论文部分内容阅读
变形超限是软土地区盾构隧道服役过程中面临的主要结构病害之一。严重时导致结构承载能力显著下降，常规的养护维修方法无法保障其设计承载要求，一般需采取特殊的加固措施来提升结构的安全性及承载性能。目前国内外主流的做法是对结构的截面进行补强，通过将内钢圈、复合腔体、芳纶布、碳纤维板等加固构件粘结在原始管片内表面的方法进行加固。实际工程中，对盾构隧道结构进行加固修复时，一般通过类比法或借助工程经验拟定具体加固方案，对于加固后隧道结构的承载性能分析较少，加固时机和加固方法的选取也没有可以依照的规范标准。针对此问题，首先需要厘清盾构隧道结构与加固体的共同承载性能，不同加固处理方式及时机对承载性能的影响等科学问题。
本论文主要针对盾构隧道结构收敛变形超限后的加固问题，首先将加固后盾构隧道简化为自由变形圆环，基于平截面假定计算二次受力情况下截面的滞后应变，并对加固后盾构隧道结构截面承载力进行了理论推导；之后结合课题组开展的南京地铁错缝拼装三整环隧道结构加固承载性能足尺试验，以非线性粘结—滑移模型模拟了加固体与管片内表面的接触关系，建立了考虑加固界面失效和混凝土损伤的三维精细化有限元模型，计算分析了碳纤维加固后隧道结构在正常设计荷载及超载情况下的承载性能和变形破坏过程；最后，结合数值模拟方法，探讨了加固形式、加固时机选择、加固体尺寸变化以及材料性能等对加固后盾构隧道承载性能的影响规律。主要研究内容及成果如下：
(1)基于平截面假定和盾构隧道结构内力分析，推导了一次受力和二次受力情况下的滞后应变，得出了不同破坏形态下加固体-修复体组合结构的承载力理论计算公式，并用于分析加固后结构的极限承载力以及收敛变形。
(2)结合课题组进行的南京地铁三整环错缝拼装足尺试验，分析了碳纤维板加固处理后的盾构隧道承载性能。加固处理后的隧道结构在正常设计荷载以及超载阶段的收敛变形表现为初期线弹性阶段、达到屈服点后的快速变形阶段以及最终破坏阶段；对第一次加载、卸载后残余收敛变形53.1mm的盾构隧道结构，采用1.4mm厚、2×100mm宽的碳纤维板进行加固处理，加固后结构极限承载力与全新管片拼装的隧道结构相比提高了约4.1%；超载阶段，同荷载条件下加固后隧道结构收敛变形增量比未加固盾构隧道结构小30%-33%。
(3)引入粘聚力模型模拟加固界面的粘结破坏过程，建立了包含纵缝凹凸榫细部构造、连接螺栓、螺栓手孔、钢筋网等真实结构特征的盾构隧道结构三维精细化非线性有限元模型，研究了碳纤维板加固盾构隧道结构的承载性能，数值模拟结果与南京地铁三整环隧道结构承载性能足尺加固试验结果进行了对比分析，验证了有限元模拟方法的可靠性。
(4)基于经济和实际工程需求，隧道结构合理的加固时机不应早于前期线弹性变形阶段和晚于最终破坏阶段，结合足尺试验结果，选取隧道结构椭圆度5‰、10‰、20‰、30‰作为不同加固时机，对比分析了不同加固时机下采用碳纤维板加固后盾构隧道结构的承载性能。在提高结构承载力和控制变形的方面，加固时机越早，其变形控制固效果和极限承载性能越好；在结构破坏特征的方面来看，加固时机过早的结构其最终破坏阶段也更迅速，界面失效情况更严重。
(5)以内钢圈加固为例，对全环、半环和对点等不同加固形式下盾构隧道结构的承载性能进行了对比分析。全环加固型对于盾构隧道收敛变形的控制效率比半环加固高5%左右，比对点加固高24%左右。全环加固型和半环加固型对于管片接头张开量的控制效果几乎相同，但对点加固时拱顶接头张开的控制效果提高了7%。全环、半环加固型更适用于收敛变形较为严重的情况，对点加固型对于加固位置处的接缝张开控制效果较好。
(6)对比分析了不同加固尺寸和材料性能对加固后盾构隧道结构承载性能的影响。对于同一加固材料，增加加固体厚度、幅宽和加固圈数，衬砌环收敛变形量均有所减少，隧道变形越大时，尺寸参数对其加固性能的影响越显著，敏感性更高。通过不同加固时机和尺寸参数的组合可以达到所需的加固性能，较早进行加固时可以采用更小的尺寸达到与较晚加固相近的加固效果。对于同一加固构件形式，采用力学性能更为优异的新型工程材料，能够有效提高加固后盾构隧道结构的承载能力。
本论文主要针对盾构隧道结构收敛变形超限后的加固问题，首先将加固后盾构隧道简化为自由变形圆环，基于平截面假定计算二次受力情况下截面的滞后应变，并对加固后盾构隧道结构截面承载力进行了理论推导；之后结合课题组开展的南京地铁错缝拼装三整环隧道结构加固承载性能足尺试验，以非线性粘结—滑移模型模拟了加固体与管片内表面的接触关系，建立了考虑加固界面失效和混凝土损伤的三维精细化有限元模型，计算分析了碳纤维加固后隧道结构在正常设计荷载及超载情况下的承载性能和变形破坏过程；最后，结合数值模拟方法，探讨了加固形式、加固时机选择、加固体尺寸变化以及材料性能等对加固后盾构隧道承载性能的影响规律。主要研究内容及成果如下：
(1)基于平截面假定和盾构隧道结构内力分析，推导了一次受力和二次受力情况下的滞后应变，得出了不同破坏形态下加固体-修复体组合结构的承载力理论计算公式，并用于分析加固后结构的极限承载力以及收敛变形。
(2)结合课题组进行的南京地铁三整环错缝拼装足尺试验，分析了碳纤维板加固处理后的盾构隧道承载性能。加固处理后的隧道结构在正常设计荷载以及超载阶段的收敛变形表现为初期线弹性阶段、达到屈服点后的快速变形阶段以及最终破坏阶段；对第一次加载、卸载后残余收敛变形53.1mm的盾构隧道结构，采用1.4mm厚、2×100mm宽的碳纤维板进行加固处理，加固后结构极限承载力与全新管片拼装的隧道结构相比提高了约4.1%；超载阶段，同荷载条件下加固后隧道结构收敛变形增量比未加固盾构隧道结构小30%-33%。
(3)引入粘聚力模型模拟加固界面的粘结破坏过程，建立了包含纵缝凹凸榫细部构造、连接螺栓、螺栓手孔、钢筋网等真实结构特征的盾构隧道结构三维精细化非线性有限元模型，研究了碳纤维板加固盾构隧道结构的承载性能，数值模拟结果与南京地铁三整环隧道结构承载性能足尺加固试验结果进行了对比分析，验证了有限元模拟方法的可靠性。
(4)基于经济和实际工程需求，隧道结构合理的加固时机不应早于前期线弹性变形阶段和晚于最终破坏阶段，结合足尺试验结果，选取隧道结构椭圆度5‰、10‰、20‰、30‰作为不同加固时机，对比分析了不同加固时机下采用碳纤维板加固后盾构隧道结构的承载性能。在提高结构承载力和控制变形的方面，加固时机越早，其变形控制固效果和极限承载性能越好；在结构破坏特征的方面来看，加固时机过早的结构其最终破坏阶段也更迅速，界面失效情况更严重。
(5)以内钢圈加固为例，对全环、半环和对点等不同加固形式下盾构隧道结构的承载性能进行了对比分析。全环加固型对于盾构隧道收敛变形的控制效率比半环加固高5%左右，比对点加固高24%左右。全环加固型和半环加固型对于管片接头张开量的控制效果几乎相同，但对点加固时拱顶接头张开的控制效果提高了7%。全环、半环加固型更适用于收敛变形较为严重的情况，对点加固型对于加固位置处的接缝张开控制效果较好。
(6)对比分析了不同加固尺寸和材料性能对加固后盾构隧道结构承载性能的影响。对于同一加固材料，增加加固体厚度、幅宽和加固圈数，衬砌环收敛变形量均有所减少，隧道变形越大时，尺寸参数对其加固性能的影响越显著，敏感性更高。通过不同加固时机和尺寸参数的组合可以达到所需的加固性能，较早进行加固时可以采用更小的尺寸达到与较晚加固相近的加固效果。对于同一加固构件形式，采用力学性能更为优异的新型工程材料，能够有效提高加固后盾构隧道结构的承载能力。