CN114151107A - 一种基于病害特征及安全评价的隧道加固方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于病害特征及安全评价的隧道加固方法，包括以下步骤：获取隧道结构病害的具体定量特征参数；采用数值模拟法，构建隧道结构在定量特征参数下形成的既有病害结构，获取该既有病害结构承受外部荷载作用时各部位的应力和变形特征，得到安全系数和安全等级，确定隧道结构的不利部位；基于不利部位，选取多种加固方案，通过数值模拟与模型实验相似模拟相结合的方法得到施加不同加固方案的既有病害结构各部位的安全系数和安全等级，基于施工加固方案前后的安全等级变化，获得不同加固方案的评价结果；基于最优评价结果对应的加固方案对隧道结构进行加固。与现有技术相比，本发明具有合理有效、经济性好等优点。

Description

一种基于病害特征及安全评价的隧道加固方法
技术领域
本发明涉及一种带病害隧道结构优化方法，尤其是涉及一种基于病害特征及安全评价的隧道加固方法。
背景技术
在隧道出现显著病害以后，近年来粘贴钢板、粘贴纤维、套拱等方法被逐渐推广，例如针对出现较严重损伤的隧道，套拱加固已成为经常选用的方案。部分加固方法在《混凝土加固设计规范》中已经给出了明确的计算方法，然而隧道作为半隐蔽结构，具有受力体系复杂、净空限制大、二次受力等特点，致使其维修加固难度远大于地上结构，因此难以直接套用混凝土加固设计原理。而且，当前国内外对多种隧道加固方法的综合研究相对较少，不同方法加固后结构的受力变形特性、刚度变化规律、破坏模式、承载力影响因素、新旧结构相互作用模式尚没有明确的认知，加固参数的选择也很主观，且没有对比不同的加固方法，仅通过安全系数判定加固后是否安全，不能对加固结构进行定量分级评价。
目前，针对存在病害的隧道，参考文献“六甲洞隧道病害衬砌结构的安全性评价”(饶中,褚方平,王万平.公路,2008(07):254-259.)，现有的常用隧道加固结构安全评价方法的主要步骤如下：
(1)对病害进行探测，定性和半定量描述病害特征，找寻病害原因；
(2)根据病害原因，结合隧道的场地情况以及对加固后效果的要求、工程经验来选择加固方法，例如粘钢加固、碳纤维加固、叠合式套拱加固、复合式套拱加固等；
(3)基于选定的加固方法，若有规范，则根据加固设计规范中的方法进行计算，确定具体的加固参数、加固位置等；若规范无具体计算方法或无规范，则根据规范推荐的参数进行加固或者直接参考以往的施工经验进行加固；
(4)通过验算加固后隧道结构的安全系数是否满足规范要求来判定结构是否安全。
上述现有技术的主要缺点在于隧道加固过于依赖经验和定性化的分析，隧道病害的特征参数描述不够精确，隧道加固方法的选择更依赖经验，仅通过验算安全系数是否满足规范要求来判定加固后隧道结构是否安全，难以保证不同病害隧道的较高安全性能。
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合理有效、经济性好的基于病害特征及安全评价的隧道加固方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于病害特征及安全评价的隧道加固方法，包括以下步骤：
获取隧道结构病害的具体定量特征参数；
采用数值模拟法，构建隧道结构在所述定量特征参数下形成的既有病害结构，获取该既有病害结构承受外部荷载作用时各部位的应力和变形特征，得到既有病害结构各部位的安全系数和安全等级，确定隧道结构的不利部位；
基于所述不利部位，选取多种加固方案，通过数值模拟与模型实验相似模拟相结合的方法获取在施加各加固方案后所述既有病害结构承受外部荷载作用时各部位的应力和变形特征，得到施加不同加固方案的既有病害结构各部位的安全系数和安全等级，基于施工加固方案前后的安全等级变化，获得不同加固方案的评价结果；
基于最优评价结果对应的加固方案对隧道结构进行加固。
进一步地，所述定量特征参数包括裂缝具体深度、宽度尺寸和位置，衬砌厚度不足的具体尺寸和位置，和/或衬砌背后空洞的具体位置和范围。
进一步地，所述采用数值模拟法，构建隧道结构在所述定量特征参数下形成的既有病害结构具体为：
构建不考虑钢筋和混凝土之间粘结滑移的钢筋嵌入混凝土模型，通过只受压不能受拉的非线性弹簧模拟地层抗力，基于所述隧道结构病害的具体定量特征参数，模拟生成各类隧道结构病害，形成所述既有病害结构。
进一步地，构建所述钢筋嵌入混凝土模型时，衬砌隧道采用混凝土损伤塑性模型，钢筋采用理想弹塑性模型模拟。
进一步地，所述隧道结构病害包括裂缝、背后空洞和/或衬砌厚度不足，其中，
对于裂缝，基于最大周向拉应力准则，采用扩展有限元模拟裂缝的扩展特征；
对于背后空洞，通过在相应位置不设置非线性弹簧来模拟；
对于衬砌厚度不足，通过更改衬砌结构的厚度模拟。
进一步地，所述既有病害结构各部位的安全系数的获取具体为：
采用数值计算得到隧道各部位的应力和变形值，除以钢筋混凝土结构规范容许值得到各部位的安全系数。
进一步地，所述加固方案包括套拱加固、粘贴钢板和/或碳纤维布加固。
进一步地，选取加固方案后的数值模拟中：
针对套拱加固，原衬砌结构与套拱之间采用绑定接触；
针对粘贴钢板，钢板与混凝土之间的连接方式采用绑定约束；
针对碳纤维布加固，钢筋混凝土衬砌和碳纤维布的接触使用绑定连接模拟，采用膜单元设置碳纤维布的单元类型。
进一步地，所述模型实验相似模拟中采用的相似准则包括：
Figure BDA0003347397090000031
Figure BDA0003347397090000032
Figure BDA0003347397090000033
Cμ＝1，
Figure BDA0003347397090000034
式中：Cσ、CL、Cρ、Cδ、Cε、CE、Cμ、Cs分别代表应力、几何、体力、位移、应变、弹模、泊松比以及面力相似比。
进一步地，所述安全等级基于安全系数分区间确定。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明获取隧道结构病害的具体定量特征参数，以数值模拟及模型实验相似模拟等方法对不同加固方案进行定量分析，确定隧道既有病害结构的安全系数和安全等级，明确隧道结构的不利部位和安全系数，以此获得可靠性更高、更适用的加固方案，摆脱了现有最常用方法中过于依赖经验和定性化分析的弊端。本发明基于安全系数确定的安全等级对隧道加固结构进行评价，相较于现在仅通过安全系数的数值判定结构是否安全的常用做法更合理有效。
2、本发明通过对比分析多种加固方案，对隧道结构加固后的效果进行可靠评价，从而将过去更依赖经验和定性判断的病害隧道加固方法以及仅依靠安全系数的数值进行安全判定的方法进行改进。
3、本发明通过先进的实测手段确定隧道结构病害的特征参数，基于不同的病害特征参数进行数值计算，明确隧道结构在病害存在下的不利部位和安全系数以及安全等级，初步给出不同的加固方案，再运用数值模拟并辅以模型试验充分比较不同加固方案的加固效果，主要从隧道结构的安全系数和安全等级两方面对不同的加固方案进行评价，具有效率高、经济性好、评价指标合理等优势。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为裂缝模拟示意图；
图3为背后空洞模拟示意图；
图4为衬砌厚度不足模拟示意图；
图5为套拱加固示意图；
图6为粘贴钢板加固示意图，其中，(6a)为整体示意图，(6b)为钢板具体安装示意图；
图7为碳纤维加固示意图。
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。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。
本发明提供一种基于病害特征及安全评价的隧道加固方法，针对隧道结构存在的各种病害，例如裂缝、渗漏水、衬砌厚度不足、衬砌背后空洞等，检查隧道结构病害特征，明确具体特征参数，在此基础上，分析带病害隧道结构的承载力特性和变形特性，结合不同加固方式对比分析不同加固方案(粘钢、碳纤维、套拱)的加固效果与安全系数，结合隧道加固结构安全系数分级标准，对隧道加固结构安全状态进行评价，从而确定最优的加固方案，实现隧道加固。
如图1所示，上述基于病害特征及安全评价的隧道加固方法，包括以下步骤：
1)获取隧道结构病害的具体定量特征参数。
隧道结构病害包括裂缝、背后空洞、砌厚度不足等，相应的具体定量特征参数包括裂缝具体深度、宽度尺寸和位置，衬砌厚度不足的具体尺寸和位置，衬砌背后空洞的具体位置和范围。
上述定量特征参数可以采用数显裂缝测宽仪、超声波裂缝探深仪、地质雷达、激光隧道断面仪等仪器以及衬砌厚度检测、衬砌背后空洞和脱空检测等手段获取。
2)结合勘察和设计文件，采用数值模拟法，构建隧道结构在所述定量特征参数下形成的既有病害结构，获取该既有病害结构承受外部荷载作用时各部位的应力和变形特征，得到既有病害结构各部位的安全系数和安全等级，确定隧道结构在病害下受荷的不利部位。
采用数值模拟法，构建隧道结构在所述定量特征参数下形成的既有病害结构具体为：构建不考虑钢筋和混凝土之间粘结滑移的钢筋嵌入混凝土模型，衬砌隧道采用混凝土损伤塑性模型，钢筋可采用理想弹塑性模型模拟，通过只受压不能受拉的非线性弹簧模拟地层抗力，基于所述隧道结构病害的具体定量特征参数，模拟生成各类隧道结构病害，形成所述既有病害结构。
模拟生成各类隧道结构病害时，采用扩展有限元模拟裂缝的扩展特征，裂缝扩展采用最大周向拉应力准则。空洞通过在相应位置不设置非线性弹簧来模拟，衬砌厚度不足部分直接通过更改衬砌结构的厚度模拟，如图2-图4所示。
既有病害结构各部位的安全系数的获取具体为：采用数值计算得到隧道各部位的应力和变形值，除以钢筋混凝土结构规范容许值得到各部位的安全系数。
3)基于所述不利部位，考虑隧道拱顶沉降和收敛变形以及加固时机，选取多种加固方案。
加固方案包括套拱加固、粘贴钢板、碳纤维布加固等，如图5-图7所示。
4)通过数值模拟与模型实验相似模拟相结合的方法获取在施加各加固方案后所述既有病害结构承受外部荷载作用时各部位的应力和变形特征，得到施加不同加固方案的既有病害结构各部位的安全系数和安全等级，基于施工加固方案前后的安全等级变化，获得不同加固方案的评价结果，基于最优评价结果对应的加固方案对隧道结构进行加固。
选取加固方案后的数值模拟中：采用套拱加固时，建立三维有限元模型，不考虑钢筋与混凝土之间的粘结滑移，钢筋嵌入混凝土模型，原衬砌结构与套拱之间采用绑定接触；采用粘贴钢板时，钢筋与混凝土之间使用嵌入式区域约束连接方式来模拟钢筋与混凝土之间的粘结，钢板与混凝土之间的连接方式选用绑定约束，保证模拟钢板与混凝土之间有良好的粘结力；采用碳纤维布加固时，钢筋同样使用嵌入混凝土中的连接方式，钢筋混凝土衬砌和碳纤维布的接触同样使用绑定连接模拟，采用膜单元设置碳纤维布的单元类型。
相似模型试验的物理量主要有几何尺寸、材料强度、弹性模量、应力、应变、地层抗力系数等，运用相似三大定律以及量纲分析方法得到相似准则。模型实验相似模拟中采用的相似准则包括：
Figure BDA0003347397090000061
Figure BDA0003347397090000062
Figure BDA0003347397090000063
Cμ＝1，
Figure BDA0003347397090000064
式中：Cσ、CL、Cρ、Cδ、Cε、CE、Cμ、Cs分别代表应力、几何、体力、位移、应变、弹模、泊松比以及面力相似比。几何相似比CL主要根据加载装置的尺寸决定，可选用石膏等材料模拟混凝土衬砌，对石膏试块做单轴压缩试验可确定强度相似比Cσ和弹性模量相似比CE，根据相似准则确定其余物理量的相似比。可用石膏模拟套拱结构，用铝箔玻纤布模拟碳纤维布，用铝板模拟钢板。
安全等级基于安全系数分区间确定，具体如表1所示。
表1安全等级划分
Figure BDA0003347397090000065
上述方法具有以下特征：①采用数值模拟方法和相似模型试验方法确定带病害隧道结构受荷时及加固后的安全系数；②对病害特征以及对加固效果均进行定量评价；③采用安全系数对加固结构进行安全等级划分，对隧道加固结构进行评价，而不是仅根据安全系数是否满足规范要求来判定加固是否安全；④对比加固前后隧道各典型部位安全系数和安全等级的变化情况来评价加固效果。通过上述特征，该方法可以合理有效地获得加固方案，提高隧道安全性。
上述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
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，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于病害特征及安全评价的隧道加固方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取隧道结构病害的具体定量特征参数；
采用数值模拟法，构建隧道结构在所述定量特征参数下形成的既有病害结构，获取该既有病害结构承受外部荷载作用时各部位的应力和变形特征，得到既有病害结构各部位的安全系数和安全等级，确定隧道结构的不利部位；
基于所述不利部位，选取多种加固方案，通过数值模拟与模型实验相似模拟相结合的方法获取在施加各加固方案后所述既有病害结构承受外部荷载作用时各部位的应力和变形特征，得到施加不同加固方案的既有病害结构各部位的安全系数和安全等级，基于施工加固方案前后的安全等级变化，获得不同加固方案的评价结果；
基于最优评价结果对应的加固方案对隧道结构进行加固。
2.根据权利要求1所述的基于病害特征及安全评价的隧道加固方法，其特征在于，所述定量特征参数包括裂缝具体深度、宽度尺寸和位置，衬砌厚度不足的具体尺寸和位置，和/或衬砌背后空洞的具体位置和范围。
3.根据权利要求1所述的基于病害特征及安全评价的隧道加固方法，其特征在于，所述采用数值模拟法，构建隧道结构在所述定量特征参数下形成的既有病害结构具体为：
构建不考虑钢筋和混凝土之间粘结滑移的钢筋嵌入混凝土模型，通过只受压不能受拉的非线性弹簧模拟地层抗力，基于所述隧道结构病害的具体定量特征参数，模拟生成各类隧道结构病害，形成所述既有病害结构。
4.根据权利要求3所述的基于病害特征及安全评价的隧道加固方法，其特征在于，构建所述钢筋嵌入混凝土模型时，衬砌隧道采用混凝土损伤塑性模型，钢筋采用理想弹塑性模型模拟。
5.根据权利要求3所述的基于病害特征及安全评价的隧道加固方法，其特征在于，所述隧道结构病害包括裂缝、背后空洞和/或衬砌厚度不足，其中，
对于裂缝，基于最大周向拉应力准则，采用扩展有限元模拟裂缝的扩展特征；
对于背后空洞，通过在相应位置不设置非线性弹簧来模拟；
对于衬砌厚度不足，通过更改衬砌结构的厚度模拟。
6.根据权利要求1所述的基于病害特征及安全评价的隧道加固方法，其特征在于，所述既有病害结构各部位的安全系数的获取具体为：
采用数值计算得到隧道各部位的应力和变形值，除以钢筋混凝土结构规范容许值得到各部位的安全系数。
7.根据权利要求1所述的基于病害特征及安全评价的隧道加固方法，其特征在于，所述加固方案包括套拱加固、粘贴钢板和/或碳纤维布加固。
8.根据权利要求7所述的基于病害特征及安全评价的隧道加固方法，其特征在于，选取加固方案后的数值模拟中：
针对套拱加固，原衬砌结构与套拱之间采用绑定接触；
针对粘贴钢板，钢板与混凝土之间的连接方式采用绑定约束；
针对碳纤维布加固，钢筋混凝土衬砌和碳纤维布的接触使用绑定连接模拟，采用膜单元设置碳纤维布的单元类型。
9.根据权利要求1所述的基于病害特征及安全评价的隧道加固方法，其特征在于，所述模型实验相似模拟中采用的相似准则包括：
Figure FDA0003347397080000021
Cμ＝1，
Figure FDA0003347397080000022
式中：Cσ、CL、Cρ、Cδ、Cε、CE、Cμ、Cs分别代表应力、几何、体力、位移、应变、弹模、泊松比以及面力相似比。
10.根据权利要求1所述的基于病害特征及安全评价的隧道加固方法，其特征在于，所述安全等级基于安全系数分区间确定。
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