既有盾构隧道结构性能评价研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 隧道结构的损伤模型
• 1.1.1 隧道结构宏观力学模型
• 1.1.2 隧道结构耐久性微观模型
• 1.2 隧道结构服役性能评估研究现状
• 1.2.1 隧道结构服役性能概念
• 1.2.2 隧道结构性能评估方法研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 1.3.1 论文选题
• 1.3.2 研究方法和技术路线
• 1.3.3 主要研究内容和创新点
• 第2章 既有隧道结构服役性能检测
• 2.1 隧道结构服役性能评估的指标体系
• 2.1.1 隧道结构的整体性评价指标
• 2.1.2 隧道结构安全性评价指标
• 2.1.3 隧道结构的耐久性评价指标
• 2.2 隧道结构服役性能评估的检测方案
• 2.2.1 检测方案的制定方法
• 2.2.2 检测频率的确定
• 2.2.3 隧道结构评估的检测方案
• 2.3 既有隧道结构服役性能检测实例
• 2.3.1 隧道结构的整体性检测
• 2.3.2 隧道结构安全性检测
• 2.3.3 隧道结构耐久性检测
• 2.4 本章小结
• 第3章 隧道结构横向性能的状态表述
• 3.1 圆形盾构隧道横向结构模型简化
• 3.1.1 圆形盾构隧道结构简化假定
• 3.1.2 求解策略
• 3.1.3 水/土荷载的作用模式
• 3.2 圆形盾构隧道的单环模型
• 3.2.1 弹性土体介子中的均质圆环
• 3.2.2 考虑纵向接头的圆环模型
• 3.2.3 综合考虑抗弯刚度，纵向接头和土体抗力的圆环模型
• 3.3 圆形盾构隧道结构的宏观损伤模型
• 3.4 圆形盾构隧道结构的内力和变形
• 3.4.1 内力的解析表达式
• 3.4.2 位移的解析表达式
• 3.5 隧道结构损伤识别方法
• 3.5.1 隧道结构位移的观测
• 3.5.2 隧道结构内力的观测
• 3.5.3 隧道结构损伤状态的实时分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 隧道结构纵向性能的状态表述
• 4.1 圆形盾构隧道纵向结构模型简化
• 4.1.1 圆形盾构隧道纵向结构简化假定
• 4.1.2 求解策略
• 4.2 圆形盾构隧道的纵向双环模型
• 4.2.1 相邻衬砌环之间的相互作用
• 4.2.2 双环与弹性土体介质的作用
• 4.2.3 总结
• 4.3 运营圆形隧道的长期纵向变形
• 4.3.1 影响运营圆形隧道长期纵向变形的因素
• 4.3.2 运营圆形隧道结构纵向变形的长期观测
• 4.4 本章小结
• 第5章 隧道结构耐久性性能退化机理
• 5.1 碳化作用机理
• 5.1.1 半概率模型
• 5.1.2 全概率模型
• 5.1.3 碳化作用模型的不足
• 5.2 氯离子作用机理
• 5.2.1 氯离子侵蚀的基本原理型
• 5.2.2 半概率模型
• 5.2.3 全概率模型
• 5.2.4 氯离子作用模型的不足
• 5.3 钢筋或螺栓锈蚀发展模型
• 5.4 本章小结
• 第6章 隧道结构的耐久性退化模型
• 6.1 隧道结构的耐久性退化模型
• 6.1.1 隧道衬砌混凝土的退化模型
• 6.1.2 管片螺栓锈蚀后的结构行为
• 6.2 隧道结构的耐久性极限状态
• 6.2.1 钢筋混凝土结构极限状态
• 6.2.2 管片螺栓极限状态
• 6.3 基于检测数据的Bayesian模型修正
• 6.3.1 Bayesian方法的基本原理
• 6.3.2 Bayesian方法在耐久性模型修正中的应用
• 6.4 本章小结
• 第7章 既有隧道剩余服役寿命的可靠性分析
• 7.1 可靠度基本理论
• 7.1.1 可靠度理论
• 7.1.2 可靠度计算方法
• 7.2 基于可靠度的服役性能限定状态模型
• 7.2.1 初始阶段模型
• 7.2.2 扩展阶段模型
• 7.3 隧道结构剩余服役寿命评价
• 7.3.1 碳化导致的剩余寿命评价
• 7.3.2 氯离子导致的剩余寿命评价
• 7.3.3 螺栓锈蚀寿命预评价
• 7.4 本章小结
• 第8章 基于Markov链的既有隧道结构服役性能评价
• 8.1 Markov过程的数学基础
• 8.2 结构评价的Markov链方法
• 8.2.1 结构退化行为的Markov链过程
• 8.2.2 结构MR&R行为的Markov链过程
• 8.3 转移概率矩阵的确定
• 8.3.1 已知平均退化曲线的优化方法
• 8.3.2 已知服役寿命概率函数的优化方法
• 8.3.3 退化曲线到转移概率矩阵的自动转换
• 8.4 基于Markov链的结构连续退化过程模型
• 8.4.1 初始状态分类的联合
• 8.4.2 退化转移矩阵的联合
• 8.5 Markov链的应用实例
• 8.6 本章小结
• 第9章 结论与展望
• 9.1 结论
• 9.2 需进一步进行的工作
• 致谢
• 参考文献
• 在读期间发表的学术论文与研究成果