CN114329709A - 盾构隧道服役性能快速诊断和发展趋势预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种盾构隧道服役性能快速诊断和发展趋势预测方法，包括以下步骤：获取盾构隧道沉降、断面收敛变形以及裂缝、剥落剥离监测数据；建立纵向螺栓应力分级评价标准，基于获取的盾构隧道沉降监测数据，计算得到纵向螺栓应力，根据纵向螺栓应力所属的分级评价标准判断隧道纵向服役性能；建立隧道的直径变形比分级评价标准，基于获取的隧道断面收敛变形监测数据，计算隧道的直径变形比，根据隧道的直径变形比所属的分级评价标准判断隧道横向服役性能；基于获取的隧道裂缝、剥落剥离监测数据，从能量的角度预测裂缝病害发展趋势。本发明操作简单、诊断合理且评价较为全面。

Description

盾构隧道服役性能快速诊断和发展趋势预测方法

技术领域

本发明属于隧道工程安全评价技术领域，具体涉及一种盾构隧道服役性能快速诊断和发展趋势预测方法。

背景技术

随着我国基础设施的大力建设，公路隧道、铁路隧道、城市综合管廊等隧道工程的不断修建，如何实现城市隧道工程的安全运维，及时评价城市盾构隧道的服役性能，定期养护，保障隧道的安全使用寿命，已成为城市隧道工程管理者越来越迫切解决的问题。

采用合理科学的方法评价隧道的服役性能，了解隧道的运营状态，及时做好养护和病害处治工作是极为必要的。通常采用模糊综合评价法和层次分析法评价隧道的服役性能。模糊综合评价法和层次分析法评价的步骤为：(1)利用层次分析法构建评价隧道服役性能的多级指标体系；(2)根据各个指标对隧道服役性能的影响确定指标权重；(3)选取合适的隶属函数，构建隶属向量；(4)计算各级指标的隶属向量直至求得目标层的隶属向量，并进行单值化处理；(5)根据计算结果评价隧道服役性能。

林盼达、张冬梅等人(《运营盾构隧道结构安全评估方法研究》)采用层次分析法和模糊综合评价法，并考虑指标之间的相关性，修正模糊综合法的评价结果。专利CN201910485336.4构建了公路隧道设施服役性能评价模型，依据模型提出层次结构法和模糊计算的公路隧道设施服役性能评价方法。专利CN201710043513.4提供了一种可修正权重的基于模糊综合评价的隧道服役性能评价方法，结合模糊综合评价法建立沉管隧道的健康状态评价方法。专利CN201210424706.1通过测定隧道管片的波速反算结构的弹性模量从而判断其服役性能。

但是现有方法需要建立复杂的评价指标体系以及确定各个指标的权重，未曾考虑地质条件的复杂性引起的指标评价标准在同一条隧道的不同区段适用性问题，且仅考虑的指标不全面，导致操作难度大、适用性差且评价不够全面。

发明内容

本发明的目的在于提供一种盾构隧道服役性能快速诊断和发展趋势预测方法，旨在用于解决现有的隧道服役性能评价方法操作难度大、适用性差且评价不够全面的问题。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种盾构隧道服役性能快速诊断和发展趋势预测方法，包括以下步骤：

获取盾构隧道沉降、断面收敛变形以及裂缝、剥落剥离监测数据；

建立隧道曲率半径、接缝张开和纵向螺栓应力之间的关系，从防水和差异沉降控制的角度确定纵向螺栓应力分级评价标准，基于获取的盾构隧道沉降监测数据，计算得到纵向螺栓应力，根据纵向螺栓应力所属的分级评价标准判断隧道纵向服役性能；

根据隧道承载变形关键节点对应的直径变形比确定隧道的直径变形比分级评价标准，基于获取的隧道断面收敛变形监测数据，计算隧道的直径变形比，根据隧道的直径变形比所属的分级评价标准判断隧道横向服役性能；

基于获取的隧道裂缝、剥落剥离监测数据，从能量的角度预测裂缝病害发展趋势。

进一步地，所述建立隧道曲率半径、接缝张开和纵向螺栓应力之间的关系，从防水和差异沉降控制的角度确定纵向螺栓应力分级评价标准，基于获取的盾构隧道沉降监测数据，计算得到纵向螺栓应力，根据纵向螺栓应力所属的分级评价标准判断隧道纵向服役性能，具体包括：

通过纵向等效刚度模型，得到隧道曲率半径、接缝张开量与纵向螺栓应力之间的换算关系；

根据隧道曲率半径、接缝张开量与纵向螺栓应力之间的换算关系，计算隧道曲率半径15000m、接缝张开量8mm对应的纵向螺栓应力，与螺栓屈服强度相比较，三个值中的较小者为A，则纵向螺栓应力一至五级的分级评价标准为[0,0.5A]、(0.5A,0.8A]、(0.8A,A]、(A,1.2A]、(1.2A,+∞)；

基于获取的盾构隧道沉降监测数据，计算隧道曲率半径，根据隧道曲率半径与纵向螺栓应力之间的换算关系，得到纵向螺栓应力，判断纵向螺栓应力所属的分级评价标准从而判断隧道的纵向服役性能。

进一步地，所述通过纵向等效刚度模型，得到隧道曲率半径、接缝张开量与纵向螺栓应力之间的换算关系，具体包括：

1)当螺栓在弹性范围内时：

接缝张开量为：

其中

隧道曲率半径为：

其中

上述二式中，M为隧道弯矩，

其中

为中性轴的角度，根据

计算得到，E_c为管片弹性模量，A_c为管片截面面积，I_c为管片惯性矩，l_s为管片纵向长度，N为纵向螺栓应力，K_j1＝nk_j1，k_j1为单个螺栓的弹性刚度，

E_j为单个螺栓的弹性模量，A、l为螺栓的截面积和长度。

2)最外侧螺栓进入塑性状态时：

接缝张开量为：

其中E₁为螺栓屈服应力，N₁为螺栓预应力，N_y为螺栓弹性极限内的最大应力，E_j为单个螺栓的弹性模量，l为螺栓的长度，α为单个螺栓弹性和塑性刚度比；

曲率半径为：

δ_y为螺栓弹性极限伸长量，

r为隧道内外半径的平均值；

和φ由以下两式联立求得：

其中，

进一步地，所述基于获取的盾构隧道沉降监测数据，计算隧道曲率半径，具体包括：

通过三点法，根据所求测点的沉降值以及其左右相邻两点的沉降值求得该测点的曲率半径，具体方法为，根据隧道全线的沉降值绘制里程-沉降曲线，所求测点B的坐标为(x₂,y₂),该测点左右相邻两点坐标为A(x₁,y₁)，C(x₃,y₃)，AC线段长度为

点B到直线AC的距离为

所求曲率半径为

进一步地，所述根据隧道承载变形关键节点对应的直径变形比确定隧道的直径变形比分级评价标准，基于获取的隧道断面收敛变形监测数据，计算隧道的直径变形比，根据隧道的直径变形比所属的分级评价标准判断隧道横向服役性能，具体包括：

采用数值仿真的方法，建立隧道断面收敛变形与隧道结构承载性能之间的关系模型，通过线性增大顶底荷载值，确定管片在初始埋深、混凝土达轴心抗压强度、接缝张开量达8mm、钢筋达屈服强度这四个关键节点对应的隧道断面直径变形比，分别为B1、B2、B3、B4，最终隧道的直径变形比一至五级的分级评价标准为[0,B1]、(B1,B2]、(B2,B3]、(B3,B4]、(B4,+∞)；

基于获取的隧道断面收敛变形监测数据，计算隧道横向变形、纵向变形中的较大者与隧道设计外径的比值作为隧道的直径变形比，判断隧道的直径变形比所属的分级评价标准从而判断隧道的横向服役性能。

进一步地，所述采用数值仿真的方法，建立隧道断面收敛变形与隧道结构承载性能之间的关系模型，具体包括：

首先根据隧道的实际尺寸，建立不少于5环管片组成的精细化隧道结构三维有限元模型，所述隧道结构包括管片、螺栓、钢筋、口型预制构件和车道板，管片采用实体单元模拟，混凝土采用塑性损伤本构模型；钢筋与接头螺栓采用杆单元模拟，螺栓选择弹塑性本构模型；管片之间设置摩擦接触，并通过螺栓连接；管片结构与地层的相关作用通过设置只受压不受拉的非线性弹簧模拟；初始荷载根据理论计算得到的土压力施加，取中间管片进行结果整理、分析。

进一步地，所述基于获取的隧道裂缝、剥落剥离监测数据，从能量的角度预测裂缝病害发展趋势，具体包括：

通过建立与实际隧道一致的能量存储和释放的有限元模型，计算隧道整体所吸收的能量T，以及隧道产生裂缝、剥落剥离释放的能量T₁；从而计算残余能量T′＝T-T₁，判断残余能量是否超过开裂临界能量T′₀，如超过，则裂缝会进一步扩展。

进一步地，所述计算隧道整体所吸收的能量的方法如下T的方法如下：

利用与实际隧道一致的能量存储和释放的有限元模型，在施加初始水土压力的基础上继续增大荷载，直至产生与实际隧道相同的收敛变形为止，认为此时模型中隧道和螺栓积聚的能量保持一致，得到隧道内部混凝土及钢筋、螺栓积分单元的应力和相应的位移，通过将积分单元的应力、位移及单元面积的乘积累加即求得隧道整体所吸收的能量，即

其中n为积分单元数量，i代表第i个积分单元，j＝1，2，3，代表发生位移的x、y、z三个方向。

进一步地，所述计算隧道产生裂缝、剥落剥离释放的能量T₁的方法如下：

在隧道运营过程中，记录隧道产生裂缝的里程位置、数量、长度、深度和环向分布的位置，并将检测结果中出现裂缝的区域的单元设置为具有扩展有限元性质的富集单元，在与实际隧道一致的能量存储和释放的有限元模型中同样施加初始水土压力，然后线性增大顶底荷载进行计算，记录模拟产生的第j条裂缝的长度a_j和深度h_j，计算

l为模拟产生的裂缝数量，直至

m为实际的裂缝数量，a_k和h_k为实际检测的第k条裂缝的长度和深度，认为此时有限元模型模拟的隧道裂缝尖端能量释放和实际隧道保持一致；找出随着荷载增大，第j条裂缝的尖端能量释放率与裂缝长度对应点(aj，Gj)，并拟合成曲线G_j＝g_j(a_j)，则第j条裂缝扩展释放的能量e_j＝h_j·∫g_j(a_j)da，则此时隧道产生裂缝、剥落剥离释放的能量总和为

l为模拟产生的裂缝数量。

进一步地，所述开裂临界能量T′₀的计算方法如下：

利用与实际隧道一致的能量存储和释放的有限元模型，在施加初始水土压力的基础上继续增大荷载，隧道的混凝土达到轴心抗压强度为止，认为此结构积聚的能量将引起裂缝扩展；将该时刻下隧道内部混凝土及钢筋、螺栓积分单元的应力和相应的位移，乘积累加即求得隧道结构所积聚的临界能量，即

其中n为积分单元数量，i代表第i个积分单元，j＝1，2，3，代表发生位移的x、y、z三个方向。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提供的这种盾构隧道服役性能快速诊断和发展趋势预测方法，不需要建立复杂的评价指标体系以及确定各个指标的权重，只需要选取盾构隧道沉降、断面收敛变形以及裂缝、剥落剥离这些较为简单易测的指标，建立起这些指标与其他影响隧道服役性能指标之间的联系，并建立考虑其他指标影响的评价标准，就可评价盾构隧道的服役性能，无需在隧道管片或者钢筋中预埋传感器，减少了实际操作的难度和成本，且综合考虑隧道防水、承载、差异沉降等多方面要求，对隧道的服役性能进行合理的诊断，评价较为全面；

(2)以往的方法未曾考虑地质条件的复杂性引起的指标评价标准在同一条隧道的不同区段适用性问题，而本发明提供的盾构隧道服役性能诊断方法可适用于跨度大、地质环境复杂多变的隧道，通过考虑待评价的隧道所处不同地质条件影响带来的结构内力的变化，选取多个计算断面分别计算在线性增大的荷载下隧道关键节点结构收敛变形变化，再综合多个断面的结果制定出适用隧道全线直径变形比的评价标准；

(3)本发明从能量积聚和释放的角度计算隧道在外力作用下积聚的能量以及产生裂缝释放的能量，根据两者之差来判断隧道裂缝发展的趋势。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种盾构隧道服役性能快速诊断和发展趋势预测方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的盾构隧道荷载-开裂能量曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种盾构隧道服役性能快速诊断和发展趋势预测方法，包括以下步骤：

获取盾构隧道沉降、断面收敛变形以及裂缝、剥落剥离监测数据；具体可利用分布式光纤技术获取盾构隧道全线沉降监测数据，利用图像检测或激光扫描检测技术，获取断面收敛变形以及裂缝、剥落剥离监测数据；

建立隧道曲率半径、接缝张开和纵向螺栓应力之间的关系，从防水和差异沉降控制的角度确定纵向螺栓应力分级评价标准，基于获取的盾构隧道沉降监测数据，计算得到纵向螺栓应力，根据纵向螺栓应力所属的分级评价标准判断隧道纵向服役性能；

根据隧道承载变形关键节点对应的直径变形比确定隧道的直径变形比分级评价标准，基于获取的隧道断面收敛变形监测数据，计算隧道的直径变形比，根据隧道的直径变形比所属的分级评价标准判断隧道横向服役性能；

基于获取的隧道裂缝、剥落剥离监测数据，从能量的角度预测裂缝病害发展趋势，具体可通过判断残余能量是否超过开裂临界能量来判断裂损是否会进一步发展。

本发明实施例提供的这种盾构隧道服役性能快速诊断和发展趋势预测方法，不需要建立复杂的评价指标体系以及确定各个指标的权重，只需要选取盾构隧道沉降、断面收敛变形以及裂缝、剥落剥离这些较为简单易测的指标，建立起这些指标与其他影响隧道服役性能指标之间的联系，并建立考虑其他指标影响的评价标准，就可评价盾构隧道的服役性能，无需在隧道管片或者钢筋中预埋传感器，减少了实际操作的难度和成本，且综合考虑隧道防水、承载、差异沉降等多方面要求，对隧道的服役性能进行合理的诊断，评价较为全面。

细化上述实施例，所述建立隧道曲率半径、接缝张开和纵向螺栓应力之间的关系，从防水和差异沉降控制的角度确定纵向螺栓应力分级评价标准，基于获取的盾构隧道沉降监测数据，计算得到纵向螺栓应力，根据纵向螺栓应力所属的分级评价标准判断隧道纵向服役性能，具体包括：

通过纵向等效刚度模型，得到隧道曲率半径、接缝张开量与纵向螺栓应力之间的换算关系；

根据隧道曲率半径、接缝张开量与纵向螺栓应力之间的换算关系，计算隧道曲率半径15000m、接缝张开量8mm对应的纵向螺栓应力，与螺栓屈服强度相比较，三个值中的较小者为A，则纵向螺栓应力一至五级的分级评价标准为[0,0.5A]、(0.5A,0.8A]、(0.8A,A]、(A,1.2A]、(1.2A,+∞)；其中，隧道曲率半径15000m为规范规定的保证隧道安全的最小曲率半径，接缝张开量8mm为防水所需的最大接缝张开量，螺栓屈服强度代表螺栓本身所能承受的最大应力，取三者中的较小值来划分分级评价标准，综合考虑螺栓本身的应力状态、结构防水、纵向差异沉降这三个角度，且使得分级评价标准划分的较为细致且贴合实际。

基于获取的盾构隧道沉降监测数据，计算隧道曲率半径，根据隧道曲率半径与纵向螺栓应力之间的换算关系，得到纵向螺栓应力，判断纵向螺栓应力所属的分级评价标准从而判断隧道的纵向服役性能。

进一步细化地，所述通过纵向等效刚度模型，得到隧道曲率半径、接缝张开量与纵向螺栓应力之间的换算关系，具体包括：

1)当螺栓在弹性范围内时：

接缝张开量为：

其中

隧道曲率半径为：

其中

上述二式中，M为隧道弯矩，

其中

为中性轴的角度，根据

计算得到，E_c为管片弹性模量，A_c为管片截面面积，I_c为管片惯性矩，l_s为管片纵向长度，N为纵向螺栓应力，K_j1＝nk_j1，k_j1为单个螺栓的弹性刚度，

E_j为单个螺栓的弹性模量，A、l为螺栓的截面积和长度。

2)最外侧螺栓进入塑性状态时：

接缝张开量为：

其中E₁为螺栓屈服应力，N₁为螺栓预应力，N_y为螺栓弹性极限内的最大应力，E_j为单个螺栓的弹性模量，l为螺栓的长度，α为单个螺栓弹性和塑性刚度比；

曲率半径为：

δ_y为螺栓弹性极限伸长量，

r为隧道内外半径的平均值；

和φ由以下两式联立求得：

其中，

进一步细化地，所述基于获取的盾构隧道沉降监测数据，计算隧道曲率半径，具体包括：

通过三点法，根据所求测点的沉降值以及其左右相邻两点的沉降值求得该测点的曲率半径，具体方法为，根据隧道全线的沉降值绘制里程-沉降曲线，所求测点B的坐标为(x₂,y₂),该测点左右相邻两点坐标为A(x₁,y₁)，C(x₃,y₃)，AC线段长度为

点B到直线AC的距离为

所求曲率半径为

进一步地，根据隧道承载变形关键节点对应的直径变形比确定隧道的直径变形比分级评价标准，基于获取的隧道断面收敛变形监测数据，计算隧道的直径变形比，根据隧道的直径变形比所属的分级评价标准判断隧道横向服役性能，具体包括：

采用数值仿真的方法，建立隧道断面收敛变形与隧道结构承载性能之间的关系模型，通过线性增大顶底荷载值，确定管片在初始埋深、混凝土达轴心抗压强度、接缝张开量达8mm、钢筋达屈服强度这四个关键节点对应的隧道断面直径变形比，分别为B1、B2、B3、B4，最终隧道的直径变形比一至五级的分级评价标准为[0,B1]、(B1,B2]、(B2,B3]、(B3,B4]、(B4,+∞)；

基于获取的隧道断面收敛变形监测数据，计算隧道横向变形、纵向变形中的较大者与隧道设计外径的比值作为隧道的直径变形比，判断隧道的直径变形比所属的分级评价标准从而判断隧道的横向服役性能。

该方案通过数值建模，模拟不同地层、不同变形机理下隧道的变形规律，建立隧道断面收敛变形与隧道结构承载性能关键节点之间的关系，根据关键节点到来的顺序对应的直径变形比，制定合理的隧道变形分级评价标准。

进一步细化地，所述采用数值仿真的方法，建立隧道断面收敛变形与隧道结构承载性能之间的关系模型，具体包括：

首先根据隧道的实际尺寸，建立不少于5环管片组成的精细化隧道结构三维有限元模型，所述隧道结构包括管片、螺栓、钢筋、口型预制构件和车道板等，管片采用实体单元模拟，混凝土采用塑性损伤本构模型；钢筋与接头螺栓采用杆单元模拟，螺栓选择弹塑性本构模型；管片之间设置摩擦接触，并通过螺栓连接；管片结构与地层的相关作用通过设置只受压不受拉的非线性弹簧模拟；初始荷载根据理论计算得到的土压力施加，取中间管片进行结果整理、分析。

在一个实施例中，对于通常的地铁盾构隧道，直径变形比一级至五级的分级评价标准分别为[0,4]、(4,8]、(8,12]、(12,16]、(16,+∞]，单位‰D，D为隧道外径；对于大直径盾构隧道(直径大于12m)，直径变形比一级至五级的分级评价标准分别为[0,5]、(5,10]、(10,15]、(15-20]、(20,+∞]，单位同上。

进一步地，所述基于获取的隧道裂缝、剥落剥离监测数据，从能量的角度预测裂缝病害发展趋势，具体包括：

如图2所示，在荷载较小时，隧道产生弹性变形，积聚能量逐渐增大，当能量积累到一定程度，隧道开始产生塑性变形，当隧道整体能量达到T′₀，开始出现微裂缝，在裂缝初期，随着荷载增大，隧道仍在积聚能量，达到峰值后，裂缝扩展速度加快，释放能量的速度大于积累速度，直至裂缝贯通，隧道积聚能量达到极小值，继续增大荷载，结构再次产生裂缝，直至结构最终破坏。

因此可以通过建立与实际隧道一致的能量存储和释放的有限元模型，计算隧道整体所吸收的能量T，以及隧道产生裂缝、剥落剥离释放的能量T₁；从而计算残余能量T′＝T-T₁，判断残余能量是否超过开裂临界能量T′₀，如超过，则裂缝会进一步扩展。

该方案通过建立有限元模型，通过隧道产生裂缝的能量释放与储存的原理，建立与实际隧道一致的能量存储和释放的模型，并通过隧道混凝土达到轴心抗压强度积聚的能量作为临界值，判断隧道裂缝是否会扩展。

进一步细化地，所述计算隧道整体所吸收的能量的方法如下T的方法如下：

利用与实际隧道一致的能量存储和释放的有限元模型，在施加初始水土压力的基础上继续增大荷载，直至产生与实际隧道相同的收敛变形为止，认为此时模型中隧道和螺栓积聚的能量保持一致，得到隧道内部混凝土及钢筋、螺栓积分单元的应力和相应的位移，通过将积分单元的应力、位移及单元面积的乘积累加即求得隧道整体所吸收的能量，即

其中n为积分单元数量，i代表第i个积分单元，j＝1，2，3，代表发生位移的x、y、z三个方向。

进一步细化地，所述计算隧道产生裂缝、剥落剥离释放的能量T₁的方法如下：

在隧道运营过程中，记录隧道产生裂缝的里程位置、数量、长度、深度和环向分布的位置，并将检测结果中出现裂缝的区域的单元设置为具有扩展有限元性质的富集单元，在与实际隧道一致的能量存储和释放的有限元模型中同样施加初始水土压力，然后线性增大顶底荷载进行计算，记录模拟产生的第j条裂缝的长度a_j和深度h_j，计算

l为模拟产生的裂缝数量，直至

m为实际的裂缝数量，a_k和h_k为实际检测的第k条裂缝的长度和深度，认为此时有限元模型模拟的隧道裂缝尖端能量释放和实际隧道保持一致；找出随着荷载增大，第j条裂缝的尖端能量释放率与裂缝长度对应点(aj，Gj)，并拟合成曲线G_j＝g_j(a_j)，则第j条裂缝扩展释放的能量e_j＝h_j·∫g_j(a_j)da，则此时隧道产生裂缝、剥落剥离释放的能量总和为

l为模拟产生的裂缝数量。

进一步细化地，所述开裂临界能量T′₀的计算方法如下：

利用与实际隧道一致的能量存储和释放的有限元模型，在施加初始水土压力的基础上继续增大荷载，隧道的混凝土达到轴心抗压强度为止，认为此结构积聚的能量将引起裂缝扩展；将该时刻下隧道内部混凝土及钢筋、螺栓积分单元的应力和相应的位移，乘积累加即求得隧道结构所积聚的临界能量，即

其中n为积分单元数量，i代表第i个积分单元，j＝1，2，3，代表发生位移的x、y、z三个方向。

下面通过几个具体的例子对本发明的盾构隧道服役性能快速诊断和发展趋势预测方法进行说明。

(1)纵向螺栓应力分级评价标准

以南京某隧道为例，盾构隧道外径15m，内径13.7m，环宽2m，管片为C60混凝土，弹性模量为36.5GPa。纵向斜螺栓42根，8.8级，长753mm，公称直径36mm，螺距5.5mm，倾斜56°插入管片。根据《钢结构设计手册》，螺栓的屈服应力为660MPa，极限拉应力为830MPa，螺栓弹性模量210GPa，螺栓预紧力为150kN。

可以求解得到螺栓弹性极限应力σ＝E₁-N₁＝459.2MPa；

接缝张开量δ₈＝8mm对应纵向螺栓应力为σ₈＝682.2MPa；

与螺栓屈服应力660MPa相比，三者中较小者为459.2MPa，因此纵向螺栓应力一至五级的分级评价标准为[0,230]、(230,368]、(368,459.2]、(459.2,551]、(551,+∞)。

(2)隧道直径变形比分级评价标准

根据建立南京某隧道的数值计算模型，得到定管片在初始埋深、混凝土达轴心抗压强度、接缝张开量达8mm、钢筋达屈服强度这四个关键节点对应的隧道断面直径变形比为0.53‰D、7.70‰D、9.54‰D、12.96‰D。

最终隧道的直径变形比一至五的分级评价标准为[0,0.53]、(0.53,7.70]、(7.70,9.54]、(9.54,12.96]、(12.96,+∞)。

(3)判断裂缝是否扩展

根据现场实测的某环直径变形比2.31‰D，在有限元模型中初始荷载的基础上施加顶底的荷载，使得最终的变形达到2.31‰D，那么实际隧道吸收的总能量为x、y、z三个方向上的管片、钢筋、螺栓单元与对应方向的位移、单元面积的乘积之和。其中单元格面积可根据总面积与网格数量之比计算得到。

同理临界能量T′₀为在施加初始水土压力的基础上继续增大荷载，隧道的混凝土达到轴心抗压强度为止，将该时刻下隧道内部混凝土及钢筋、螺栓积分单元的应力和相应的位移，乘积累加即求得隧道结构所积聚的临界能量，即

根据现场的裂缝检查结果,这里只展示部分数据：

环号	裂缝长度/m	裂缝深度/m
			1	0.33	0.12
14	0.23	0.17
			45	0.81	0.1
53	0.22	0.1
			67	1.0	0.08
234	0.43	0.05
			244	1.19	0.12
……	……	……

在有限元模型中施加与上述裂缝检查断面一致的初始水土压力，然后线性增大顶底荷载进行计算，记录模拟产生的第j条裂缝的长度a_j和深度h_j，计算

l为模拟产生的裂缝数量，直至

m为实际的裂缝数量，a_k和h_k为实际检测的第k条裂缝的长度和深度，也就是上表中的数据。

有限元模拟得到的裂缝数据如下,这里只展示部分数据：

则此时隧道生成条裂缝释放的能量总和为

残余能量T′＝T-T₁＝6.387×10¹¹J<T′₀，因此裂缝不会进一步扩展，结构处于安全状态。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种盾构隧道服役性能快速诊断和发展趋势预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取盾构隧道沉降、断面收敛变形以及裂缝、剥落剥离监测数据；

建立隧道曲率半径、接缝张开和纵向螺栓应力之间的关系，从防水和差异沉降控制的角度确定纵向螺栓应力分级评价标准，基于获取的盾构隧道沉降监测数据，计算得到纵向螺栓应力，根据纵向螺栓应力所属的分级评价标准判断隧道纵向服役性能；

根据隧道承载变形关键节点对应的直径变形比确定隧道的直径变形比分级评价标准，基于获取的隧道断面收敛变形监测数据，计算隧道的直径变形比，根据隧道的直径变形比所属的分级评价标准判断隧道横向服役性能；

基于获取的隧道裂缝、剥落剥离监测数据，从能量的角度预测裂缝病害发展趋势。

2.如权利要求1所述的盾构隧道服役性能快速诊断和发展趋势预测方法，其特征在于，所述建立隧道曲率半径、接缝张开和纵向螺栓应力之间的关系，从防水和差异沉降控制的角度确定纵向螺栓应力分级评价标准，基于获取的盾构隧道沉降监测数据，计算得到纵向螺栓应力，根据纵向螺栓应力所属的分级评价标准判断隧道纵向服役性能，具体包括：

通过纵向等效刚度模型，得到隧道曲率半径、接缝张开量与纵向螺栓应力之间的换算关系；

根据隧道曲率半径、接缝张开量与纵向螺栓应力之间的换算关系，计算隧道曲率半径15000m、接缝张开量8mm对应的纵向螺栓应力，与螺栓屈服强度相比较，三个值中的较小者为A，则纵向螺栓应力一至五级的分级评价标准为[0,0.5A]、(0.5A,0.8A]、(0.8A,A]、(A,1.2A]、(1.2A,+∞)；

基于获取的盾构隧道沉降监测数据，计算隧道曲率半径，根据隧道曲率半径与纵向螺栓应力之间的换算关系，得到纵向螺栓应力，判断纵向螺栓应力所属的分级评价标准从而判断隧道的纵向服役性能。

3.如权利要求2所述的盾构隧道服役性能快速诊断和发展趋势预测方法，其特征在于，所述通过纵向等效刚度模型，得到隧道曲率半径、接缝张开量与纵向螺栓应力之间的换算关系，具体包括：

1)当螺栓在弹性范围内时：

接缝张开量为：

其中

隧道曲率半径为：

其中

上述二式中，M为隧道弯矩，

其中

为中性轴的角度，根据

计算得到，E_c为管片弹性模量，A_c为管片截面面积，I_c为管片惯性矩，l_s为管片纵向长度，N为纵向螺栓应力，K_j1＝nk_j1，k_j1为单个螺栓的弹性刚度，

E_j为单个螺栓的弹性模量，A、l为螺栓的截面积和长度。

2)最外侧螺栓进入塑性状态时：

接缝张开量为：

其中E₁为螺栓屈服应力，N₁为螺栓预应力，N_y为螺栓弹性极限内的最大应力，E_j为单个螺栓的弹性模量，l为螺栓的长度，α为单个螺栓弹性和塑性刚度比；

曲率半径为：

δ_y为螺栓弹性极限伸长量，

r为隧道内外半径的平均值；

和φ由以下两式联立求得：

其中，

4.如权利要求2所述的盾构隧道服役性能快速诊断和发展趋势预测方法，其特征在于，所述基于获取的盾构隧道沉降监测数据，计算隧道曲率半径，具体包括：

通过三点法，根据所求测点的沉降值以及其左右相邻两点的沉降值求得该测点的曲率半径，具体方法为，根据隧道全线的沉降值绘制里程-沉降曲线，所求测点B的坐标为(x₂,y₂),该测点左右相邻两点坐标为A(x₁,y₁)，C(x₃,y₃)，AC线段长度为

点B到直线AC的距离为

所求曲率半径为

5.如权利要求1所述的盾构隧道服役性能快速诊断和发展趋势预测方法，其特征在于，所述根据隧道承载变形关键节点对应的直径变形比确定隧道的直径变形比分级评价标准，基于获取的隧道断面收敛变形监测数据，计算隧道的直径变形比，根据隧道的直径变形比所属的分级评价标准判断隧道横向服役性能，具体包括：

采用数值仿真的方法，建立隧道断面收敛变形与隧道结构承载性能之间的关系模型，通过线性增大顶底荷载值，确定管片在初始埋深、混凝土达轴心抗压强度、接缝张开量达8mm、钢筋达屈服强度这四个关键节点对应的隧道断面直径变形比，分别为B1、B2、B3、B4，最终隧道的直径变形比一至五级的分级评价标准为[0,B1]、(B1,B2]、(B2,B3]、(B3,B4]、(B4,+∞)；

基于获取的隧道断面收敛变形监测数据，计算隧道横向变形、纵向变形中的较大者与隧道设计外径的比值作为隧道的直径变形比，判断隧道的直径变形比所属的分级评价标准从而判断隧道的横向服役性能。

6.如权利要求5所述的盾构隧道服役性能快速诊断和发展趋势预测方法，其特征在于，所述采用数值仿真的方法，建立隧道断面收敛变形与隧道结构承载性能之间的关系模型，具体包括：

首先根据隧道的实际尺寸，建立不少于5环管片组成的精细化隧道结构三维有限元模型，所述隧道结构包括管片、螺栓、钢筋、口型预制构件和车道板，管片采用实体单元模拟，混凝土采用塑性损伤本构模型；钢筋与接头螺栓采用杆单元模拟，螺栓选择弹塑性本构模型；管片之间设置摩擦接触，并通过螺栓连接；管片结构与地层的相关作用通过设置只受压不受拉的非线性弹簧模拟；初始荷载根据理论计算得到的土压力施加，取中间管片进行结果整理、分析。

7.如权利要求1所述的盾构隧道服役性能快速诊断和发展趋势预测方法，其特征在于，所述基于获取的隧道裂缝、剥落剥离监测数据，从能量的角度预测裂缝病害发展趋势，具体包括：

通过建立与实际隧道一致的能量存储和释放的有限元模型，计算隧道整体所吸收的能量T，以及隧道产生裂缝、剥落剥离释放的能量T₁；从而计算残余能量T′＝T-T₁，判断残余能量是否超过开裂临界能量T′₀，如超过，则裂缝会进一步扩展。

8.如权利要求7所述的盾构隧道服役性能快速诊断和发展趋势预测方法，其特征在于，所述计算隧道整体所吸收的能量的方法如下T的方法如下：

利用与实际隧道一致的能量存储和释放的有限元模型，在施加初始水土压力的基础上继续增大荷载，直至产生与实际隧道相同的收敛变形为止，认为此时模型中隧道和螺栓积聚的能量保持一致，得到隧道内部混凝土及钢筋、螺栓积分单元的应力和相应的位移，通过将积分单元的应力、位移及单元面积的乘积累加即求得隧道整体所吸收的能量，即

其中n为积分单元数量，i代表第i个积分单元，j＝1，2，3，代表发生位移的x、y、z三个方向。

9.如权利要求7所述的盾构隧道服役性能快速诊断和发展趋势预测方法，其特征在于，所述计算隧道产生裂缝、剥落剥离释放的能量T₁的方法如下：

在隧道运营过程中，记录隧道产生裂缝的里程位置、数量、长度、深度和环向分布的位置，并将检测结果中出现裂缝的区域的单元设置为具有扩展有限元性质的富集单元，在与实际隧道一致的能量存储和释放的有限元模型中同样施加初始水土压力，然后线性增大顶底荷载进行计算，记录模拟产生的第j条裂缝的长度a_j和深度h_j，计算

l为模拟产生的裂缝数量，直至

m为实际的裂缝数量，a_k和h_k为实际检测的第k条裂缝的长度和深度，认为此时有限元模型模拟的隧道裂缝尖端能量释放和实际隧道保持一致；找出随着荷载增大，第j条裂缝的尖端能量释放率与裂缝长度对应点(aj，Gj)，并拟合成曲线G_j＝g_j(a_j)，则第j条裂缝扩展释放的能量e_j＝h_j·∫g_j(a_j)da，则此时隧道产生裂缝、剥落剥离释放的能量总和为

l为模拟产生的裂缝数量。

10.如权利要求7所述的盾构隧道服役性能快速诊断和发展趋势预测方法，其特征在于，所述开裂临界能量T′₀的计算方法如下：

利用与实际隧道一致的能量存储和释放的有限元模型，在施加初始水土压力的基础上继续增大荷载，隧道的混凝土达到轴心抗压强度为止，认为此结构积聚的能量将引起裂缝扩展；将该时刻下隧道内部混凝土及钢筋、螺栓积分单元的应力和相应的位移，乘积累加即求得隧道结构所积聚的临界能量，即

其中n为积分单元数量，i代表第i个积分单元，j＝1，2，3，代表发生位移的x、y、z三个方向。

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