CN116541945B - 一种公路隧道衬砌结构承载能力感知评定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种公路隧道衬砌结构承载能力感知评定方法，包括：从围岩荷载效应演变状况、衬砌结构衰变力学状态两方面，构建隧道结构承载能力表征指标体系；提出基于结构内表面应变数据的表征指标反演函数关系，并据此构建了隧道结构承载能力感知布设方案，形成了承载能力表征指标成套感知方法；最后通过计算荷载效应函数以及抗力效应函数，构建隧道结构承载能力计算评定方法。本发明能够准确定量的感知评定隧道结构承载能力，解决公路隧道结构安全的基础关键技术问题。
Description
技术领域
本发明属于公路隧道结构安全技术领域，尤其涉及一种公路隧道衬砌结构承载能力感知评定方法。
背景技术
隧道工程属于地下工程，其赋存环境存在随机性和不确定性，准确计算隧道衬砌结构承载状态和安全特性尚存在诸多困难，譬如隧道衬砌结构实际受力状况、结构破坏特性和过程难以准确确定。
我国隧道工程规模日益庞大，隧道结构承载能力是隧道设施安全的核心，是隧道结构研究的关键点，贯穿于隧道结构设计、施工、运营养护、处治加固各个环节。衬砌破坏导致结构的承载性能大幅下降，影响衬砌结构的安全性，已经对隧道的运营质量和安全造成了严重威胁。而现行《公路隧道养护技术规范》施行的是基于结构状态描述的技术状况评价方法，没有提供基于严格力学分析的结构承载能力评价方法，这也导致我们不能回答衬砌结构病害发展到什么程度或状态时结构才会失稳破坏的问题，这种状况严重损坏了隧道结构评价的可信度。
目前针对不同荷载作用下隧道结构受力变形与损伤演化机制的研究相对较少，缺乏结构剩余承载力的量化分析依据，不利于结构健康度评价与维修处治方案的确定。隧道衬砌结构技术状况评定中，缺乏衬砌承载能力与结构技术状况（健康度、安全性）对应关系的研究，多是从定性或半定量角度评价病害等级及结构健康状态，对承载力的量化分析尚不完善；单纯使用病害调查分析和评价，难以量化、快速地分析隧道结构剩余承载力，评价结构健康情况。当前隧道衬砌结构（技术状况）的评定方法大都基于结构状态描述，基于（严格）力学分析的评定方法相对还很少。其中基于承载能力分析的衬砌结构（安全性）评定方法，或对衬砌结构承载能力的评定方法还很少。
发明内容
本发明提出了一种公路隧道衬砌结构承载能力感知评定方法，以解决上述现有技术中存在的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种公路隧道衬砌结构承载能力感知评定方法，包括：
构建公路隧道承载能力的表征指标体系，其中所述表征指标体系包括：围岩荷载效应演变状况表征指标和衬砌结构衰变力学状态表征指标；
构建基于公路隧道衬砌内表面应变数据的表征指标反演映射关系，基于所述指标反演映射关系，得到公路隧道结构的承载能力感知布设方案，基于所述表征指标体系、所述表征指标反演映射关系和承载能力感知布设方案，得到承载能力表征指标成套感知方法；
综合运用所述承载能力表征指标成套感知方法与设计规范的计算方法，分别融合荷载修正系数、折减系数，计算得到荷载效应函数、抗力效应函数，获取公路隧道结构的重要性系数、承载能力检算系数，基于所述重要性系数、承载能力检算系数、所述荷载效应函数、所述抗力效应函数，得到公路隧道结构的承载能力计算评定模型，基于所述承载能力计算评定模型，对公路隧道衬砌结构进行承载能力感知评定。
优选地，构建公路隧道承载能力的表征指标体系的过程包括：
获取公路隧道的地质类型，基于所述地质类型，结合围岩地质不确定演化荷载效应修正方法，得到围岩荷载效应演变状况表征指标；
分别获取公路隧道的变形指标、受力指标、病害特征指标、环境指标，基于所述变形指标、受力指标、病害特征指标、环境指标，得到衬砌结构衰变力学状态表征指标；
按照不同的地质类型分类，基于所述围岩荷载效应演变状况表征指标和衬砌结构衰变力学状态表征指标，构建隧道结构承载能力表征关键指标体系。
优选地，构建基于公路隧道衬砌内表面应变数据的表征指标反演映射关系的过程包括：
由曲梁理论的几何方程推导出径向位移为
内力及外荷载为
式中为径向位移；M、Q为衬砌内力，分别表示截面弯矩、剪力；q表示外荷载，其中q y为径向，q s为环向；/>为结构内表面环向应变，/>为以截面对称轴为原点的环向角度，d为径向距离，R为半径，E、A、I为材料参数。
优选地，得到公路隧道结构的承载能力感知布设方案的过程包括：
基于所述表征指标反演映射关系，明确反演数据需求，基于所述地质类型的空间长线状结构特征和所述反演数据需求，确定传感器类型，基于所述传感器类型、结构特征和反演数据需求，得到公路隧道结构承载能力的感知布设方案。
优选地，所述公路隧道结构包括：单心圆隧道结构和多心圆隧道结构。
优选地，计算得到荷载效应函数、抗力效应函数的过程包括：
基于围岩荷载效应演变状况表征指标，得到荷载修正系数，综合运用所述承载能力表征指标成套感知方法与设计规范的计算方法，融合所述荷载修正系数，计算得到荷载效应函数；
综合运用所述承载能力表征指标成套感知方法与设计规范的计算方法，融合折减系数，计算得到抗力效应函数。
优选地，所述承载能力计算评定模型为：Kq ≤ R (·)Z 1
其中，q为荷载效应函数，R (·)为抗力效应函数，K为重要性系数、Z 1为承载能力检算系数。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明首先构建公路隧道承载能力的表征指标体系，其次提出基于结构内表面应变数据的表征指标反演函数关系，并据此得到公路隧道结构的承载能力感知布设方案；最后构建公路隧道结构的承载能力计算评定模型，基于所述承载能力计算评定模型，对公路隧道衬砌结构进行承载能力感知评定。本发明能够准确定量的感知评定隧道结构承载能力，解决公路隧道结构安全的基础关键技术问题。
本发明研究围岩地质荷载状况及其导致的衬砌结构技术状况衰变力学状态，标定其相对隧道结构承载能力的属性标度，构建不同围岩及衬砌状态响应下隧道结构承载能力评定体系，弥补当前基于结构状态描述的隧道结构评定方法的不足，为后续隧道土建结构长期监测、结构韧性提升、数字化转型等研究任务提供关键共性技术支撑，是推动公路隧道高质量发展的基础关键技术问题，对于深入分析衬砌承载状态、结构承载能力、结构安全性具有重要意义。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的方法流程图；
图2为本发明实施例的计算模型示意图；
图3为本发明实施例的反演结果示意图，其中（a）为弯矩、剪力反演结果示意图，（b）为径向位移反演结果示意图，（c）为切向位移反演结果示意图；（d）为轴力反演结果示意图；
图4为本发明实施例的基于位移反演断面布设图；
图5为本发明实施例的隧道内力反演布设图；
图6为为本发明实施例的外荷载反演布设图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例一
如图1所示，本实施例中提供一种公路隧道衬砌结构承载能力感知评定方法，包括：
S1.构建围岩荷载效应演变状况、衬砌结构衰变力学状态表征指标体系；
从围岩-衬砌共同作用两方面,包括以下子步骤：
S11.提出围岩荷载效应演变状况表征指标；
区分隧道穿越的软岩大变形、高水压、软土、黄土、多年冻土、膨胀性岩土、活动断裂带、岩溶、强震区、采空区、滑坡等地质地段，从不同地质结构影响路径出发，对围岩地质不确定演化荷载效应进行修正，提出针对围岩荷载效应演变状况表征指标。
如针对岩溶发育区，从裂隙和岩溶水两方面，分别针对岩溶裂隙形态、位置、尺寸，以及岩溶水埋深、范围、水质特征，考虑隧道结构安全性、适用性以及耐久性，荷载效应演变状况表征指标主要为围岩开裂碎散形成的松动压力以及衬砌外水压力。
S12.提出衬砌结构衰变力学状态表征指标；
从变形、受力、病害特征、环境4个方面，提出衬砌结构衰变力学状态表征指标，其中变形类指标包括净空收敛、拱顶下沉、墙脚下沉、路面隆沉、纵向差异沉降、隧道水平位移、隧道竖向位移等；受力类指标包括接触压力、土压力、水压力、衬砌应力、衬砌表面应力、钢筋应力等；病害特征包括裂缝宽度、渗漏水水量、变形缝张开量、路面错台量、钢筋锈蚀状况等；环境类指标包括隧道内环境温度、围岩温度、瓦斯及有害气体浓度、振动速度等。
S13.构建围岩-衬砌共同作用下隧道结构承载能力表征指标体系。
按照不同的地质类型分类，构建围岩-衬砌共同作用下隧道结构承载能力表征指标体系。如强烈大变形地段，围岩与支护间接触压力、两层支护间接触压力、衬砌应力、钢筋应力等为主要的承载能力表征指标；严重湿陷黄土地段，隧道竖向位移、墙脚下沉为主要的承载能力表征指标；岩溶发育区承载能力表征指标主要为衬砌外水压力、渗漏水、净空收敛。
S2.搭建隧道结构承载能力表征指标感知方法；
针对步骤S1提出的表征指标体系，提出基于运营后方便采集的衬砌内表面应变数据，构建指标反演映射关系，提出感知布设方案，包括以下子步骤：
S21.从便于布设及后期维护更换的角度，提出基于公路隧道结构内表面应变数据，构建单心圆隧道结构、多心圆隧道结构（两心、三心、四心）承载能力表征指标反演映射关系，形成关键表征指标提取技术，具体包括：
S211.单心圆隧道结构指标映射关系
由曲梁理论的几何方程推导出径向位移为
内力及外荷载为
式中为径向位移；M、Q为衬砌内力，分别表示截面弯矩、剪力；q表示外荷载，其中q y为径向，q s为环向；/>为结构内表面环向应变，/>为以截面对称轴为原点的环向角度，d为径向距离，R为半径，E、A、I为材料参数。
基于上述映射关系，结合边界条件，使用差分法求解，解出对应于各角度内应变的径向位移反演结果，以及法向荷载、环向荷载和剪力、弯矩的分布。
S212.多心圆隧道结构指标映射关系
对于采用多段圆弧拼接的多心圆形式，利用步骤S211建立的反演函数关系，在多段弧各自区段进行差分运算。在交界点的左右相邻点处用中心差分时，利用交界点的x、y方向位移沿不同圆心半径方向分解来表示该径向位移。
算例：计算模型如图2-图3所示，弹性模量E=30GPa，泊松比为0.2，截面为厚度为0.5m，宽度为1m的矩形截面，R 1=5.55m，R 2=8.007m，R 3=0.984m，R 4=14.848m。计算的边界条件为上边界处径向位移值，上边界处转角为0，下边界处径向位移为0，下边界处转角为0，以及利用交界点的连续性条件，四段弧建立4个等式作为边界条件补充，利用差分法求解上述反演方程。
S22. 考虑隧道地质不确定的空间长线状结构特征，面向S21建立的映射关系的数据需求，确定传感器选型，据此构建隧道结构承载能力感知布设方案。
具体的布设方案，如图4-图6所示，选用分布式光纤传感器，沿监测断面全断面布设，然后由待测截面引出至下一待测截面，沿隧道纵向以一定的间隔螺旋式布设，其中分布式光纤环向布置时锚固点间距可取为0.3m。布设测试拱顶、拱底、拱腰中的任意两个指向圆心的位移值作为边界条件。
同时可在隧道断面上布设其他监测设备，提供数据对反演结果进行进一步的验证，形成互相验证的完备体系。
S3.计算荷载效应函数以及抗力效应函数，构建隧道结构承载能力计算评定方法，包括以下子步骤：
S31.综合运用步骤S2实际感知情况与设计规范的计算方法，融合相应的折减/修正系数，计算荷载效应函数以及抗力效应函数。
S311.根据步骤S2外荷载的实际感知情况，其中外荷载包括：法向荷载和环向荷载，或考虑隧道围岩状态发展变化情况，以及围岩状态相关的本构关系，参照设计规范中荷载计算方式，结合荷载修正系数，对围岩压力、水压力、附加荷载等荷载效应进行修正，其中荷载修正系数参考步骤S11对围岩作用路径的演化分析及实际调查情况给出，计算荷载效应函数q，进行检算荷载修正。
如针对局部水压力作用，考虑作用的位置、范围、水压力的大小，在原设计荷载分布基础上对荷载效应进行修正，局部叠加水压力作为附加荷载，得到新的荷载效应函数q。
S312.按照步骤S2内力的实际感知情况，其中内力包括：剪力和弯矩，得到隧道结构抗拉、抗压、抗剪等抗力效应函数R (·)的值；或按现行设计规范，计算抗力效应函数R (·)，其中，对于计算中涉及的结构几何尺寸，如截面的宽度/厚度等，材料强度等因素，按实际调查值或考虑一定的折减系数得到。
如针对抗拉效应，按现行设计规范，可取
其中，a d 表示结构的几何尺寸，具体可通过b、h分别表示当前截面宽度和厚度，可采用现场实际调查值，或基于设计截面值通过相应的折减系数得到；f d 为实际情况下混凝土材料的抗拉强度，可采用现场实测值，或基于强度设计值考虑一定的折减系数得到；表示计算中用到的折减系数；e 0 为轴向力偏心距；
S32. 融合结构的重要性系数以及承载能力检算系数，提出隧道结构承载能力计算评定方法。
S321.根据步骤S31得到的荷载效应函数q以及抗力效应函数R (·)，融合结构的重要性系数K以及承载能力检算系数Z 1，构建隧道结构承载能力计算评定模型：
Kq ≤ R (·)Z 1
S322.对于结构的重要性系数K，依据隧道结构破坏后的严重程度，对设计使用年限为100年及以上的结构构件不应小于1.1，对设计使用年限为50年的结构构件不应小于1.0。
S323.其中对于承载能力检算系数Z 1，可综合考虑隧道衬砌结构缺损状况、材质强度等的调查及检测评定结果，通过相应的权重及评定标度来表示，按相应的规定分项给出。
如针对衬砌厚度不足，结合工程积累的衬砌结构受力状态计算分析经验与专家调查法，按缺损状况具体的表征因子，位置以及程度，对缺损状况的描述进行细化和量化，给出不同缺损状况对应的检算系数取值范围，评定时直接对比取用。考虑厚度不足两种因子作用下隧道结构承载能力检算系数值，如表1所示。
表1
其它缺损情形可参照给出，特殊情况下可采用专家调查法确定。
本实施例有益效果：
本实施例首先构建公路隧道承载能力的表征指标体系，其次得到公路隧道结构的承载能力感知布设方案；最后构建公路隧道结构的承载能力计算评定模型，基于所述承载能力计算评定模型，对公路隧道衬砌结构进行承载能力感知评定。本实施例能够准确定量的感知评定隧道结构承载能力，解决公路隧道结构安全的基础关键技术问题。
本实施例研究围岩地质荷载状况及其导致的衬砌结构技术状况衰变力学状态，标定其相对隧道结构承载能力的属性标度，构建不同围岩及衬砌状态响应下隧道结构承载能力评定体系，弥补当前基于结构状态描述的隧道结构评定方法的不足，为后续隧道土建结构长期监测、结构韧性提升、数字化转型等研究任务提供关键共性技术支撑，是推动公路隧道高质量发展的基础关键技术问题，对于深入分析衬砌承载状态、结构承载能力、结构安全性具有重要意义。
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。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种公路隧道衬砌结构承载能力感知评定方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建公路隧道承载能力的表征指标体系，其中所述表征指标体系包括：围岩荷载效应演变状况表征指标和衬砌结构衰变力学状态表征指标；
构建基于公路隧道衬砌内表面应变数据的表征指标反演映射关系，基于所述指标反演映射关系，得到公路隧道结构的承载能力感知布设方案，基于所述表征指标体系、所述表征指标反演映射关系和承载能力感知布设方案，得到承载能力表征指标成套感知方法；
综合运用所述承载能力表征指标成套感知方法与设计规范的计算方法，分别融合修正系数、折减系数，计算得到荷载效应函数、抗力效应函数，获取公路隧道结构的重要性系数、承载能力检算系数，基于所述重要性系数、承载能力检算系数、所述荷载效应函数、所述抗力效应函数，得到公路隧道结构的承载能力计算评定模型，基于所述承载能力计算评定模型，对公路隧道衬砌结构进行承载能力感知评定；
构建公路隧道承载能力的表征指标体系的过程包括：
获取公路隧道的地质类型，基于所述地质类型，结合围岩地质不确定演化荷载效应修正方法，得到围岩荷载效应演变状况表征指标；
分别获取公路隧道的变形指标、受力指标、病害特征指标、环境指标，基于所述变形指标、受力指标、病害特征指标、环境指标，得到衬砌结构衰变力学状态表征指标；
按照不同的地质类型分类，基于所述围岩荷载效应演变状况表征指标和衬砌结构衰变力学状态表征指标，构建隧道结构承载能力表征关键指标体系；
构建基于公路隧道衬砌内表面应变数据的表征指标反演映射关系的过程包括：
由曲梁理论的几何方程推导出径向位移为
内力及外荷载为
式中/>为径向位移；M、Q为衬砌内力，分别表示截面弯矩、剪力；q表示外荷载，其中q y为径向，q s为环向；/>为结构内表面环向应变，/>为以截面对称轴为原点的环向角度，d为径向距离，R为半径，E、A、I为材料参数；
得到公路隧道结构的承载能力感知布设方案的过程包括：
基于所述表征指标反演映射关系，明确反演数据需求，基于所述地质类型的空间长线状结构特征和所述反演数据需求，确定传感器类型，基于所述传感器类型、结构特征和反演数据需求，得到公路隧道结构承载能力的感知布设方案；
计算得到荷载效应函数、抗力效应函数的过程包括：
基于围岩荷载效应演变状况表征指标，得到荷载修正系数，综合运用所述承载能力表征指标成套感知方法与设计规范的计算方法，融合所述荷载修正系数，计算得到荷载效应函数；
综合运用所述承载能力表征指标成套感知方法与设计规范的计算方法，融合折减系数，计算得到抗力效应函数；
所述承载能力计算评定模型为：Kq ≤ R (·) Z 1
其中，q为荷载效应函数，R (·)为抗力效应函数，K为重要性系数、Z 1为承载能力检算系数。
2.根据权利要求1所述的公路隧道衬砌结构承载能力感知评定方法，其特征在于，所述公路隧道结构包括：单心圆隧道结构和多心圆隧道结构。
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