CN112052613A - 一种盾构隧道结构服役性能状态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盾构隧道结构服役性能状态检测方法，包括：选取隧道纵向上两个不同埋深、不同地质条件的典型断面作为检测断面，基于隧道埋深、地质条件和收敛变形数据，计算两个典型断面对应的基床系数修正系数以及隧道结构安全系数，分别构建隧道收敛变形和隧道结构安全系数最小值的预测函数；基于两个预测函数，依次计算两个典型断面之间其余断面的收敛变形与隧道结构安全系数最小值，并根据其余断面的隧道结构安全系数最小值以及预设的服役状态判定条件，判断其余断面的服役状态及安全等级。与现有技术相比，本发明能够对隧道区间内所有断面的收敛变形及隧道结构安全系数最小值进行预测，不仅能提高检测效率，同时能保证预测结果的可靠性。

Description

一种盾构隧道结构服役性能状态检测方法

技术领域

本发明涉及隧道结构性能检测技术领域，尤其是涉及一种盾构隧道结构服役性能状态检测方法。

背景技术

由于地质条件、施工质量和周边工程活动等影响，盾构隧道在其建设及运营期发生异常变形、渗漏水、衬砌开裂等病害已成为常见问题，使得隧道结构的安全性与耐久性逐渐降低，严重时将会威胁结构安全，引发安全事故。因此，为了合理评价盾构隧道结构的服役性能状态和安全等级，并采取针对性的检测与整治措施，有必要建立一种能够快速、合理地对盾构隧道服役状态进行评定的方法。

中国专利CN 110514518 A公开了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。

CN 106919784 A公开了一种基于变权重的盾构隧道服性能评价方法，包括：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；采用基于信心指数的专家调研法获得指标初始权重；根据指标数据对初始权重进行变权调整；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。

CN 102955004 A公开了一种基于波速测定的地铁隧道管片服役性能检测方法，该方法基于薄壁壳体理论对空心管状结构模态频散分析的基础上，确定各种弹性波在管状结构中的传播规律和传播速度。通过有线测试系统或配合物联网技术，对加速度、速度传感器进行合理布置，通过特定的力捶等脉冲波激发方式，动态的采集振动信号并经由HHT(Hilbert-Huang变换)等信号后处理方式确定频相位特征，并由此提取特定弯曲波和压缩波波速来判断各测点间结构服役性能。

CN 110378551 A则公开了一种基于大数据的公路隧道服役性能评价方法，根据公路隧道工程各建设阶段对隧道运营安全性的影响与制约，构建了公路隧道设施服役性能评价模型、评价指标；依据评价模型提出了一种层次结构+模糊计算的公路隧道设施服役性能评价方法、确定了各评价指标的权重；根据待评对象评价指标值建立相关数据样本库，由样本数据确定相关计算参数，通过模糊计算获取各级指标评价值，从而实现对公路隧道设施服役性能的评价。

然而，由于检测效率、预算等影响，目前隧道的健康监测通常按照断面布置，仅能根据当前断面的监测数据评价其服役状态，而检测断面之间的结构服役状态尚无对应的检测方法，导致无法有效预测出整个区间隧道的服役性能状态，也就不能准确判断各断面的安全等级，进一步确定出区间内可能存在的危险断面，从而严重阻碍了运营养护管理措施的推进与实施。

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盾构隧道结构服役性能状态检测方法，通过选取典型端面作为检测对象，能够对区间内其余断面的收敛变形和隧道结构安全系数进行预测，以提高检测效率，同时保证检测结果的可靠性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种盾构隧道结构服役性能状态检测方法，包括以下步骤：

S1、选取隧道纵向上两个不同埋深、不同地质条件的典型断面作为检测断面，基于两个典型断面的隧道埋深、地质条件和收敛变形数据，通过计算两个典型断面对应的基床系数修正系数以及隧道结构安全系数，分别构建得到隧道收敛变形和隧道结构安全系数最小值的预测函数；

S2、基于隧道收敛变形和隧道结构安全系数最小值的预测函数，依次计算得到两个典型断面之间其余断面的收敛变形与隧道结构安全系数最小值，并根据其余断面的隧道结构安全系数最小值以及预设的服役状态判定条件，判断其余断面的服役状态及安全等级。

进一步地，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11、根据两个典型断面的隧道埋深、地质条件和收敛变形数据，采用数值模拟反分析的方式，计算得到两个典型断面对应的基床系数修正系数和隧道结构安全系数；

S12、根据两个典型断面对应的基床系数修正系数和隧道结构安全系数，分别建立基床系数与基床系数修正系数的关系函数、计算荷载抗力比；

S13、基于荷载抗力比，分别构建得到隧道收敛变形和隧道结构安全系数最小值的预测函数。

进一步地，所述步骤S11具体包括以下步骤：

S111、分别量测两个典型断面的竖向收敛变形值，并根据两个典型断面所处的隧道埋深和地质条件，得到两个典型断面对应的顶部荷载和基床系数；

S112、采用数值模拟反分析的方式，分别建立两个典型断面对应的三维有限元模型，基于荷载结构法，计算得到两个典型断面在对应顶部荷载下的围岩基床系数，并得到隧道各点的内力值；

S113、计算两个典型断面在对应围岩基床系数下隧道结构达到极限状态时各点的极限内力值；

S114、根据基床系数和围岩基床系数，计算得到两个典型断面对应的基床系数修正系数；

S115、根据顶部荷载、围岩基床系数下隧道各点的内力值以及围岩基床系数下隧道各点的极限内力值，计算得到两个典型断面对应的隧道结构安全系数。

进一步地，所述基床系数修正系数的计算公式为：

其中，κ_x为断面x的基床系数修正系数，K_x′为断面x的围岩基床系数，K_x为断面x的基床系数。

进一步地，所述隧道结构安全系数的计算公式为：

其中，β_xi为断面x对应的隧道环上第i点的安全系数，M_xlim为断面x对应的围岩基床系数下隧道结构达到极限状态时某点处截面的极限内力值，M_xi为断面x对应的顶部荷载、围岩基床系数下隧道环第i点的内力值。

进一步地，所述步骤S12中基床系数与基床系数修正系数的关系函数具体为：

其中，κ为隧道的基床系数修正系数，K为隧道的基床系数，κ_a和κ_b分别为典型断面A和典型断面B的基床系数修正系数，K_a和K_b分别为典型断面A和典型断面B的基床系数。

进一步地，所述步骤S12中荷载抗力比的计算公式为：

其中，λ为荷载抗力比，P为顶部荷载。

进一步地，所述步骤S13中隧道收敛变形的预测函数具体为：

其中，δ为隧道收敛变形，λ_a和λ_b分别为典型断面A和典型断面B的荷载抗力比，δ_a和δ_b分别为典型断面A和典型断面B的收敛变形值。

进一步地，所述步骤S13中隧道结构安全系数最小值的预测函数具体为：

其中，β_min为隧道结构安全系数最小值，β_mina和β_minb分别为典型断面A和典型断面B的隧道结构安全系数最小值。

进一步地，所述步骤S2中预设的服役状态判定条件具体为：

若隧道区间内某断面的隧道结构安全系数最小值大于钢筋混凝土结构安全系数的0.7倍，则该断面隧道结构服役状态为安全、安全等级为1级；

若隧道区间内某断面的隧道结构安全系数最小值大于1、且小于或等于钢筋混凝土结构安全系数的0.7倍，则该断面隧道结构服役状态为较安全、安全等级为2级；

若隧道区间内某断面的隧道结构安全系数最小值小于或等于1，则该断面隧道结构服役状态为危险、安全等级为3级。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明通过选取隧道纵向上两个不同埋深、不同地质条件的典型断面作为检测断面，通过量测典型断面的隧道埋深、地质条件和收敛变形值，能够得到典型断面对应的基床系数修正系数、隧道结构安全系数以及荷载抗力比，以此构建出隧道收敛变形以及隧道结构安全系数最小值的预测函数，从而实现对整个隧道区间内其余断面的收敛变形以及隧道结构安全系数进行预测的目的，不需要在其余断面安装检测点，省去了现场检测的操作，提高了检测效率。

二、本发明采用数值模拟反分析的方式，并基于荷载结构法，能够可靠地依次计算得到断面对应的基床系数、基床系数修正系数、荷载抗力比，从而保证后续构建收敛变形预测函数以及隧道结构安全系数最小值预测函数的准确性，有利于提高预测结果的可信度。

三、本发明基于收敛变形预测函数以及隧道结构安全系数最小值预测函数，既能够检测出隧道区间内所有断面的收敛变形情况，同时能结合钢筋混凝土结构安全系数进行隧道结构服役状态的评价，使得隧道区间内的危险断面能够被直观检测出来，便于后续对隧道结构进行精准的实际检测及针对性地采取整治措施。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为本发明的具体应用过程示意图；

图3为实施例中隧道纵向断面示意图；

图4为实施例中隧道区间内断面收敛变形随纵向断面坐标变化的曲线示意图；

图5为实施例中隧道结构安全系数随纵向断面坐标变化的曲线示意图。

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。

实施例

如图1所示，一种盾构隧道结构服役性能状态检测方法，包括以下步骤：

S1、选取隧道纵向上两个不同埋深、不同地质条件的典型断面作为检测断面，基于两个典型断面的隧道埋深、地质条件和收敛变形数据，通过计算两个典型断面对应的基床系数修正系数以及隧道结构安全系数，分别构建得到隧道收敛变形和隧道结构安全系数最小值的预测函数；

S2、基于隧道收敛变形和隧道结构安全系数最小值的预测函数，依次计算得到两个典型断面之间其余断面的收敛变形与隧道结构安全系数最小值，并根据其余断面的隧道结构安全系数最小值以及预设的服役状态判定条件，判断其余断面的服役状态及安全等级。

上述方法的具体应用过程如图2所示：

步骤1、在实际工程的隧道纵向上选取A和B两个不同埋深、不同地质条件的典型断面作为检测断面(如图3所示)，分别量测断面A和B的收敛变形值，并分别计算出A和B断面的基床系数修正系数、荷载抗力比和隧道结构安全系数，并建立基床系数与基床系数修正系数的关系函数式，最后构建基于荷载抗力比的隧道收敛变形和隧道结构安全系数最小值的预测函数。图3中，断面A和断面B位于同一隧道衬砌1，断面V是断面A与断面B之间的任意其余断面，P_a、P_b和P_v分别为断面A、B和V的计算顶部荷载，K_a、K_b和K_v分别为断面A、B和V的基床系数，κ_a、κ_a和κ_v分别为断面A、B和V的基床系数修正系数，λ_a、λ_b和λ_v分别为断面A、B和V的荷载抗力比，δ_a、δ_b和δ_v分别为断面A、B和V的收敛变形值；β_mina、β_minb和β_minv分别为断面A、B和V的隧道结构安全系数最小值。

步骤1-1

基于现场断面A和B的埋深、地质条件和变形数据，采用数值模拟反分析的方式，得到对应的基床系数修正系数和隧道结构系数，主要根据下述步骤1-1-1至1-1-2进行求解：

步骤1-1-1

量测现场隧道某一断面x的竖向收敛变形δ_x，根据隧道所处埋深和地质条件，确定计算顶部荷载P_x和基床系数K_x；

步骤1-1-2

针对步骤1-1-1中的隧道断面x，采用数值模拟反分析的方式，建立三维有限元模型，运用荷载结构法，首先计算隧道结构在计算顶部荷载P_x下对应的围岩基床系数K_x′，并获得隧道各点的内力值M_xi；然后计算在围岩基床系数K_x′下隧道结构达到极限状态时各点的内力值M_xlim，最后基于计算结果得到基床系数修正系数κ和隧道结构安全系数β，并找出隧道的最小安全系数β_min。

(1)隧道断面x的反分析围岩基床系数K_x′的求解过程为：

建立数值计算模型，通过反分析的手段，采用荷载结构法，取与断面x相同的计算顶部荷载P_x，得到断面x的隧道结构在竖向收敛变形为δ_x时的反分析基床系数K_x′，同时记录隧道各点的内力值M_xi(i表示隧道截面的任一点位置)；

(2)基床系数修正系数κ的具体确定公式为：

式中，K_x为实测基床系数，K_x′为围岩基床系数；

(3)隧道结构各点安全系数β_i的具体计算公式为：

式中，M_xlim为围岩基床系数K_x′下隧道结构达到极限状态时某点处截面的极限内力值，M_xi为计算顶部荷载P_x、围岩基床系数K_x′下隧道环某点处截面的内力值，i表示隧道环上的某一位置。

步骤1-2

根据步骤1-1得到的A和B断面的基床系数修正系数和隧道结构安全系数，建立基床系数与基床系数修正系数的关系函数式，并计算荷载抗力比，最后构建得到基于计算顶部荷载、基床系数的隧道收敛变形和隧道结构安全系数最小值的预测函数。

(1)基床系数K与基床系数修正系数κ的关系函数的具体确定方法为：

根据步骤1-1得到的断面A和B基床系数修正系数κ_a和κ_a，建立基床系数K与基床系数修正系数κ的关系函数，具体为：

式中，K_a和K_b分别为断面A和B的基床系数，κ_a和κ_a分别为断面A和B的基床系数修正系数。

(2)基于荷载抗力比λ的隧道收敛变形δ预测函数的具体确定方法为：

1)根据步骤1-1得到的断面A和B的计算顶部荷载P_a和P_b、基床系数K_a和K_b，计算荷载抗力比λ_a和λ_b，其中，荷载抗力比λ的具体计算公式为：

式中：P为计算顶部荷载，K为基床系数。

2)根据断面A和B的荷载抗力比λ_a和λ_b以及收敛变形δ_a和δ_b，建立基于荷载抗力比λ的隧道收敛变形δ的预测函数，具体为：

式中，λ_a和λ_b分别为断面A和B的荷载抗力比，δ_a和δ_b分别为断面A和B的收敛变形值，κ_a和κ_a分别为断面A和B的基床系数修正系数。

(3)基于荷载抗力比λ的隧道结构安全系数最小值预测函数的具体确定方法为：

根据步骤1-1得到的断面A和B的计算顶部荷载P_a和P_b、基床系数K_a和K_b，并计算隧道结构安全系数最小值β_mina和β_minb，再根据公式(4)计算荷载抗力比λ_a和λ_b，最后建立基于荷载抗力比λ的隧道结构安全系数最小值β_min的预测函数，具体为：

式中，λ_a和λ_b分别为断面A和B的荷载抗力比，β_mina和β_minb分别为断面A和B的隧道结构安全系数最小值，κ_a和κ_a分别为断面A和B的基床系数修正系数。

步骤2、根据步骤1依次计算隧道纵向上断面A与B之间其余断面的收敛变形与安全系数最小值，并基于安全系数最小值判定盾构隧道结构服役性能状态和安全等级。

其中，纵向上断面A与B之间其余某一断面的收敛变形与隧道结构安全系数最小值的计算过程具体为：选取隧道纵向上A与B之间某一断面V的隧道环，根据断面埋深与地质条件，确定出断面V的计算顶部荷载P_v和基床系数K_v，并分别代入公式(3)和公式(4)计算出基床系数修正系数κ_v和荷载抗力比λ_v，再分别由公式(5)和公式(6)计算出隧道收敛变形δ_v与隧道结构安全系数最小值β_min的预测值，以此可对应绘制出隧道纵向隧道断面坐标与收敛变形δ_v、断面坐标与安全系数最小值β_minv的关系曲线(如图4和5所示)，从而可方便直观地查看整个隧道区间的收敛变形情况与隧道结构安全系数最小值；

之后基于隧道纵向任意断面处隧道结构安全系数最小值β_min，判定隧道区间任意断面所处的服役状态和安全等级，具体判定标准如表1所示：

表1

综上所述，本发明以隧道纵向上典型断面作为检测对象，以便于以量测的隧道计算荷载、基床系数和收敛变形为参数对其余隧道断面的收敛变形和隧道安全系数进行预测，计算过程简洁且预测结果可信程度较高；

本发明通过选取典型断面作为检测与分析对象，在典型断面之间其余断面不安装测点的情况下，实现了区间内其余断面的收敛变形和隧道结构安全系数的预测，省去了现场检测的环节，优化了检测方法，并一定程度提高了检测效率，在隧道检测领域具有较高的实际应用价值；

本发明合理预测了隧道纵向所有断面的收敛变形和隧道结构安全系数最小值，并评估了隧道服役性能状态和安全等级，可直观分析出危险断面位置，达到了较好的预警作用，便于后续检测、整治措施的制定与实施，具有较高的实际应用价值。

Claims (10)

1.一种盾构隧道结构服役性能状态检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、选取隧道纵向上两个不同埋深、不同地质条件的典型断面作为检测断面，基于两个典型断面的隧道埋深、地质条件和收敛变形数据，通过计算两个典型断面对应的基床系数修正系数以及隧道结构安全系数，分别构建得到隧道收敛变形和隧道结构安全系数最小值的预测函数；

S2、基于隧道收敛变形和隧道结构安全系数最小值的预测函数，依次计算得到两个典型断面之间其余断面的收敛变形与隧道结构安全系数最小值，并根据其余断面的隧道结构安全系数最小值以及预设的服役状态判定条件，判断其余断面的服役状态及安全等级。

2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道结构服役性能状态检测方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11、根据两个典型断面的隧道埋深、地质条件和收敛变形数据，采用数值模拟反分析的方式，计算得到两个典型断面对应的基床系数修正系数和隧道结构安全系数；

S12、根据两个典型断面对应的基床系数修正系数和隧道结构安全系数，分别建立基床系数与基床系数修正系数的关系函数、计算荷载抗力比；

S13、基于荷载抗力比，分别构建得到隧道收敛变形和隧道结构安全系数最小值的预测函数。

3.根据权利要求2所述的一种盾构隧道结构服役性能状态检测方法，其特征在于，所述步骤S11具体包括以下步骤：

S111、分别量测两个典型断面的竖向收敛变形值，并根据两个典型断面所处的隧道埋深和地质条件，得到两个典型断面对应的顶部荷载和基床系数；

S112、采用数值模拟反分析的方式，分别建立两个典型断面对应的三维有限元模型，基于荷载结构法，计算得到两个典型断面在对应顶部荷载下的围岩基床系数，并得到隧道各点的内力值；

S113、计算两个典型断面在对应围岩基床系数下隧道结构达到极限状态时各点的极限内力值；

S114、根据基床系数和围岩基床系数，计算得到两个典型断面对应的基床系数修正系数；

S115、根据顶部荷载、围岩基床系数下隧道各点的内力值以及围岩基床系数下隧道各点的极限内力值，计算得到两个典型断面对应的隧道结构安全系数。

4.根据权利要求3所述的一种盾构隧道结构服役性能状态检测方法，其特征在于，所述基床系数修正系数的计算公式为：

其中，κ_x为断面x的基床系数修正系数，K_x′为断面x的围岩基床系数，K_x为断面x的基床系数。

5.根据权利要求4所述的一种盾构隧道结构服役性能状态检测方法，其特征在于，所述隧道结构安全系数的计算公式为：

其中，β_xi为断面x对应的隧道环上第i点的安全系数，M_xlim为断面x对应的围岩基床系数下隧道结构达到极限状态时某点处截面的极限内力值，M_xi为断面x对应的顶部荷载、围岩基床系数下隧道环第i点的内力值。

6.根据权利要求5所述的一种盾构隧道结构服役性能状态检测方法，其特征在于，所述步骤S12中基床系数与基床系数修正系数的关系函数具体为：

其中，κ为隧道的基床系数修正系数，K为隧道的基床系数，κ_a和κ_b分别为典型断面A和典型断面B的基床系数修正系数，K_a和K_b分别为典型断面A和典型断面B的基床系数。

7.根据权利要求6所述的一种盾构隧道结构服役性能状态检测方法，其特征在于，所述步骤S12中荷载抗力比的计算公式为：

其中，λ为荷载抗力比，P为顶部荷载。

8.根据权利要求7所述的一种盾构隧道结构服役性能状态检测方法，其特征在于，所述步骤S13中隧道收敛变形的预测函数具体为：

其中，δ为隧道收敛变形，λ_a和λ_b分别为典型断面A和典型断面B的荷载抗力比，δ_a和δ_b分别为典型断面A和典型断面B的收敛变形值。

9.根据权利要求8所述的一种盾构隧道结构服役性能状态检测方法，其特征在于，所述步骤S13中隧道结构安全系数最小值的预测函数具体为：

其中，β_min为隧道结构安全系数最小值，β_mina和β_minb分别为典型断面A和典型断面B的隧道结构安全系数最小值。

10.根据权利要求1所述的一种盾构隧道结构服役性能状态检测方法，其特征在于，所述步骤S2中预设的服役状态判定条件具体为：

若隧道区间内某断面的隧道结构安全系数最小值大于钢筋混凝土结构安全系数的0.7倍，则该断面隧道结构服役状态为安全、安全等级为1级；

若隧道区间内某断面的隧道结构安全系数最小值大于1、且小于或等于钢筋混凝土结构安全系数的0.7倍，则该断面隧道结构服役状态为较安全、安全等级为2级；

若隧道区间内某断面的隧道结构安全系数最小值小于或等于1，则该断面隧道结构服役状态为危险、安全等级为3级。

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