一种地铁错缝盾构隧道的结构安全评估方法

1.本发明涉及隧道结构安全评估技术领域，尤其是涉及一种地铁错缝盾构隧道的结构安全评估方法。


背景技术：

2.国内地铁隧道施工期间普遍没有预埋压力传感器和螺栓应变计，目前最常用于运营地铁隧道结构健康诊断的数据有纵向不均匀沉降人工监测值、环向收敛人工监测值、和局部的裂缝和渗漏水情况等实测数据。因此目前的结构安全评判方法多基于监测数据、现场发现的结构病害等，结合相关专家的经验而作出结构安全状态的判断，较少有成文规定的结构安全评判依据。为方便对结构安全进行评价需要提供一种新型的结构安全评估方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种地铁错缝盾构隧道的结构安全评估方法，鉴于实际工程问题的复杂因素，在结构安全评估分析当中外荷载的大小很难确定，因此提出以实际监测数据中的隧道竖向、横向变形收敛以及计算椭圆度为目标值，在保证隧道结构合理的受荷状态下分析特定椭圆度下的隧道结构安全情况。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
5.一种地铁错缝盾构隧道的结构安全评估方法，包括以下步骤：
6.步骤1：建立安全评估参考标准：
7.1)利用grp5000移动式激光扫描测量系统对指定区段隧道的关键节点进行连续扫描，获得指定区段隧道内隧道椭圆度、衬砌/地铁管片表面宽度大于1mm裂缝及掉块、渗水的位置、总体数量、平面分布，其中关键节点包括隧道未受干扰且处于稳定状态时、隧道受外部干扰产生较大荷载导致变形时、对使得隧道产生较大变形的外部干扰进行排查后、对外部干扰进行排查后再次对隧道健康状态进行确认时；
8.2)利用通用有限元分析软件midas fea/nx建立错缝盾构隧道三维有限元模型，分析不同的承载特点对管片承载能力的影响，确定管片承载能力的影响因素：
9.不同的承载特点包括封顶块位置、荷载加载模式、管片混凝土等级、螺栓等级、预制管片配筋率和地层抗力系数取值，分别将上述不同的承载特点作为变量利用错缝盾构隧道三维有限元模型分析隧道单环结构的变形特征、损伤特征或其他钢构件的承载变化趋势后，筛选得到管片承载能力的影响因素为地层抗力系数取值；
10.3)确定基于椭圆度标准的错缝盾构隧道结构横向变形安全预警值与控制值：利用错缝盾构隧道三维有限元模型得到各不同地层抗力系数取值时椭圆度随荷载变化曲线，根据椭圆度随荷载变化曲线得到各地层抗力系数下出现结构明显屈服现象的椭圆度数值，并以此椭圆度数值作为作为控制值值阈值，以此椭圆度减去5
‰
作为预警值阈值，控制值应不大于控制值阈值，预警值应不大于预警值阈值；
11.4)指定基于预警值与控制值的安全评价参考标准：当椭圆度数值达到预警值时，说明结构存在风险，需加强监测，亟需局部加强，当椭圆度达到控制值并且相邻两次扫描获得的椭圆度持续增大即横向变形不趋于收敛时，说明结构处于危险状态，需要进行措施加固；
12.步骤2：查询评估区间隧道的地层抗力系数；
13.步骤3：利用grp5000移动式激光扫描测量系统每间隔4-6个月对评估区间隧道进行连续扫描一次，获得评估区间隧道最新的现实隧道椭圆度；
14.步骤4：根据步骤2得到的地层抗力系数，步骤3得到的现实隧道椭圆度，对照步骤1中的安全评估参考标准得出安全评价结果。
15.优选的，grp5000移动式激光扫描测量系统由激光发射器、接收器、时间计数器、旋转式滤波器、彩色ccd相机、控制电路板、计算机和数据处理软件组成。
16.优选的，步骤1的2)中，错缝盾构隧道三维有限元模型中管片与管片之间的接触、管片与螺栓间的接触均采用midas fea/nx软件中的接触单元来表示彼此之间的联系，法向刚度比例系数取1，切向刚度比例系数为0.1，主段延伸率为0.005，摩擦系数为0.6；混凝土隧道管片、螺栓和钢筋均采用弹塑性本构模型；混凝土采用midas fea/nx软件提供的混凝土塑性损伤本构(cdp)模型。
17.优选的，步骤1的3)中，荷载加载方式对称加载，荷载的数值模拟中以实际监测数据中的隧道竖向与横向变形收敛为目标值，不断增加竖向压力ph，保持侧向压力p1为0.5倍的ph，在保证隧道结构合理的受荷状态下，以使隧道变形与实际变形相符，从而分析特定椭圆度下的隧道结构安全情况。
18.优选的，步骤2中，评估区间隧道的地层抗力系数的取值通过查表取值、经验取值或通过理论推导公式计算得到。
19.本发明采用上述结构的地铁错缝盾构隧道的结构安全评估方法，为结构横向变形设定变形预警值与控制值；方便结合监测手段以及实测的结构病害情况，对结构安全状态进行研判。
附图说明
20.图1为封顶块处于不同位置时管片的荷载-椭圆度曲线图；
21.图2为不同荷载加载模式下椭圆度达到25
‰
时的结构位移结果图；
22.图3为不同混凝土等级下椭圆度达到25
‰
时的结构损伤云图；
23.图4为不同等级螺栓在应力最大的拱顶部位应力云图与塑性单元分布结果图；
24.图5为椭圆度达到30
‰
时不同预制管片配筋率模型钢筋应力分布图；
25.图6为地层抗力系数k取20mpa/m时管片的混凝土损伤塑性云图；
26.图7为地层抗力系数k取30mpa/m时管片的混凝土损伤塑性云图；
27.图8不同地层抗力系数取值时椭圆度随荷载变化曲线。
具体实施方式
28.以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
29.如图所示的一种地铁错缝盾构隧道的结构安全评估方法，包括以下步骤：
30.本实施例为某工程项目对紧邻隧道的影响过程分析，隧道结构顶面覆土厚度为11.4m；盾构隧道外径6m，内径5.4m，管片厚度300mm，隧道衬砌环由6块管片拼装而成，管片混凝土等级为c50。隧道所处地层主要为粉质黏土、粉细砂及混合花岗岩层残积土。
31.步骤1：建立安全评估参考标准：
32.1)利用grp5000移动式激光扫描测量系统对指定区段隧道的关键节点进行连续扫描，获得指定区段隧道内隧道椭圆度、衬砌/地铁管片表面宽度大于1mm裂缝及掉块、渗水的位置、总体数量、平面分布。其中关键节点包括隧道未受干扰且处于稳定状态时、隧道受外部干扰产生较大荷载导致变形时、对使得隧道产生较大变形的外部干扰进行排查后、对外部干扰进行排查后再次对隧道健康状态进行确认时。grp5000移动式激光扫描测量系统由激光发射器、接收器、时间计数器、旋转式滤波器、彩色ccd相机、控制电路板、计算机和数据处理软件组成。在得到grp5000系统粗测出来的结果后，通过全站仪测量对椭圆度较大的管片进行人工复核，监测报告显示一般情况下两者得到的结果差异都在1
‰
以内，因此grp5000系统测量得到的结果是可靠的。
33.2)利用通用有限元分析软件midas fea/nx建立错缝盾构隧道三维有限元模型，错缝盾构隧道三维有限元模型中管片与管片之间的接触、管片与螺栓间的接触均采用midas fea/nx软件中的接触单元来表示彼此之间的联系，法向刚度比例系数取1，切向刚度比例系数为0.1，主段延伸率为0.005，摩擦系数为0.6；混凝土隧道管片、螺栓和钢筋均采用弹塑性本构模型；混凝土采用midas fea/nx软件提供的混凝土塑性损伤本构(cdp)模型。
34.利用错缝盾构隧道三维有限元模型分析不同的承载特点对管片承载能力的影响，确定管片承载能力的影响因素：
35.不同的承载特点包括封顶块位置、荷载加载模式、管片混凝土等级、螺栓等级、预制管片配筋率和地层抗力系数取值，分别将上述不同的承载特点作为变量利用错缝盾构隧道三维有限元模型分析隧道单环结构的变形特征、损伤特征或其他钢构件的承载变化趋势：
36.采用地层为均匀的10000kn/m3的地层抗力系数，对封顶块处于0
°
、18
°
、54
°
、90
°
不同位置时管片的荷载-椭圆度曲线图如图1，图1表明相同的荷载下，封顶块处于截面不同位置，管片椭圆度变化较为接近。
37.如图2，相同的荷载在不同荷载加载模式下使得结构均呈横鸭蛋状变形，但是不对称荷载会带有一定程度的偏移(例如当两侧侧向压力相差较大、一侧开挖或一侧受打桩等冲击荷载影响)或偏转(两侧荷载左右不对称)，区间内的隧道出现偏移或偏转，对于地下交通列车轨道的平整度有很大的影响，对于结构的整体稳定性也存在一定威胁；而只从单环错缝盾构隧道的结构影响程度来说，单环结构发生偏转或偏移，对于这一环或连续几环的隧道从结构损伤上的影响并不大；单环的偏转可能会对环间接缝、环间螺栓存在一定影响，但由于实际上盾构隧道作为一个整体结构去承受不对称荷载，每一环管片之间的偏转很小，总体影响程度较小。因此荷载加载模式不是管片承载能力的影响因素。
38.采用材料本构的混凝土塑性损伤模型的参数计算方法，对c45、50、c55三种规格的混凝土进行参数分析，对比相同荷载下结构的承载能力的差异。具体参数如下表所示：
39.各等级混凝土塑性损伤模型中的关键参数取值
[0040][0041]
对c45、50、c55三种规格的混凝土进行试算，在相同的荷载下，结构的变形特征一样，内径收敛值相差在1～2mm之内，主要由于不同等级的混凝土初始弹性模量有差异，等级越高变形越小，但是差异较小。图3所示的结构损伤结果显示分布规律基本没有差别，从拱腰混凝土压缩塑性结果可以看到混凝土等级越高，塑性区域的分布面积越小，尽管塑性损伤参数中的非弹性应力应变曲线存在一定差异，但在实际受荷过程中结构主要在接头产生变形，单块管片的刚度、强度差异对整环结构承载能力的影响很小，不同等级的混凝土预制管片可以一同考虑分析。
[0042]
如图4为选取螺栓应力最大的拱顶部位应力云图与塑性单元分布结果，证明螺栓提供刚度上的提升对于整环隧道的承载能力来说，其实作用较小，接缝处的混凝土压碎以后，螺栓才承担起更多的承载的作用。在正常的运行条件中，隧道椭圆度一般都保持在30
‰
以内，因此即使采用不同的螺栓等级，对隧道结构的承载能力影响不大。
[0043]
取0.90％、1.10％、1.30％的不同预制管片配筋率进行建模对比分析，计算结果如图5所示，管片在0.90％、1.10％、1.30％的配筋率下，加载变形曲线在0-30
‰
之间变形差异在几毫米之间，钢筋应力的差距也在10％以内，因此，预制管片配筋率不是管片承载能力的影响因素。
[0044]
图6和图7分别表示地层抗力系数k取20mpa/m时管片的混凝土损伤塑性云图和地层抗力系数k取30mpa/m时管片的混凝土损伤塑性云图，如图所示，当椭圆度大于20时，不同地层抗力系数取值的模型损伤结果开始出现明显差异，当椭圆度达到25
‰
时，地基弹簧系数取5～10mpa/m的模型塑性区继续增多，但损伤值并未出现明显异常；地基弹簧系数取20～30mpa/m的模型拱腰受压区已出现红色区域，即受压损伤值已达到0.8以上，受压损伤严重，若损伤继续发展，拱腰受压区的混凝土也将出现局部压碎的现象。因此，地层抗力系数取值是管片承载能力的影响因素。
[0045]
3)确定基于椭圆度标准的错缝盾构隧道结构横向变形安全预警值与控制值：利用错缝盾构隧道三维有限元模型得到各不同地层抗力系数取值时椭圆度随荷载变化曲线，荷载加载方式对称加载，荷载的数值模拟中以实际监测数据中的隧道竖向与横向变形收敛为目标值，不断增加竖向压力ph，保持侧向压力p1为0.5倍的ph，在保证隧道结构合理的受荷状态下，以使隧道变形与实际变形相符，从而分析特定椭圆度下的隧道结构安全情况。
[0046]
椭圆度的计算参照《盾构法隧道施工与验收规范》(gb50446-2017)，圆形隧道管片衬砌拼装成环后隧道最大与最小直径的差值与隧道设计内径的比值，以千分比表示：椭圆度
‰
＝(a-b)/d，式中，a隧道水平收敛直径，b为隧道竖向收敛直径，d为设计内径值。
[0047]
换算结果得到椭圆度随加载变化如图8所示，由图8可知，加载至椭圆度约40
‰
左右的过程中，k取5mpa时，结构无明显屈服现象；k取10mpa时，椭圆度达到约30
‰
时结构开始屈服；k取20mpa时，椭圆度达到约25
‰
时结构开始屈服；取30mpa时，椭圆度达到约20
‰
时结
构开始屈服。以上述出现结构明显屈服现象的椭圆度数值作为控制值值阈值，以此椭圆度减去5
‰
作为预警值阈值，控制值应不大于控制值阈值，预警值应不大于预警值阈值。
[0048]
4)指定基于预警值与控制值的安全评价参考标准：当椭圆度数值达到预警值时，说明结构存在风险，需加强监测，亟需局部加强，当椭圆度达到控制值并且相邻两次扫描获得的椭圆度持续增大即横向变形不趋于收敛时，说明结构处于危险状态，需要进行措施加固；因此，本实施例得到如下安全评价参考标准：
[0049][0050]
步骤2：查询评估区间隧道的地层抗力系数；评估区间隧道的地层抗力系数的取值通过查表取值、经验取值或通过理论推导公式计算得到。
[0051]
1)采用查表取值时，可以按照《地基与基础》中按照土体状态查表取值，或者按照《盾构法的调查
·
设计
·
施工》中根据标准贯入击数n取值。
[0052]
《地基与基础》中土体状态查表放入推荐取值
[0053][0054]
《盾构法的调查
·
设计
·
施工》中根据标准贯入击数n取值
[0055]
a)水土分算
[0056][0057]
b)水土合算
[0058][0059]
2)按照经验取值方法时按照经验取勘察报告中对应基床系数kv(或kx)的1/3～1/2。
[0060]
3)按照理论方法计算时径向地基弹簧按照全周winkler地基弹簧的形式来等效考虑，公式如下所示:
[0061][0062]
kr表示径向的地基弹簧系数，e、μ分别为隧道围岩的变形模量和泊松比,r表示为隧道断面的计算半径。
[0063]
步骤3：利用grp5000移动式激光扫描测量系统每间隔4-6个月对评估区间隧道进行连续扫描一次，获得评估区间隧道最新的现实隧道椭圆度；
[0064]
步骤4：根据步骤2得到的地层抗力系数，步骤3得到的现实隧道椭圆度，对照步骤1中的安全评估参考标准得出安全评价结果。
[0065]
因此，本发明采用上述地铁错缝盾构隧道的结构安全评估方法，为结构横向变形设定变形预警值与控制值；方便结合监测手段以及实测的结构病害情况，对结构安全状态进行研判。
[0066]
以上是本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不应局限于此。任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此本发明的保护范围应以权利要求书所限定的保护范围为准。

技术特征：
1.一种地铁错缝盾构隧道的结构安全评估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立安全评估参考标准：1)利用grp5000移动式激光扫描测量系统对指定区段隧道的关键节点进行连续扫描，获得指定区段隧道内隧道椭圆度、衬砌/地铁管片表面宽度大于1mm裂缝及掉块、渗水的位置、总体数量、平面分布，其中关键节点包括隧道未受干扰且处于稳定状态时、隧道受外部干扰产生较大荷载导致变形时、对使得隧道产生较大变形的外部干扰进行排查后、对外部干扰进行排查后再次对隧道健康状态进行确认时；2)利用通用有限元分析软件midasfea/nx建立错缝盾构隧道三维有限元模型，分析不同的承载特点对管片承载能力的影响，确定管片承载能力的影响因素：不同的承载特点包括封顶块位置、荷载加载模式、管片混凝土等级、螺栓等级、预制管片配筋率和地层抗力系数取值，分别将上述不同的承载特点作为变量利用错缝盾构隧道三维有限元模型分析隧道单环结构的变形特征、损伤特征或其他钢构件的承载变化趋势后，筛选得到管片承载能力的影响因素为地层抗力系数取值；3)确定基于椭圆度标准的错缝盾构隧道结构横向变形安全预警值与控制值：利用错缝盾构隧道三维有限元模型得到各不同地层抗力系数取值时椭圆度随荷载变化曲线，根据椭圆度随荷载变化曲线得到各地层抗力系数下出现结构明显屈服现象的椭圆度数值，并以此椭圆度数值作为控制值值阈值，以此椭圆度减去5
‰
作为预警值阈值，控制值应不大于控制值阈值，预警值应不大于预警值阈值；4)指定基于预警值与控制值的安全评价参考标准：当椭圆度数值达到预警值时，说明结构存在风险，需加强监测，亟需局部加强，当椭圆度达到控制值并且相邻两次扫描获得的椭圆度持续增大即横向变形不趋于收敛时，说明结构处于危险状态，需要进行措施加固；步骤2：查询评估区间隧道的地层抗力系数；步骤3：利用grp5000移动式激光扫描测量系统每间隔4-6个月对评估区间隧道进行连续扫描一次，获得评估区间隧道最新的现实隧道椭圆度；步骤4：根据步骤2得到的地层抗力系数，步骤3得到的现实隧道椭圆度，对照步骤1中的安全评估参考标准得出安全评价结果。2.根据权利要求1所述的一种地铁错缝盾构隧道的结构安全评估方法，其特征在于：grp5000移动式激光扫描测量系统由激光发射器、接收器、时间计数器、旋转式滤波器、彩色ccd相机、控制电路板、计算机和数据处理软件组成。3.根据权利要求2所述的一种地铁错缝盾构隧道的结构安全评估方法，其特征在于：步骤1的2)中，错缝盾构隧道三维有限元模型中管片与管片之间的接触、管片与螺栓间的接触均采用midasfea/nx软件中的接触单元来表示彼此之间的联系，法向刚度比例系数取1，切向刚度比例系数为0.1，主段延伸率为0.005，摩擦系数为0.6；混凝土隧道管片、螺栓和钢筋均采用弹塑性本构模型；混凝土采用midasfea/nx软件提供的混凝土塑性损伤本构(cdp)模型。4.根据权利要求3所述的一种地铁错缝盾构隧道的结构安全评估方法，其特征在于：步骤1的3)中，荷载加载方式对称加载，荷载的数值模拟中以实际监测数据中的隧道竖向与横向变形收敛为目标值，不断增加竖向压力ph，保持侧向压力p1为0.5倍的ph，在保证隧道结构合理的受荷状态下，以使隧道变形与实际变形相符，从而分析特定椭圆度下的隧道结构
安全情况。5.根据权利要求4所述的一种地铁错缝盾构隧道的结构安全评估方法，其特征在于：步骤2中，评估区间隧道的地层抗力系数的取值通过查表取值、经验取值或通过理论推导公式计算得到。

技术总结
本发明公开了一种地铁错缝盾构隧道的结构安全评估方法，属于隧道结构安全评估技术领域，包括以下步骤：步骤1：建立安全评估参考标准；步骤2：查询评估区间隧道的地层抗力系数；步骤3：利用GRP5000移动式激光扫描测量系统每间隔4-6个月对评估区间隧道进行连续扫描一次，获得评估区间隧道最新的现实隧道椭圆度；步骤4：根据步骤2步骤3得到的信息，对照步骤1中的安全评估参考标准得出安全评价结果。本发明采用上述结构的地铁错缝盾构隧道的结构安全评估方法，为结构横向变形设定预警值与控制值；方便结合监测手段以及实测的结构病害情况，对结构安全状态进行研判。对结构安全状态进行研判。对结构安全状态进行研判。


技术研发人员：王一兆 陈俊生 梁粤华 柏文锋 周欢阳 闵星 翟利华 张荣辉 徐世杨 杨成 罗海涛
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/8/14