CN116415336A - 基于盾构隧道衬砌表观裂缝特征的技术状况值评定方法 - Google Patents

基于盾构隧道衬砌表观裂缝特征的技术状况值评定方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了基于盾构隧道衬砌表观裂缝特征的技术状况值评定方法。本方法包括：根据所建立的盾构隧道三维有限元模型，获取隧道在无裂缝条件下的极限承载力，和在存在具有预设特征值的裂缝条件下的结构承载力；根据极限承载力和结构承载力，得到反映特征值与承载力损失系数对应规则的拟合曲面；根据拟合曲面和裂缝的实际特征值得到权重系数；由权重系数得到病害的技术状况值。由于现有技术并不能对隧道现有裂缝病害的发展阶段进行评估，本发明的优点在于能够定量分析现有隧道病害的严重程度，清晰直观地了解现有病害对隧道运营的影响，从而采取对应的维护措施。

Description

基于盾构隧道衬砌表观裂缝特征的技术状况值评定方法
技术领域
本申请涉及地铁隧道工程施工的技术领域，尤其涉及基于盾构隧道衬砌表观裂缝特征的技术状况值评定方法。
背景技术
随着我国地铁隧道设施的大力建设，现已有大量地铁隧道进入运营阶段。隧道在使用期间的性能会因常见病害而产生不同程度的影响，其中衬砌裂缝作为出现比例较高的病害，对隧道运营期间的承载性能和使用性能有着不容忽视的影响。然而现有标准对隧道裂缝病害程度的评价标准并不全面，且如何通过评价病害状况来评估运营阶段的隧道性能同样是现阶段所面临的问题。采用科学合理的方法评价隧道衬砌裂缝病害等级，了解隧道的运营状态，及时对裂缝病害采取防护措施是极为必要的。
CN114329709A公布了一种盾构隧道服役性能快速诊断和发展趋势预测方法，通过获取监测数据建立纵向螺栓应力分级评价标准和隧道的直径变形比分级评价标准，从而判断隧道服役性能以及裂缝病害发展趋势预测。该方法需要对隧道性能进行实时监测，通过应力与变形规律进行裂缝病害发展趋势预测，并不能通过裂缝病害对隧道性能进行评价，因此并不适用于即将或已经出现裂缝病害的隧道情况。
发明内容
有鉴于此，本申请提供基于盾构隧道衬砌表观裂缝特征的技术状况值评定方法，能够较好地通过裂缝病害对隧道性能进行评定。
本申请提供一种基于盾构隧道衬砌表观裂缝特征的病害技术状况值评定方法，包括：
根据所建立的盾构隧道三维有限元模型，获取隧道在无裂缝条件下的极限承载力，和在存在具有预设特征值的裂缝条件下的结构承载力；
根据所述极限承载力和结构承载力，得到反映所述特征值与承载力损失系数对应规则的拟合曲面；
根据所述拟合曲面和裂缝的实际特征值得到权重系数；
由所述权重系数得到病害的技术状况值。
可选地，所述盾构隧道三维有限元模型的建立，具体为：
根据隧道区间的土层参数和结构参数，建立盾构隧道三维有限元模型。
可选地，所述土层参数为各土层的容重、内摩擦角、粘聚力、弹性模量、泊松比、地基反力系数、计算区段内土层厚度。
可选地，所述结构参数为衬砌管片尺寸数量、螺栓尺寸数量、管片参数、螺栓参数、钢筋参数、混凝土等级、抗渗等级、拼装方式。
可选地，所述特征值为宽度、长度、延伸方向和分布位置。
可选地，得到拟合曲面，具体包括：
根据公式X(B，L)＝1-Fb/Fa，获得承载力损失系数，其中Fa为极限承载力，Fb结构承载力，X(B，L)为承载力损失系数；
将所述承载力损失系数和一系列预设值拟合形成拟合曲面。
可选地，得到病害的技术状况值，通过以下公式，
V＝αmnX(B，L)+βY(B)；
式中，α为承载性能权重系数、β为使用性能权重系数且α+β＝1，m为裂缝延伸方向修正系数，n为裂缝分布位置修正系数，B、L分别为实测裂缝宽度和裂缝长度，X(B，L)为承载力损失系数，Y(B)为裂缝宽度发展系数。
可选地，所述裂缝宽度发展系数Y(B)，通过以下公式获得，
Y(B)＝B/B0；
B为实际宽度值，B0为预设宽度分级上限值，并且当B＞B0时，取Y(B)＝1。
可选地，权重系数口、β具体取值如下，
当X(B，L)为0＜X＜0.2时，α为0.3且β为0.7；
当X(B，L)0.2≤X＜0.4时，口为0.4且β为0.6；
当X(B，L)为0.4≤X＜0.6时，α为0.5且β为0.5；
当X(B，L)为0.6≤X＜0.8时，α为0.6且β为0.4；
当X(B，L)为0.8≤X＜1时，α为0.7且口为0.3。
可选地，所述预设宽度分级上限值B0为根据《城市轨道交通盾构隧道结构病害分级与检测技术规程》T/CECS 788中提到的裂缝宽度评定标准来确定。
由于现有技术并不能对隧道现有裂缝病害的发展阶段进行评估，本发明的优点在于能够定量分析现有隧道病害的严重程度，清晰直观地了解现有病害对隧道运营的影响，从而采取对应的维护措施。
附图说明
下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。
图1为本申请实施例提供的基于盾构隧道衬砌表观裂缝特征的技术状况值评定方法的流程框图。
图2为本申请实施例提供的拟合曲面的示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
参考图1，本申请实施例基于基于盾构隧道衬砌表观裂缝特征的技术状况值评定方法，包括以下流程：
S101、根据所建立的盾构隧道三维有限元模型，获取隧道在无裂缝条件下的极限承载力，和在存在具有预设特征值的裂缝条件下的结构承载力。
这里，盾构隧道三维有限元模型的建立，具体为，根据隧道区间的土层参数和结构参数来建立。
示范性地，上述土层参数为各土层的容重、内摩擦角、粘聚力、弹性模量、泊松比、地基反力系数、计算区段内土层厚度。
示范性地，上述结构参数为衬砌管片尺寸数量、螺栓尺寸数量、管片参数、螺栓参数、钢筋参数、混凝土等级、抗渗等级、拼装方式。
作为示范性地，隧道区间的土层参数可以根据隧道勘察报告获得。
作为示范性地，隧道区间的结构参数可以根据隧道设计资料。
前文“特征值”可以为宽度、长度、延伸方向和分布位置，较为广泛的应用场景是长度和宽度。
在实际操作时，容易想到的是，预设特征值的裂缝，可以在盾构隧道三维有限元模型中预制例如宽度和长度等特征值已知的裂缝。
S102、根据上述极限承载力和结构承载力，得到反映上述特征值与承载力损失系数对应规则的拟合曲面。
在一个典型的实施方案中，得到拟合曲面具体包括：
根据公式X(B，L)＝1-Fb/Fa，获得承载力损失系数，其中Fa为极限承载力，Fb结构承载力，X(B，L)为承载力损失系数；
将上述承载力损失系数和一系列预设值拟合形成拟合曲面。
以特征值为宽度和长度为例，拟合曲面如图2所表示的，该曲面中二个自变量分别为长度和宽度，因变量为承载力损失系数。
S103、根据上述拟合曲面和裂缝的实际特征值得到权重系数。
以前文的特征值为长度和宽度为例，对应地，权重参数为α、β。其中，α表示裂缝对隧道承载性能的影响大小，根据模拟结果拟合曲面进行规定；β表示裂缝对隧道使用性能的影响大小，根据裂缝对使用期间的表观影响进行规定。两个系数取值根据裂缝对承载性能和使用性能的影响相对大小来划分，满足关系α+β＝1。
示范性地，权重系数α、β具体取值如下，
当X(B，L)为0＜X＜0.2时，α为0.3且β为0.7；
当X(B，L)0.2三X＜0.4时，α为0.4且β为0.6；
当X(B，L)为0.4≤X＜0.6时，α为0.5且β为0.5；
当X(B，L)为0.6≤X＜0.8时，α为0.6且β为0.4；
当X(B，L)为0.8≤X＜1时，α为0.7且β为0.3。
S104、由上述权重系数得到病害的技术状况值。
示范性地，得到病害的技术状况值，通过以下公式，
V＝αmnX(B，L)+βY(B)；
式中，α为承载性能权重系数、β为使用性能权重系数且α+β＝1，m为裂缝延伸方向修正系数，n为裂缝分布位置修正系数，B、L分别为实测裂缝宽度和裂缝长度，X(B，L)为承载力损失系数，Y(B)为裂缝宽度发展系数。
其中，进一步地，对于影响系数m和n的确定，应对延伸方向和分布位置进行定性分析，对于延伸方向，纵向、环向、斜向裂缝分别采用不同系数修正，修正系数m取值区间(0，1)，且纵向<斜向<环向；对于分布位置，封顶块、邻接块、标准块的裂缝分别采用不同系数修正，修正系数n取值区间(0，1)，且封顶块<邻接块<标准块。
上述裂缝宽度发展系数Y(B)，可以通过现有裂缝健康度分级标准进行评定，反映裂缝宽度的发展阶段。
具体地，通过以下公式获得，
Y(B)＝B/B0；
B为实际宽度值，B0为预设宽度分级上限值，并且当B>B0时，取Y(B)＝1。
这里，上述预设宽度分级上限值B0为根据《城市轨道交通盾构隧道结构病害分级与检测技术规程》T/CECS 788中提到的裂缝宽度评定标准来确定，该评定评定标准如下。
Figure SMS_1
由该上述评定标注可知，宽度分级上限值B0为2.0mm。
应当理解的是，单条病害技术状况值用来表征病害对隧道性能的影响程度。V的计算结果区间为(0,1)，当V越大时，表示病害对隧道性能的影响越大；反之，V越小时，表示病害对隧道性能的影响越小。
现在针对一个应用较为广泛或者常见的应用场景中，来阐述本申请评定的操作过程。应当注意的是，此常见的实施方案不可作为理解本申请所声称所要解决技术问题的必要性特征认定的依据，其仅仅是示范而已。
本申请基于盾构隧道衬砌表观裂缝特征的病害影响评定方法，如图1所示，具体的评定方法如下：
S201、根据需求，对现场进行相关土层参数测定，包括各土层的容重、内摩擦角、粘聚力、弹性模量、泊松比、地基反力系数和计算区段内土层厚度。
S202、根据需求，对现场进行相关结构参数测定，包括各土层的容重、内摩擦角、粘聚力、弹性模量、泊松比、地基反力系数和计算区段内土层厚度。
S203、建立盾构隧道三维有限元模型，施加竖向和水平荷载，计算隧道在无裂缝病害下的极限承载力，记为F a；
S204、在计算模型的基础上分别预制不同长度宽度的裂缝，并计算不同尺寸裂缝病害下分别对应的隧道剩余承载力F b；
S205、通过对比两个阶段的计算结果，得到不同裂缝长度和宽度下隧道的剩余承载力与极限承载力比值，承载力损失系数记为
Figure SMS_2
，并拟合裂缝不同宽度和长度与隧道承载力折减系数的关系曲面，如图2所示；
S206、根据现行标准《城市轨道交通盾构隧道结构病害分级与检测技术规程》T/CECS 788中提到的裂缝宽度评定标准，取宽度分级上限值B 0为2.0mm，得到裂缝宽度与分级上限值的比值，记为裂缝宽度发展系数
Figure SMS_3
，当B>B 0时，取Y(B)=1；
S207、对现场裂缝病害数据进行测量，得到现场数据为宽度B=0.36mm，长度L=0.9m，延伸方向为斜向，分布位置为邻接块。根据拟合曲面计算得承载力损失系数为X(B,L)=0.3056；根据实测宽度数据计算得裂缝宽度发展系数为Y(B)=0.18；承载性能和使用性能权重系数分别取
Figure SMS_4
；延伸方向和分布位置的影响系数分别取m=0.5,n=0.5。计算单条病害技术状况值得：
Figure SMS_5
得到的技术状况值较小，表明该裂缝对隧道性能的影响较小，病害水平较轻。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于盾构隧道衬砌表观裂缝特征的技术状况值评定方法，其特征在于，包括：
根据所建立的盾构隧道三维有限元模型，获取隧道在无裂缝条件下的极限承载力，和在存在具有预设特征值的裂缝条件下的结构承载力；
根据所述极限承载力和结构承载力，得到反映所述特征值与承载力损失系数对应规则的拟合曲面；
根据所述拟合曲面和裂缝的实际特征值得到权重系数；
由所述权重系数得到病害的技术状况值。
2.根据权利要求1所述基于盾构隧道衬砌表观裂缝特征的技术状况值评定方法，其特征在于，所述盾构隧道三维有限元模型的建立，具体为：
根据隧道区间的土层参数和结构参数，建立盾构隧道三维有限元模型。
3.根据权利要求2所述基于盾构隧道衬砌表观裂缝特征的技术状况值评定方法，其特征在于，所述土层参数为各土层的容重、内摩擦角、粘聚力、弹性模量、泊松比、地基反力系数、计算区段内土层厚度。
4.根据权利要求2所述基于盾构隧道衬砌表观裂缝特征的技术状况值评定方法，其特征在于，所述结构参数为衬砌管片尺寸数量、螺栓尺寸数量、管片参数、螺栓参数、钢筋参数、混凝土等级、抗渗等级、拼装方式。
5.根据权利要求1所述基于盾构隧道衬砌表观裂缝特征的技术状况值评定方法，其特征在于，所述特征值为宽度、长度、延伸方向和分布位置。
6.根据权利要求1所述基于盾构隧道衬砌表观裂缝特征的技术状况值评定方法，其特征在于，得到拟合曲面，具体包括：
根据公式X(B，L)＝1-Fb/Fa，获得承载力损失系数，其中Fa为极限承载力，Fb结构承载力，X(B,L)为承载力损失系数；
将所述承载力损失系数和一系列预设值拟合形成拟合曲面。
7.根据权利要求5所述基于盾构隧道衬砌表观裂缝特征的技术状况值评定方法，其特征在于，得到病害的技术状况值，通过以下公式，
V＝αmnX(B，L)+βY(B)；
式中，α为承载性能权重系数、β为使用性能权重系数且α+β＝1，m为裂缝延伸方向修正系数，n为裂缝分布位置修正系数，B、L分别为实测裂缝宽度和裂缝长度，X(B,L)为承载力损失系数，Y(B)为裂缝宽度发展系数。
8.根据权利要求7所述基于盾构隧道衬砌表观裂缝特征的技术状况值评定方法，其特征在于，所述裂缝宽度发展系数Y(B)，通过以下公式获得，
Y(B)＝B/B0；
B为实际宽度值，B0为预设宽度分级上限值，并且当B>B0时，取Y(B)＝1。
9.根据权利要求7所述基于盾构隧道衬砌表观裂缝特征的技术状况值评定方法，其特征在于，权重系数α、β具体取值如下，
当X(B,L)为0＜X＜0.2时，α为0.3且β为0.7；
当X(B,L)0.2≤X＜0.4时，α为0.4且β为0.6；
当X(B,L)为0.4≤X＜0.6时，α为0.5且β为0.5；
当X(B,L)为0.6≤X≤0.8时，α为0.6且β为0.4；
当X(B,L)为0.8≤X≤1时，α为0.7且β为0.3。
10.根据权利要求8所述基于盾构隧道衬砌表观裂缝特征的技术状况值评定方法，其特征在于，所述预设宽度分级上限值B0为根据《城市轨道交通盾构隧道结构病害分级与检测技术规程》T/CECS 788中提到的裂缝宽度评定标准来确定。
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