与对应的荷载P，接着分别采用公式(1)-(3)将模型变形δ、螺栓轴力N和荷载P返还至原型，同时通过公式(4)计算隧道椭圆度C，然后借助公式(5)-(7)依次计算隧道椭圆度比值X、螺栓轴力比值Y及荷载比值P_r；

隧道变形δ：

式中，δ为原型的隧道变形，δ_m为模型的隧道变形，C_l为尺寸相似比，下同。

螺栓轴力N：

式中，N为原型的螺栓轴力，N_m为模型的螺栓轴力，C_σ为应力相似比。

荷载P：

式中，P为原型的隧道荷载，P_m为模型的隧道荷载。

隧道椭圆度C：

式中，D为隧道外径，竖向收敛δ₁和水平扩张δ₂。

隧道椭圆度比值X：

式中，C为实测的隧道椭圆度，C_max为根据试验还至原型确定的隧道极限椭圆度。

螺栓轴力比值Y：

式中，N_i为实测的环向螺栓轴力，N_imax为根据试验还至原型确定的环向螺栓极限轴力。，m为单环管片结构环向螺栓个数。

荷载比值P_r：

式中，P为实测荷载，P_max为根据试验返还至原型确定的荷载极限值。

步骤1-2：

对所述步骤1-1中相似模型试验所得的试验结果(包括隧道椭圆度比值X、螺栓轴力比值Y和荷载比值P_r)进行分析，建立隧道椭圆度比值X与荷载比值P_r的函数关系，记为第一曲线关系，如图2中实线所示，拟合公式如公式(8)所示；建立螺栓轴力比值Y与荷载比值P_r的函数关系，记为第二曲线关系，如图2中虚线所示，拟合公式如公式(9)所示；

所述的隧道椭圆度比值X与荷载比值P_r的拟合曲线公式为：

P_r＝A₁X+A₂X²+A₃X³ (8)

式中，A₁、A₂和A₃为通过试验数据拟合得到的常数。

所述的螺栓轴力比值Y与荷载比值P_r的拟合曲线公式为：

P_r＝B₁Y+B₂Y²+B₃Y³ (9)

式中，B₁、B₂和B₃为通过试验数据拟合得到的常数。

所述的第一关系曲线和第二关系曲线，分别对应公式(8)和公式(9)，分别如图2中实线和虚线所示。

步骤1-3：

将所述步骤11中试验过程中记录的隧道结构破坏关键点标记在第一和第二关系曲线上，以管片首次开裂点、拱顶内侧裂缝密集点、螺栓或钢筋屈服点、承载极限点和隧道结构坍塌点5个关键点将第一和第二关系曲线依次划分为I、II、III、IV和V五个阶段，并得到5个关键点对应的隧道椭圆度比值X_P1、X_P2、X_P3、X_P4和1，对应的螺栓轴力比值Y_P1、Y_P2、Y_P3、Y_P4和1，对应的荷载比值P_r1、P_r2、P_r3、P_r4和1，具体关键点标记和阶段划分如图2所示。

步骤2：

步骤2-1：

定义隧道服役性能健康度H的计算公式，如公式(10)所示，式中包含的未知量，有隧道椭圆度比值X的修正系数a，螺栓轴力比值Y的修正系数β；

由公式(8)、(9)和(10)推算出隧道服役性能健康度H与荷载比值P_r的函数关系式，如公式(11)所示，式中包含的未知量，有未知常数C₁、C₂和C₃。

所述的隧道椭圆度比值X与荷载比值P_r的拟合曲线公式为：

P_r＝A₁X+A₂X²+A₃X³ (8)

式中，A₁、A₂和A₃为通过试验数据拟合得到的常数。

所述的螺栓轴力比值Y与荷载比值P_r的拟合曲线公式为：

P_r＝B₁Y+B₂Y²+B₃Y³ (9)

式中，B₁、B₂和B₃为通过试验数据拟合得到的常数。

隧道服役性能健康度H的计算公式(10)为：

式中，α为隧道椭圆度比值X的修正系数，β为螺栓轴力比值Y的修正系数，在下述步骤2-2中确定。

隧道服役性能健康度H与荷载比值P_r的函数关系式为：

H＝C₁P_r+C₂P_r ²+C₃P_r ³ (11)

式中，C₁、C₂和C₃为通过试验数据拟合得到的常数，在下述步骤2-2中确定。

步骤2-2：

根据步骤2-1中公式(10)和公式(11)联立推导出隧道椭圆度比值X、螺栓轴力比值Y和荷载比值P_r比值三者之间的函数关系，如公式(12)所示，并基于所述步骤1-1中确定的试验数据，绘制隧道椭圆度比值X、螺栓轴力比值Y和荷载比值P_r的三维散点图形，如图3所示，借助最小二乘法进行非线性拟合，得到公式(10)及(12)中隧道椭圆度比值X的修正系数α和螺栓轴力比值Y的修正系数β，以及公式(11)及(12)中的未知常数C₁、C₂和C₃；

所述隧道服役性能健康度H的计算公式为：

式中，α为隧道椭圆度比值X的修正系数，β为螺栓轴力比值Y的修正系数。

所述隧道服役性能健康度H与荷载比值P_r的函数关系式为：

H＝C₁P_r+C₂P_r ²+C₃P_r ³ (11)

式中，C₁、C₂和C₃为通过试验数据拟合得到的常数。

隧道椭圆度比值X、螺栓轴力比值Y和荷载比值P_r三者之间的函数关系式：

式中，C₁、C₂和C₃为通过试验数据拟合得到的常数，α为隧道椭圆度比值X的修正系数，β为螺栓轴力比值Y的修正系数。

图3中仅为散点图，并未画出曲线，但可根据散点拟合求解出公式(12)中的未知量α、β、C₁、C₂和C₃。

步骤2-3：

在所述步骤2-2中求解出公式(10)中隧道椭圆度比值X的修正系数α和螺栓轴力比值Y的修正系数β的基础上，将所述步骤1-1中确定的隧道椭圆度比值X和螺栓轴力比值Y代入公式(10)中计算得到隧道破坏全过程的隧道服役性能健康度H，并绘制出隧道服役性能健康度H计算公式(10)的关系曲线，记为第三关系曲线，如图4所示；

所述第三关系曲线即对应公式(10)；

所述隧道服役性能健康度H的计算公式(10)为：

式中，α为隧道椭圆度比值X的修正系数，β为螺栓轴力比值Y的修正系数。

步骤3：

步骤3-1：

在所述步骤2-2中求解出公式(11)中未知常数C₁、C₂和C₃的基础上，绘制隧道服役性能健康度H与荷载比值P_r的关系曲线，记为第四关系曲线，如图5中实线所示，拟合公式如上述公式(11)所示。

所述隧道服役性能健康度H与荷载比值P_r的函数关系式为：

H＝C₁P_r+C₂P_r ²+C₃P_r ³ (11)

式中，C₁、C₂和C₃为通过试验数据拟合得到的常数。

所述第四关系曲线对应公式(11)，如图5中实线所示。

步骤3-2：

将所述步骤1-3中所得的各关键点对应的隧道椭圆度比值X_P1、X_P2、X_P3、X_P4和1与螺栓轴力比值Y_P1、Y_P2、Y_P3、Y_P4和1，按对应关系代入隧道服役性能健康度H计算公式(10)第三关系曲线，求解出各关键点依次对应的隧道服役性能健康度H₁、H₂、H₃、H₄和1；

所述隧道服役性能健康度H的计算公式为：

式中，α为隧道椭圆度比值X的修正系数，β为螺栓轴力比值Y的修正系数。

步骤3-3：

在根据所述步骤3-2中求解出各关键点对应的隧道服役性能健康度H₁、H₂、H₃、H₄和1的基础上，将关键点标注于隧道服役性能健康度H和荷载比值P_r的关系曲线上，即第四关系曲线，并将隧道服役性能以关键点依次划分为结构完好(1级)、轻微(2级)、中度(3级)、较严重(4级)和严重(5级)五个等级，同时列出隧道服役性能等级对应的健康度范围和荷载比值范围，具体分级如下，归类整理如表1所示：

1级：结构完好对应的健康度H取值范围为[0，H₁]，对应的荷载比值P_r区间为[0，P_r1]；

2级：轻微对应的健康度H取值范围为[H₁，H₂]，对应的荷载比值P_r区间为[P_r1，P_r2]；

3级：中度对应的健康度H取值范围为[H₂，H₃]，对应的荷载比值P_r区间为[P_r2，P_r3]；

4级：较严重对应的健康度H取值范围为[H₃，H₄]，对应的荷载比值P_r区间为[P_r3，P_r4]；

5级：严重对应的健康度H取值范围为[H₄，1]，对应的荷载比值P_r区间为[P_r4，1]。

表1隧道服役性能分级表

作为实施例，第1步骤中，所述的相似模型试验具体为：基于相似比设计管片模具并浇筑模型，采用全周加载装置对管片模型进行加载，记录隧道椭圆度和螺栓轴力与荷载的关系。所述的管片模具包含纵向及环向手孔，管片采用整环浇筑的形式，借助分隔板实现管片分块，浇筑时采用橡胶管模拟螺栓预埋套筒，顶底模板和分隔板均设置有接缝槽口。所述的全周加载装置包含12个水平加载点和6个垂直加载点，各加载点设置有可独立控制的千斤顶，各千斤顶均设置有压力传感器，所述的水平方向千斤顶均设置有模拟地层抗力的弹簧，水平方向环向荷载由弹簧连接与衬砌曲率相等的钢板施加于隧道外弧面。皆可以采用本领域常规技术即可实现。

以上第一发明任务已介绍完毕。

实施例2

在实施例1的基础上，以下进一步给出应用实施例，介绍步骤4。

步骤4：

步骤4-1：

量测现场隧道的隧道变形δ_测(包括竖向收敛值δ_1测和水平扩张值δ_2测)和螺栓轴力N_测，将竖向收敛值δ_1测和水平扩张值δ_2测代入公式(4)得到隧道椭圆度C_测，接着将实测的隧道椭圆度C_测和螺栓轴力N_测分别代入公式(5)和(6)得到隧道椭圆度比值X_测和螺栓轴力比值Y_测。

所述隧道椭圆度C：

式中，D为隧道外径。

所述隧道椭圆度比值X：

式中，C_测为实测的隧道椭圆度，C_max测为根据试验还至原型确定的隧道极限椭圆度。

所述螺栓轴力比值Y：

式中，N_i测为实测的环向螺栓轴力，N_imax测为根据试验还至原型确定的环向螺栓极限

步骤4-2：

将所述步骤4-1中计算得到的隧道椭圆度比值X_测和螺栓轴力比值Y_测代入所述步骤2-1中隧道服役性能健康度H_测计算公式(10)的第三关系曲线，计算隧道服役性能健康度H_测。

所述隧道服役性能健康度H_测的计算公式为：

式中，α为隧道椭圆度比值X的修正系数，β为螺栓轴力比值Y的修正系数。

步骤4-3：

将所述步骤4-2中计算所得的隧道服役性能健康度H_测代入所述步骤3-3的隧道服役性能分级表中(即表1)，确定隧道服役性能等级；将所述步骤4-2中计算所得的隧道服役性能健康度H_测代入所述步骤3-1的隧道服役性能与荷载比值的第四关系曲线，即对应公式(11)，确定隧道所处的承载状态。

例如，将隧道服役性能健康度H_测代入公式(11)得到荷载比值P_r测＝0.85，则当前隧道结构所承担的荷载P为极限荷载P_max的85％。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由本发明所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种盾构隧道服役性能健康评价方法，其特征在于，包括以下步骤：1)基于荷载结构法，采用相似模型试验的手段，开展盾构隧道结构受力变形破坏试验，获得隧道椭圆度及螺栓轴力比值与荷载比值的函数关系，分别记为第一和第二关系曲线；2)定义隧道服役性能健康度的表达式，建立椭圆度、螺栓轴力及荷载比值函数关系，并基于试验数据求解出隧道服役性能健康度表达式中的未知量，进而绘制出隧道服役性能健康度与椭圆度及螺栓轴力比值关系函数的等值线热量图，记为第三关系曲线；3)基于所述的第一、第二和第三关系曲线，建立隧道服役性能健康度与荷载比值函数关系，记为第四关系曲线，分析得到不同阶段关键点对应的隧道服役性能健康度的取值范围，并划分隧道服役性能等级。

2.如权利要求1所述的一种盾构隧道服役性能健康评价方法，其特征在于，还可以包括步骤4)：量测现场隧道的椭圆度和螺栓轴力，计算得到隧道服役性能健康度，从而确定出隧道结构服役性能等级。

3.如权利要求1所述的进一步地，所述的隧道服役性能健康度表达式的未知量包含隧道椭圆度比值修正系数和螺栓轴力比值修正系数，具体求解方法为：

基于试验数据绘制隧道椭圆度比值、螺栓轴力比值和荷载比值的三维散点图形，借助最小二乘法进行非线性拟合，从而得到隧道椭圆度比值修正系数和螺栓轴力比值修正系数。

所述的三维散点图形的拟合函数公式为：

式中，α为隧道椭圆度比值X的修正系数，β为螺栓轴力比值Y的修正系数，P_r为荷载比值。

4.如权利要求3所述的进一步地，所述的隧道服役性能健康度取值范围的确定方法具体为：

将关键点所确定的隧道椭圆度及螺栓轴力比值代入所述的第三关系曲线获得不同阶段下隧道服役性能健康度的取值范围。

5.如权利要求4所述的所述关键点包括管片首次开裂点、拱顶内侧裂缝密集点、螺栓或钢筋屈服点、承载极限点和隧道结构坍塌点。

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