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既有盾构隧道结构性能评价研究

刘涛  
【摘要】: 随服役年限的增加,我国大量已投入运营的既有城市盾构隧道结构面临不同程度的损伤和老化,面对由全面建设阶段向维护阶段的过渡,如何保证既有城市盾构隧道结构安全性和耐久性,如何提高既有隧道结构的适用性和可维护性,如何有效的延长既有隧道结构的服役寿命已成为当前的研究热点。因此,急需对既有盾构隧道结构性能的评价方法进行研究,做到早发现,勤维护,防患于未然。 论文以国家自然科学基金“地下混凝土衬砌结构的耐久性与使用寿命”(批准号50678135/2007)、国家科技支撑计划“城市地下空间建造技术研究”(项目编号2006BAJ27802-02)、国家高技术研究发展计划(863计划)“超大特长越江盾构隧道建设核心技术研究”子课题“隧道结构的耐久性、可靠性研究”(项目编号2006AA11Z118)为依托。首先提出了既有盾构隧道结构性能评价的指标体系及其获取方法,而后分别给出了盾构隧道结构的横向和纵向状态的解析表述方式,并以此为基础提出了基于优化反演分析的既有盾构隧道结构损伤参数的识别方法,同时对我国第一条越江盾构隧道结构的纵向变形特性进行了分析,最后提出了考虑毛细作用、渗透作用、扩散作用、蒸发作用和管片螺栓电化学腐蚀的隧道衬砌结构耐久性退化模型,同时提出了基于Bayesian条件概率和检测数据的耐久性模型修正方法,并采用可靠度理论和Markov链方法着重对由碳化和氯离子侵蚀导致退化的既有隧道结构的剩余寿命和服役性能进行了评价。论文主要研究内容及成果如下: 1、论文讨论了既有城市盾构隧道结构评价体系的构成及相应的工作流程。既有盾构隧道结构的服役性能包括结构的安全性和结构的耐久性两个方面,评价指标体系包括整体性能的评价指标、安全性能评价指标和耐久性能评价指标。 2、提出了结合初步调查,相关规范标准及计算分析制定了较为合理的从关键断面到断面内具体检测部位的检测方案。将隧道结构的检测分为常规检测和附加检测,在每个检测周期中,整个隧道结构应完全被检测到,包括检测方案规定的全部检测项目和测点,同时根据结构重分析结果选择附加测点。检测的频率可根据结构失效概率控制。 3、利用考虑隧道结构抗弯刚度、纵向接头和土体弹性抗力的解析模型,分别从隧道结构断面变形观测和隧道结构内力观测出发,通过优化反演分析识别隧道衬砌混凝土的弹性模量和纵向接头的转动刚度。 4、给出考虑错缝拼装的隧道衬砌环纵横向相互作用及弹性土体抗力作用的隧道结构纵向性能表述方法,并对我国第一条越江隧道结构的长期纵向变形行为进行系统分析。 5、探讨了考虑有害物质在混凝土衬砌中迁移的毛细作用、渗透作用、扩散作用、蒸发作用和管片螺栓电化学腐蚀的隧道衬砌结构耐久性退化模型。并基于Bayesian条件概率方法,将隧道结构检测获得的额外信息作为一个条件约束对隧道结构的耐久性理论模型进行修正。 6、按初始阶段和扩展阶段分别给出了既有隧道结构耐久性能的限定状态方程,初始阶段的碳化作用是以碳化深度达到混凝土保护层厚度为限定状态,氯离子侵蚀是以保护层厚度处氯离子浓度达到引起钢筋脱钝的临界氯离子浓度为限定状态,螺栓锈蚀以锈蚀引起的螺栓截面损失达到螺栓失效的临界力学限定状态作为其限定状态。扩展阶段考虑混凝土开裂和钢筋锈蚀失稳前后两个过程,分别以混凝土出现宏观裂缝和钢筋截面损失达到临界值为限定状态。 7、通过引入随机Markov链模型,结合定义的隧道结构服役寿命条件状态,分别给出了既有隧道结构性能退化过程和隧道结构维护修复行为的Markov转移概率矩阵和相应的条件状态预测评价方法。


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