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原文传递青岛地铁隧道衬砌裂缝演化机制及安全性评价研究

论文题名：	青岛地铁隧道衬砌裂缝演化机制及安全性评价研究
关键词：	隧道衬砌;裂缝扩展;数值模拟;颗粒流;安全性评价
摘要：	随着国内轨道交通建设工程大规模开展，隧道衬砌结构病害问题也随之显现，地铁隧道衬砌病害对交通造成严重的安全隐患。而隧道衬砌裂缝是最常见衬砌病害，运营中的隧道衬砌大多处于带裂缝工作的状态，因此，对地铁隧道衬砌结构裂缝演化机制以及衬砌结构安全性研究具有重要意义。　　本文以青岛地铁2号线石老人站到苗岭路站区间、3号线地铁大厦站到海尔路站区间和五四广场站到错埠岭站区间隧道裂缝病害检测项目为背景，以隧道衬砌裂缝为研究对象，采用颗粒离散元法，建立围岩与地铁隧道的离散元模型，对衬砌裂缝发育及扩展规律进行研究，并根据模拟结果找出隧道衬砌裂缝演化规律和薄弱位置，作为建立评价体系的依据，提出带裂缝衬砌的安全状态分级评价体系，取得主要结论与成果如下：　　（1）通过对青岛地铁隧道典型区间裂缝病害检测，总结了衬砌病害分布规律和几何形状特征，就衬砌裂缝走向而言，47%的裂缝是环向裂缝，纵向裂缝占比32%，斜向裂缝占比14%，网状裂缝仅占7%。按衬砌裂缝的分布位置来说，拱腰裂缝占比62%，其次是拱顶27%，拱肩裂缝占比最少为11%。就裂缝的几何尺寸而言，裂缝长度分布区间集中在3~9m，裂缝深度主要集中在60~120mm区间，裂缝宽度主要分布在0.2~0.8mm之间。裂缝病害的总体情况较好，裂缝形式中环向裂缝居多，裂缝多为发育程度较低的微小裂缝。　　（2）使用颗粒流方法完成围岩与衬砌的建模并进行细观参数标定，建立围岩与衬砌材料的试样模型。通过单轴实验、剪切试验确定围岩及衬砌等材料的宏细观参数对应关系，标定出离散元模型颗粒和接触模型合适的细观参数，最后得到5组细观参数用于模拟围岩及衬砌材料。比较不同模型本构关系的特点，选取平行粘结模型来定义颗粒间的接触，选取删除连接的方法模拟隧道衬砌裂缝，完成颗粒流方法带裂缝隧道衬砌的建模。　　（3）采用离散元方法对衬砌裂缝存在条件下的衬砌裂损状态分布及扩展规律进行了分析，并且以预设裂缝完全贯穿衬砌时加载墙单元位移距离作为侧面反映裂缝危险程度的指标。在拱腰位置预设裂缝，预设裂缝完全贯穿衬砌时加载墙单元的位移最大，其次是在拱肩位置预设裂缝，在拱顶处预设裂缝完全贯穿衬砌时加载墙单元的位移比在拱肩和拱腰要小很多，随着预设裂缝深度增大加载墙单元位移呈线性减小，预设深度变化对衬砌结构拱肩处影响更为显著。预设多条裂缝时，裂缝之间有互相连通趋势，在预设裂缝处有剥落掉块风险，预设裂缝条数越多，对衬砌结构安全性影响越大。裂缝预设拱顶和拱肩时，裂缝扩展和发育主要受拉应力影响，裂缝预设在拱腰时，裂缝扩展和发育受拉应力和剪应力影响，张拉裂缝大都贯穿衬砌，剪应力对衬砌截面抗裂性能不利，剪切裂缝出现一般是沿衬砌平截面轴线方向，导致隧道衬砌有剥落趋势。裂缝沿衬砌断面薄弱部位发展，当预设裂缝存在时，裂缝首先沿预设裂缝开始扩展，其它位置再出现裂缝，预设裂缝在拱顶时，衬砌裂缝开裂和发展顺序为：拱顶→拱肩→拱脚，预设裂缝拱肩时，拱肩内侧→拱顶→拱肩外侧→仰拱，预设裂缝拱腰时，拱腰内侧→拱脚→拱肩。　　（4）建立了隧道衬砌裂损衬砌安全状态评价模型，并且结合青岛地铁隧道检测工程实际，验证分级方法的可行性和可靠性。构建隧道衬砌裂缝的安全状态评价模型，选取衬砌裂缝几何尺寸、裂缝密度状况、裂缝分布状况作为一级指标，将裂缝的长度、宽度、深度和裂缝走向、部位以及裂缝数量作为基础指标。基于现场检测数据和数值模拟结果，提炼出了各个指标的隶属度函数，确定隧道衬砌病害状态等级评价表，通过计算出最终的模糊评判矩阵，对衬砌裂缝进行了安全状态评级。
作者：	王观群
专业：	建筑与土木工程
导师：	洪勇;张拥军
授予学位：	硕士
授予学位单位：	青岛理工大学
学位年度：	2021