基于可拓学理论的带裂缝隧道衬砌可靠性评价

为解决带裂缝隧道衬砌可靠性评价中多指标融合的难题,文章基于可拓学理论方法,利用物元模型理论建立了带裂缝隧道衬砌可靠性评价的物元模型,并利用关联函数建立了物元与可靠性等级之间的关联性,结合北茹隧道衬砌裂缝病害调查成果,对其进行可靠性评价。研究结果表明:利用可拓学理论对带裂缝隧道衬砌可靠性进行评价,可综合考虑裂缝的多个指标,使其评价结果更加科学合理;用无量纲参数来表示裂缝的几何形态,是合理可行的。研究结果可为隧道长期健康服役和病害处治提供理论依据与技术指导。     

隧道衬砌结构裂损机理及定量评估

隧道衬砌裂损影响衬砌结构的整体稳定性,并易引起渗漏水病害、基床病害和复合型病害等隧道病害,降低衬砌结构的耐久性和安全性.基于衬砌裂损的力学机理分析,将隧道衬砌混凝土裂缝发展过程分为6个阶段,给出每个阶段的状态描述,并针对引起衬砌裂损的隧道衬砌厚度不足及衬砌背后空洞两个影响因素进行深入研究,分别利用隧道衬砌的拉、剪应力集中系数进行计算,明确不同围岩条件下隧道衬砌厚度不足或衬砌背后空洞等因素与衬砌内部应力集中程度之间的内在联系,为进一步建立依据隧道衬砌检测结果进行隧道衬砌状态评估的评估体系提供了量化基础.     

基于可拓学理论的盾构隧道结构健康诊断方法

针对目前世界最大直径的长距离盾构隧道,基于可拓学理论的物元可拓性和菱形思维方法,将研究对象、评判指标和指标特征值结合成为物元,通过物元表述关系式建立隧道健康诊断的物元模型,确立健康诊断指标体系和指标评判基准,提出了基于熵和乘积标度的融合赋权方法,并依据非对称贴近度原则进行了上海长江隧道(崇明越江通道)健康诊断的研究工作,同时也给出了可拓学健康诊断方法的具体实现步骤.研究结果表明:隧道健康诊断的可拓学法能全面系统地反映隧道结构的整体健康状态,且健康诊断结果可靠合理,其作为新的健康诊断思路和方法可为隧道长期健康服役和及时合理的养护维修提供科学的理论支撑与技术指导.     

基于图像结构信息的隧道衬砌裂缝实时快速识别

裂缝是隧道衬砌最常见的病害之一,裂缝检测是后期隧道养护的前提。在图像采集过程中对隧道衬砌裂缝进行实时快速识别,对提高隧道病害检测效率具有重要的意义。针对传统的裂缝图像识别方法存在运行速度慢、效率低等缺点,提出基于图像结构信息的隧道衬砌裂缝实时快速识别方法。首先将图像结构信息用图像像素的灰度均值、标准差和结构元素掩码表示,随后采用不同方向的结构元素掩码对采集的当前图像进行卷积运算,并计算当前图像与样本图像之间的亮度信息和对比度信息,最后计算图像结构信息因子,可实时快速识别出衬砌裂缝,并通过接受者操作特征曲线估计最优参数和最佳阈值。现场实验结果表明,算法的识别时间远小于图像的采集和存储时间,识别速度快且准确性高,可显著提高隧道衬砌病害的检测效率,具有一定的工程应用价值。     

基于最大熵原理与最优化方法的隧道衬砌结构可靠度分析

针对隧道衬砌结构参数的随机性、分布的多样性与极限状态功能函数高度非线性的特征,运用最大熵原理对隧道衬砌结构参数进行估计,得到符合实际的参数估计值;然后,根据隧道衬砌结构稳定的极限状态方程,从结构可靠度指标的几何涵义出发,建立其可靠度指标计算的优化数学模型,并运用Microsoft Excel工作表中的规划求解功能得到其可靠度指标.结合工程实际,给出具体算例,且指出提高隧道衬砌结构可靠度的途径.研究结果表明:该方法用于计算工程结构可靠度指标无需将状态函数线性化,不受基本变量维数限制,收敛速度快,计算效率高,且与蒙特卡罗100万次直接抽样法计算结果相比,具有很高的精度,能广泛适用于隧道及地下工程领域的可靠度计算和分析.     

地质雷达在隧道健康诊断中的应用

为了诊断运营隧道病害的程度，评价隧道的安全状况，分析了造成隧道衬砌背部存在缺陷的原因。阐述了采用地质雷达对隧道衬砌质量进行无损检测的原理及方法，井对某公路隧道进行了健康诊断。地质雷达探测结果表明：隧道衬砌背后出现的空洞都是孤立的，拱顶和拱腰的空洞总长占隧道总长的9％，隧道除拱顶衬砌厚度有4％小于设计值外，其余各部位衬砌厚度均大于设计值。对地质雷达探测结果采用钻孔法进行验证，其结果相吻合。利用检测结果评价该隧道衬砌结构安全等级，结果为B级。     

运营隧道衬砌结构技术状况的评定方法研究

运营隧道衬砌结构技术状况的优劣直接关系到隧道内行车和行人安全,如何对运营隧道衬砌结构技术状况进行合理评定成为人们所关注的重点.针对目前隧道工程界已有的隧道衬砌结构技术状况评定方法存在的不足,首先提出了"隧道健康度"和"隧道健康度函数"的基本概念,将检测隧道划分为若干评定单元,然后将检测数据分配于各评定单元之上,并通过隧道健康度函数,建立了隧道现场检测数据和评定结果之间的一一对应关系,建立了一种基于现场检测数据的隧道衬砌结构技术状况分段式量化评定方法,并通过工程实例验证了该评定方法的有效性.     

围岩空洞分布对隧道衬砌结构力学性能影响研究

既有调研表明相当比例隧道存在超挖且回填不密实、空洞缺陷等质量问题.隧道围岩空洞易引起衬砌结构出现变形开裂等损伤,需要深入研究围岩空洞病害对隧道结构的影响机制.采用有限元数值模拟,分析隧道围岩空洞位置变化对隧道结构力学状态影响,进而评价存在围岩空洞的隧道结构安全性,得到结果:无围岩空洞情形的衬砌结构均处于受压状态,存在围岩空洞情形衬砌结构的空洞处截面出现拉应力,致使衬砌结构出现损伤;围岩空洞位于左右拱肩情形对隧道结构破坏作用大于空洞位于拱顶及拱肩情形,且两种情形衬砌出现最大拉应力位置均存在空洞,表明围岩空洞对隧道衬砌结构力学性能存在较大影响.     

浅埋隧道岩土体参数正交反演及衬砌工作状态评价

基于现场监控量测数据、正交设计理论、有限元理论和钢筋混凝土结构相关理论,提出合理评价隧道衬砌工作状态的新思路。即以拱项下沉和洞周收敛监测数据为依据,选取典型围岩物理力学参数,设计正交试验方案,采用有限元正交反演分析,得到岩土体计算参数;在此基础上通过有限元正分析,计算隧道衬砌内力,综合确定最危险截面;再根据钢筋混凝土结构理论计算衬砌的设计内力,提出采用衬砌结构安全度来评价隧道衬砌的安全状态,并将其工作状态分为安全、极限和危险3个状态。最后,以马鞍山隧道工程为例,对其衬砌结构的工作状态进行评价,得到其安全度为1.124,基本处于安全可靠状态,可为相关隧道的设计和施工提供借鉴和参考。     

基于云理论的隧道结构健康诊断方法

隧道健康状态诊断过程作为一个模糊系统,具有随机性和模糊性的特点.传统的隧道结构健康诊断方法无法妥善地将系统的模糊性和随机性关联在一起.基于此,针对隧道结构健康状态诊断系统的模糊性和随机性特点,提出了基于云理论的隧道结构健康状态诊断方法.首先,建立反映隧道结构健康状况等级评语集的正态云模型.然后,依据逆向云发生器原理,将隧道结构健康状态指标的监测数据的归一化结果值转化为隶属度云模型.将健康状态指标的重要性语言值转化为权重云,用于表征各健康状态指标的重要程度.最后,运用云理论的计算方法对隧道结构健康状态等级进行诊断,得到健康状态等级诊断结果的云模型.应用云模型的改进方法,对某市地铁2号线盾构隧道结构健康状态进行了诊断,极大提高了诊断结果的可视化和鲁棒性.     

石膏围岩隧道衬砌结构破坏模式及时变可靠度模型

石膏围岩具有很强的膨胀性和腐蚀性,在隧道全寿命周期内均会引起衬砌结构自身强度劣化及受力增加,严重影响隧道二次衬砌结构可靠性.针对石膏围岩膨胀特性和腐蚀性对隧道二次衬砌结构的影响分别建立了二次衬砌结构膨胀破坏模式和腐蚀破坏模式;考虑石膏围岩膨胀性和腐蚀性对隧道衬砌结构的综合影响,建立了石膏围岩隧道二次衬砌结构综合破坏模式;基于结构体功能函数,推导出能够初步考虑围岩膨胀性和腐蚀性的隧道衬砌结构可靠度指标计算公式;并分别建立了三种破坏模式下的时变可靠度分析模型.采用石膏围岩隧道衬砌结构综合破坏模式下的时变可靠度模型对礼让隧道进行了分析,得到其在使用寿命100 a内的可靠度指标变化规律.根据计算结果可以优化石膏围岩隧道衬砌结构的抗腐蚀、抗膨胀和支护结构设计参数,并对石膏围岩隧道使用寿命周期内的合理维护及维修提供依据.研究成果可推广应用于隧道衬砌结构的可靠度研究中.     

衬砌背后矩形空洞对隧道初支应力分析

在新奥法隧道施工过程中,岩石隧道光面爆破效果不够理想,衬砌背后存在空洞的现象愈加普遍。结合工程实例,采用数值模拟手段进行三维弹塑性分析,探讨在隧道衬砌背后存在矩形空洞时,不同尺寸条件下初支的应力分布变化情况。通过引入有限元强度折减法计算存在空洞时隧道结构的整体安全系数并与健康隧道的安全系数进行对比,对初期支护的拉应力、压应力与相应的安全系数进行线性回归,综合评价隧道结构的稳定性。     

钢筋锈蚀作用下盾构隧道结构损伤劣化性能

在长期的水土荷载和侵蚀性物质联合作用下,盾构隧道钢筋混凝土衬砌结构会经历腐蚀-损伤-劣化过程而逐渐失效,导致服役性能大幅降低。本文引入内聚力模型（CZM）及混凝土塑性损伤模型（CDP）,建立考虑钢筋混凝土间粘结滑移的盾构隧道衬砌锈蚀三维数值模型。综合考虑钢筋锈蚀引起的自身力学劣化、混凝土有效截面损失及钢筋混凝土粘结性能退化等因素,分析了围岩水土荷载和钢筋锈蚀耦合作用下衬砌结构形变、损伤演变规律和整体结构劣化特征。研究表明：1）锈蚀作用导致衬砌结构刚度降低,大大加深了衬砌结构的变形程度。锈蚀造成衬砌结构不同部位的刚度损失不同,反映了锈蚀作用下衬砌结构损伤的差异性。2）衬砌结构的围岩侧与临空侧损伤差异较大。相同锈蚀率下,衬砌受压侧受到挤压作用,限制裂缝的发展,导致受压侧损伤很小。3）在锈蚀过程中隧道衬砌结构拱顶弯矩不断减小,拱顶损伤不断加深,损伤区域逐渐扩展,截面刚度损伤最显著。4）衬砌结构自身性能不断劣化,出现内力重分布。衬砌结构的裂缝多出现在围岩侧。研究成果可为隧道衬砌结构服役性能的评估提供参考。     

运营越江隧道服役现状调查与检测评估

既有打浦路隧道在运营36年后,隧道结构目前正处于严重的老化阶段,由于隧道衬砌结构的混凝土劣化,接缝材料老化,钢筋和螺栓锈蚀,渗漏水以及隧道纵横向差异变形等已非常严重,对隧道的安全运营造成了严重隐患.基于此需要对隧道结构进行一次全面地检测与评估.从隧道结构服役性能出发,对既有打浦路隧道的历史资料及现状进行了较为详细的调查,给出了隧道结构的主要损伤因素,并制定了详细的隧道结构检测方案,包括检测的内容、数量、具体要求、检测方法等.通过对既有隧道渗漏状况以及隧道纵向的长期沉降情况的初步检测,发现对于直径10m左右的软土盾构隧道,纵向变形曲率半径小于35～40 km时产生的差异变形,易导致衬砌环向接头的张开度增大,引起渗漏,同时渗漏又导致隧道继续产生纵向不均匀变形,二者相互影响.最后给出了用于既有隧道结构损伤评估的宏观安全性模型和微观耐久性模型.     

考虑复合衬砌层间接触效应的衬砌结构力学特征

为了研究防水板对复合式衬砌结构力学特征的影响机制,以实际工程为依托,采用FLAC^3D有限差分软件内置的Interface接触面单元模拟防水板引起的层间接触效应,建立数值仿真模型并与荷载结构模型进行对比,分析了二衬在不同排水率下的内力及形变特征,并探究了二衬各设计因素对其安全性的影响规律。结果表明：在初支与二衬间设置接触面单元来模拟防水板引起层间接触作用的地层结构模型可靠性较高;防水板的存在导致初支与二衬无法协同受力,复合衬砌层间出现应力突变现象,二衬具有挤压或脱离初支的形变特征,且受挤压部位的层间界面将产生错动滑移;依托隧道断面最小安全排水率为0.66,隧道排水率低于0.8时衬砌最不利截面均位于拱脚附近;相比于增大二衬厚度或混凝土强度等级,优化衬砌结构断面形状更能提高其水压承载能力,且优化衬砌断面形状后的二衬通过增大厚度或混凝土强度来提高其水压承载能力的效果高于优化前。     

双层衬砌输水盾构隧道鲁棒性设计方法

双层衬砌输水盾构隧道设计需要考虑其施工过程及受力特性,同时地层的不确定性也影响结构的安全性能. 为此结合双层衬砌输水隧道的受力特点,基于极限状态设计原则,采用两阶段法分别计算外衬单独承担外压及内外衬共同承担内外压两种受力状态,对截面受力、收敛变形及最大裂缝宽度均加以安全性约束,建立了双层衬砌输水盾构隧道横断面鲁棒性设计方法及流程,并结合实际工程案例进行了结构设计参数的优化. 研究表明：鲁棒性设计方法综合考虑隧道建设成本及结构对外部参数变异的敏感性,引入约束多目标优化算法可以获取完整三维Pareto前沿面. 采用赋权重的方法统一两种极限状态下的鲁棒性指标,可以实现成本-鲁棒性的二维优化 . 通过将隧道分段并提取典型断面优化的方式可有效解决纵向不同区段参数变异性较大的问题,保证掘进中的参数统一及隧道安全.     

隧道二次衬砌可靠性的仿真模拟分析

由于隧道的开挖施工,使得围岩受到扰动。为了确保隧道结构体的安全性,因此需要施工衬砌,亦即衬砌,亦即一定厚度的混凝土。然而衬砌的参数往往都是通过工程类比法来确定的,很难根据具体的工程条件得出相应的合理衬砌参数,这就使得衬砌的可靠性缺乏理论依据。借助弹塑性理论,将衬砌简化成厚壁圆筒,进行可靠性试算分析;同时结合数值方法对衬砌进行仿真模拟分析,最终确定合理的衬砌参数。