海底隧道维修养护若干问题的研究

论文摘要

厦门海底隧道是国内修建的第一座海底隧道,与一般山岭隧道相比,在隧道所处地质环境、荷载模式及设计理念等方面具有与一般隧道不尽相同的关键技术问题。海底隧道的这些特殊性也给运营后的维修养护工作带来了新的问题,而这些问题在一般的隧道维修养护中通常不另作专门的考虑。鉴于此,论文结合厦门翔安海底隧道的工程设计、施工实践,围绕海底隧道维修养护中检查方法、检测技术、海底隧道病害分级量化指标确定、海底隧道净空位移管理基准以及海底隧道长期监测系统等方面进行了较深入系统的分析研究,论文中的一些研究在国内尚属首次,其结论可直接服务于厦门海底隧道的维修养护工作,同时也可以供国内其它海底隧道进行借鉴。本论文的主要研究工作主要体现在以下几个方面:1.参考一般公路隧道建立了海底隧道衬砌变异检查体系,确定了海底隧道衬砌变异的检查内容。论文调研了世界各国隧道的检查方法、频率及采用的检测技术,通过综合类比分析确定了适合海底隧道的四种无损检测技术分别为:地质雷达法、红外线温度记录法、多光谱分析以及超声波法。2.采用三维有限元模拟手段,研究了海底隧道存在衬砌背后空洞及衬砌厚度不足时的变异特征。根据变异对结构内力及衬砌裂缝分布造成的影响程度,对海底隧道陆域及海域段衬砌背后空洞及衬砌厚度不足两种病害给出了量化的判定标准,从而为海底隧道维修养护的病害分级提供了明确的指标。3.基于广义开尔文本构模型的状态方程,考虑隧道开挖的空间效应和围岩流变的时间效应,推导了以时间为变量的隧道二次衬砌位移解析表达式。根据厦门海底隧道120个断面的监测数据,应用推导的解析式对海底隧道二次衬砌由于围岩流变而产生的位移进行了预测分析。4.根据预测分析得出海底隧道二次衬砌位移异常区段,并据此给出建议的位移监测断面和监测内容。采用有限差分程序,应用粘弹塑性本构模型描述围岩流变特性,对海底隧道的上述断面进行了流变数值分析,得出了典型断面衬砌位移—时间关系曲线。根据理论预测及数值计算结果,确定了典型监测断面的净空位移管理基准值,为海底隧道长期监测净空位移管理提供了理论依据。5.基于国内外50余座隧道衬砌开裂情况的统计分析结果,提出了海底隧道的主裂区将是拱项,其次是拱腰和边墙。应用断裂力学理论,采用二维有限元手段,对不同位置、不同宽度、不同深度的衬砌径向裂缝的应力强度因子进行了计算分析,根据裂缝稳定性得出了不同位置衬砌裂缝允许开裂深度比,从而为裂损海底隧道衬砌的安全性评价提供了量化指标。6.建立了一套完善的海底隧道长期监测系统,该系统首先对振弦式传感器及光纤光栅传感器独立组网,然后通过传输光缆将数据传输至海底隧道中央控制室,从而实现了对长期监测数据的远程集中自动化采集。根据长期监测数据特点,应用人工神经网络理论及概率论建立了基于BP网络的海底隧道长期监测安全评估模型,该模型可实现根据监测数据对海底隧道运营状态进行安全评估。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 依托工程背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 隧道维修养护标准
• 1.2.2 隧道变异的数值模拟
• 1.2.3 隧道围岩支护时效性
• 1.2.4 隧道病害诊断及监测系统
• 1.2.5 海底隧道研究及维修养护
• 1.3 论文研究的主要内容
• 1.4 研究方法和技术路线
• 1.4.1 研究方法
• 1.4.2 技术路线
• 第2章 海底隧道衬砌结构变异检测技术研究
• 2.1 海底隧道衬砌结构检查体系
• 2.1.1 初次检查
• 2.1.2 定期检查
• 2.1.3 临时检查
• 2.1.4 专项检查
• 2.2 海底隧道衬砌结构变异内容
• 2.2.1 海底隧道衬砌变异分类
• 2.2.2 海底隧道衬砌变异发展性
• 2.3 世界各国隧道检测方法调研
• 2.3.1 隧道检测频率及方法
• 2.3.2 隧道无损检测技术介绍
• 2.4 海底隧道检查方法及频率
• 2.4.1 海底隧道检测方法
• 2.4.2 海底隧道检查频率
• 2.5 本章小结
• 第3章 海底隧道施工缺陷对衬砌安全性影响
• 3.1 模型及边界条件
• 3.1.1 单元类型选择
• 3.1.2 混凝土本构关系
• 3.1.3 模型及边界条件
• 3.2 荷载的计算方法
• 3.2.1 围岩压力的计算
• 3.2.2 水压力的计算
• 3.2.3 围岩荷载分担比例
• 3.3 计算参数及设计图
• 3.4 衬砌背后空洞对安性影响
• 3.4.1 衬砌背后空洞诱发因素
• 3.4.2 衬砌背后空洞计算工况
• 3.4.3 衬砌背后空洞计算结果及分析
• 3.5 衬砌厚度不足对安全性影响
• 3.5.1 衬砌厚度不足诱发因素
• 3.5.2 衬砌厚度不足计算工况
• 3.5.3 衬砌厚度不足计算结果及分析
• 3.6 本章小节
• 第4章 海底隧道衬砌位移管理基准研究
• 4.1 衬砌时效性位移的理论推导
• 4.2 海底隧道二次衬砌位移预测
• 4.2.1 围岩初始地应力
• 4.2.2 围岩及衬砌力学参数
• 4.2.3 二次衬砌位移预测值
• 4.3 海底隧道时效位移数值分析
• 4.3.1 计算采用的本构模型
• 4.3.2 模型边界及计算域
• 4.3.3 地层及支护参数
• 4.3.4 数值模型的建立
• 4.3.5 计算结果及分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 海底隧道衬砌结构裂缝管理基准研究
• 5.1 既有隧道衬砌裂缝分析
• 5.2 衬砌裂缝稳定性分析方法
• 5.2.1 断裂力学基本理论
• 5.2.2 裂缝三种基本形式
• 5.2.3 裂缝尖端的应力解
• 5.2.4 断裂韧度与断裂准则
• 5.3 衬砌裂缝断裂参数计算方法
• Ⅰ'>5.3.1 有限元法求K_Ⅰ
• Ⅰ、K_Ⅱ'>5.3.2 有限元法求K_Ⅰ、K_Ⅱ
• 5.3.3 简单试件的验证
• 5.4 海底隧道衬砌裂缝参数计算
• 5.4.1 计算模型及荷载
• 5.4.2 计算工况及参数
• 5.4.3 裂缝类型及判据
• 5.4.4 计算结果及分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 海底隧道衬砌结构长期监测技术研究
• 6.1 海底隧道长期监测系统设计
• 6.1.1 长期监测断面布置
• 6.1.2 各个断面监测内容
• 6.1.3 长期监测测点布置
• 6.1.4 长期监测主要仪器
• 6.1.5 长期监测系统组网
• 6.2 海底隧道监测数据采集设计
• 6.2.1 数据采集系统设计
• 6.2.2 施工阶段数据采集系统
• 6.2.3 运营阶段数据采集系统
• 6.3 长期监测系统目前实施情况
• 6.3.1 断面仪器安装情况
• 6.3.2 施工阶段数据采集
• 6.4 海底隧道长期监测的安全评估
• 6.4.1 人工神经网络理论
• 6.4.2 基于BP网络的评估模型
• 6.4.3 基于监测数据的安全评估
• 6.5 本章小结
• 结论
• （一） 本文主要结论
• （二） 需进一步研究的内容
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士期间参加科研情况
• 攻读博士学位期间科研项目鉴定及获奖情况
• 附录一 厦门翔安海底隧道位移监测数据
• 附录二 既有隧道衬砌裂缝调研汇总