隧道衬砌锈蚀钢筋的热效应及红外检测方法

隧道衬砌受腐蚀环境、材料劣化以及地下水的影响,衬砌钢筋锈蚀将成为衬砌后期服役的主要病害之一,钢筋锈蚀以及产生的顺筋裂缝直接威胁衬砌的耐久性和安全性,为此,及时检测钢筋锈蚀程度十分重要。目前的检测方法以接触式测量为主,效率低,为探究非接触快速检测的可行性,采用室内试验和数值分析相结合的方法,深入研究了浅层钢筋锈蚀的热传导规律,分析了主动热激励条件下钢筋锈蚀程度和混凝土保护层厚度对衬砌表面温度场的影响规律。结果表明:主动热激励条件下锈蚀产物表面分布区在热像图中表现为高温区;钢筋锈蚀率为4.36%~23.16%时,衬砌表面温差为2.3℃~4.4℃;试件表面温差随钢筋锈蚀程度的增加而增大,呈现三次函数的关系;而混凝土保护层厚度与表面温差呈明显的负相关性,保护层厚度越大,温差越小。夏季时由于衬砌内外温差导致的热传导效应将在钢筋锈蚀位置的衬砌表面产生,通过红外热像仪检测衬砌表面的温度分布,结合衬砌表观特征,可以综合判定钢筋的锈蚀程度,为钢筋锈蚀的快速检测提供了新的方法和技术手段。

隧道衬砌裂缝特征对承载力的影响分析

为明确松动荷载作用下,衬砌裂缝特征对结构承载性能的影响,通过1∶10模型试验和数值分析研究了带裂缝结构的受力变形特征、破坏模式和极限承载能力。结果表明:对于预制裂缝长度不超过L/3(试件纵向长度)、深度不超过0.7 H(试件厚度)的试件,裂缝发展存在阶段性特征,试件破坏由拱腰失效引起,属于延性破坏。对于预制裂缝长度不低于2 L/3或深度不低于0.9 H的试件,裂缝发展过程不存在阶段性特征,试件破坏由拱顶失效引起,属于脆性破坏;随裂缝长度和深度增加,结构极限承载力降低。当预制裂缝长度为L/3且深度为0.3 H、0.7 H、0.9 H,以及长度为2 L/3且深度为0.3 H、0.7 H时,试件极限承载力依次为完整试件的86.96%、78.26%、73.91%、69.57%、60.87%。相比于裂缝深度,纵向长度对结构承载性能影响更明显,可作为裂缝评价的重要指标;提出了基于裂缝特征的衬砌承载力预测公式,可明确带裂衬砌的极限承载力,为结构性能评估、加固时机及加固参数的选取提供依据。

机器视觉下多特征组合的围岩风化程度判定方法

针对围岩风化程度判定存在主观性强、准确率低的问题,开展基于图像识别和机器学习的围岩风化程度定量化判别技术研究。依托大广复线扩容工程搜集隧道施工期间掌子面的图像,采用数字图像处理技术对掌子面图像颜色信息、表面纹理信息、节理信息进行自动化提取。基于提取的指标参数,借助机器学习方法进行指标筛选,并建立围岩风化程度预测模型。通过研究可以得到:1)对预测模型准确率贡献度由大到小的指标分别为颜色、完整性和纹理,各单一指标预测模型准确率分别为71.91%、70.78%、47.19%;2)多指标组合模型相较单一指标模型判定准确率更高,采用颜色、纹理、完整性3个指标的组合模型,准确率达到86.52%;3)对13个二级指标进行特征筛选,剔除5个贡献度较低的纹理特征指标,采用剩余的8个关键指标构建预测模型,预测精度仍能达到85%,满足工程需求。研究结果表明:掌子面图像的颜色、纹理、完整性信息能够有效表征围岩风化程度,建立在这些指标之上的机器学习预测模型能够稳定有效地对掌子面的风化程度进行判定。

自然条件下隧道衬砌浅层钢筋锈蚀的热效应与红外检测方法

隧道随着服役年限增加,衬砌渗漏水、开裂等病害已成常态,由此造成的钢筋锈蚀逐渐显现,钢筋锈蚀一定程度后将引起衬砌剥离剥落,因此,及时发现钢筋锈蚀程度及位置尤为重要。通过室内试验和数值模拟研究了自然温差条件下钢筋锈蚀衬砌的热传导规律,分析了衬砌内外温差、钢筋锈蚀程度对衬砌内表面温度分布的影响规律,探索了红外热成像技术检测衬砌浅层钢筋锈蚀的可行性和适用条件。结果表明:①衬砌内外温差1.0℃~11.9℃时红外检测具有可行性,冬季时衬砌内外温差可满足条件;钢筋锈蚀率为6.51%,19.02%和23.16%时红外检测所需的最小温差为3.8℃,1.8℃和1.4℃。②衬砌钢筋锈蚀率(ρ)与二次衬砌内表面温差(T_(1))、二次衬砌内外温差(T_(2))的关系式为ρ=1.1×10^(5)T_(2)^(-3.2)T_(1)^(3)+503.7T_(2)^(0.9T_(1))。衬砌内外温差为3~30℃时可检测的钢筋锈蚀率为9.78%~1.18%。③通过衬砌内外温差而产生的热传导效应,依据衬砌内表面温度分布可以综合判断钢筋锈蚀位置与锈蚀程度,为隧道衬砌浅层钢筋锈蚀提供了新的快速检测方法。

不同损伤程度下公路隧道粘钢加固效果试验研究

衬砌裂损是隧道常见病害形式,直接影响到结构承载力,粘钢加固作为结构补强的方式应用较多,但公路隧道粘钢加固后结构的承载性能和不同损伤程度下的粘钢加固效果研究较少。采用1∶10模型加载试验,研究了公路隧道在不同损伤程度下加固后结构的承载性能、受力变形特征和破坏过程,分析了粘钢加固效果、加固时机。研究结果表明:(1)原结构和加固结构在松动荷载作用下的变形过程均可分为4个阶段,但破坏特征及形态存在差异。(2)剩余承载力为50%F,30%F(F为原结构极限承载力)时加固,破坏荷载相对原结构提升50%,51%。在结构失效前施作钢板可有效提升其极限承载力,且受加固点荷载影响较小。剩余承载力为50%F,30%F时加固,最终变形量比原结构增加59%,56%,可降低脆性破坏风险。(3)加固结构破坏模式为拱顶大偏心受压破坏。(4)加固过晚时,钢板会因衬砌的表面裂缝及变形速度而难以有效黏结或长时间协同变形,导致加速破坏。建议将结构剩余承载力介于62%F至50%F作为公路隧道合理加固时机。

盾构隧道钢板加固黏结面作用机制与参数影响分析

钢板加固为盾构常用的加固方法,但是目前对钢板与管片黏结面作用机制认识不足,导致钢板加固设计盲目性较强。为此,采用ABAQUS软件中的cohesive单元和trace单元来模拟钢板加固及黏结面损伤行为,建立可反映钢板-管片黏结面损伤特征的钢板加固衬砌三维实体非线性模型,并通过模型试验验证其合理性。结合数值计算和理论分析,揭示外荷载作用下钢板-混凝土黏结面的作用机制,定量分析加固参数对黏钢加固效果的影响,提炼钢板加固效果的关键影响因素。研究结果表明:当钢板-混凝土黏结面出现损伤时,结构承载能力损失65%以上;当黏结损伤区域面积占比超过8%时,结构承载能力损失80%以上并且承载力急剧减小;当黏结损伤区域面积占比超过56%时,结构基本丧失承载能力。加固结构的承载能力对钢板厚度最敏感,抗剪黏结强度次之;加固结构的延性对抗剪黏结强度最敏感,钢板厚度次之;钢板厚度和抗剪黏结强度对加固结构各项性能的综合影响最大,应作为钢板加固设计关键参数。

加载条件下浅埋盾构隧道承载状态定量判定方法

沿海地区往往地层起伏较大且软硬不均,由于地层抗力的差异导致盾构隧道结构承载状态存在较大区别,为此,通过1∶5精细化模型试验,结合数值模拟研究了不同地层条件下错缝拼装盾构隧道结构承载状态的差异和结构承载状态定量判定方法。研究结果表明:①竖向荷载作用下结构在试验加载过程中依次发生拱顶管片开裂、拱腰纵缝外侧明显张开、拱顶纵缝外侧混凝土挤压开裂、拱腰外侧和拱顶内侧钢筋屈服、拱底螺栓屈服;②淤泥层、黏土层和填砂层的管片结构承载演化过程均存在6个关键节点,但不同地层在管片裂缝、接缝张开、钢筋受力、螺栓受力等方面存在差异;③根据管片损伤程度将结构承载状态分为4个等级,确定了各等级对应的竖向收敛和剩余承载力控制值。以粉质黏土层为例,各等级的竖向收敛控制值为2.0‰D,3.9‰D,15.3‰D,剩余承载力比例控制值为88.0%,76.9%,19.7%。研究结论可为沿海城市地铁服役状态的评估提供参考。

不同地层下大直径盾构隧道列车振动响应研究

为了探究带中隔墙的管片结构在不同地层下列车动力响应的差异,结合上海机场联络线工程中隔墙顶部“韧性节点”设计方案,建立考虑不同地层情况的道床-衬砌-土体三维有限元模型,采用动力时程的分析方法,研究了盾构隧道在不同地层时所受列车荷载的动力响应规律。结果表明:“韧性节点”的设计有利于优化隧道中隔墙的受力;列车荷载通过隧道结构时,衬砌底部的动力响应最大,腰部次之,衬砌顶部最小,衬砌顶部动力响应较底部减小了12.3%;隧道周围土体刚度越大,其加速度响应越小,衬砌变形越小;在振动响应传递的过程中,黏土地层的耗散最小,砂土地层的耗散最大,相差38%。综合分析来看当隧道位于黏土地层中时,需要加强衬砌结构的减振措施。

柔性连接隧道在正断层黏滑错动下的变形特征

针对穿越60°倾角活动正断层情况,隧道采取节段长度为0.5D(D为隧道洞径)、节段间柔性连接的隧道抗断措施;并对柔性连接隧道在正断层黏滑错动作用下的受力、变形特征进行模型试验研究。试验结果表明:在距离土体主破裂面1D范围内,柔性连接隧道衬砌结构的纵向、环向应变变化较大。柔性连接隧道的主要破坏形式为节段间转动和错台,隧道节段连接处发生2处转角为33°和28°的转动破坏,破坏范围为2.5D。在相同条件下,与未采取抗断设计的完整隧道相比:柔性连接隧道衬砌结构纵向应变要小于完整隧道应变,其破坏范围也小于完整隧道的破坏范围。

基于数字图像处理的隧道渗漏水病害检测技术

以隧道衬砌渗漏水面积为检测目标,研究出包括去噪、锐化、分割、修正的一整套数字图像处理算法。依次通过预处理、灰度变换、阈值分割、形态修正等步骤,实现病害目标的识别。通过室内外试验建立数字图像像素与实际拍摄面积的换算关系,最后开发隧道衬砌表面病害数字图像识别系统,为隧道衬砌渗漏水病害检测提供一种便捷、低成本、直观、高效的方法。

纵向裂缝对隧道衬砌承载力的影响分析

基于隧道衬砌拱顶结构1∶1的荷载试验,建立衬砌裂缝深度与衬砌刚度的关系,提出裂缝处衬砌刚度计算的梁弹簧模型。基于梁弹簧模型分析裂缝位置、裂缝深度和地层抗力对衬砌结构承载力的影响。计算结果表明:隧道拱顶安全系数随裂缝深度增加呈线性降低,裂缝深度为衬砌厚度的50%时,安全系数则降低78%;相同裂缝深度情况下,裂缝在拱顶时最不利,裂缝在拱腰、边墙以及拱脚时对结构安全系数影响较小;地层抗力对拱顶、边墙以及拱腰的安全系数影响较大,对拱脚的安全系数影响较小。

基于集成Dropout-DNN模型的盾构掘进速度预测方法

为了提升土压平衡盾构机的掘进速度预测精度,提出一种集成Dropout技术和深度神经网络(deep neural network,DNN)模型的盾构掘进速度预测方法。依据济南地铁R1线盾构隧道段工况数据,将数据集划分为5份,并选取刀盘转速、刀盘扭矩、总推进力、螺机转速、土仓压力这5个参数为输入参数,分别建立了5个Dropout-DNN模型并进行集成实现了盾构掘进速度的预测,进一步对不同的预测方法进行了对比分析。研究结果表明:各Dropout-DNN模型预测精度具有一定的差异性,但基本良好,其决定系数均大于0.6,平均绝对百分误差均小于10%,而集成的Dropout-DNN模型决定系数为0.695,平均绝对百分误差小于5%,可见集成模型预测精度较高;基于反向传播(back propagation,BP)神经网络、DNN模型实现的盾构掘进速度预测模型其决定系数分别为0.502、0.566,可见提出的集成Dropout-DNN模型预测精度提升明显。

60°倾角正断层黏滑错动对山岭隧道影响的试验研究

通过1∶50室内模型试验,模拟了60°倾角正断层黏滑错动下,与之正交的隧道结构的受力变形破坏过程,并布置传感器监测了隧道顶部和底部的地层压力、隧道轴向的应变和隧道环向的应变。试验结果表明,地层的永久变形和地层-结构的相互作用,导致了围岩压力在剪切带附近发生显著变化,上盘和剪切带范围内拱顶压力显著增大,下盘拱顶压力次之,上盘和剪切带隧道底部压力减小,下盘底部压力显著增大,隧道与下部围岩可能局部脱空以适应断层的剪切位移;上盘和剪切带范围内纵向弯矩为正,下盘范围内为负,隧道偏心受压;以原型混凝土压坏来判定衬砌破坏,初步确定原型结构破坏所容许的最大断层位移D=0.3m,理论上该值略偏大;隧道衬砌破坏区域,在剪切带和下盘范围分别为0.75和1.5倍隧道宽度。

75°倾角正断层黏滑错动对公路隧道影响的模型试验研究

通过1∶50室内模型试验,开展75°倾角正断层黏滑错动影响下隧道的受力变形机制研究,并监测隧道顶部和底部的地层压力、隧道轴向和环向应变。结果表明,地层的永久变形和地层–结构的相互作用,导致围岩压力在剪切带附近发生显著变化,上盘范围内拱顶压力显著增大,下盘拱顶压力次之,上盘隧道底部压力减小,下盘底部压力显著增大,隧道与下部围岩可能局部脱空以适应断层的剪切位移;上盘范围内为正,下盘范围内纵向弯矩为负;以原型混凝土压坏来判定衬砌破坏,初步确定原型结构破坏所容许的最大断层位移D=1.25 m,理论上该值略偏大。

45°倾角正断层粘滑错动对隧道影响试验分析

通过1∶50室内模型试验,模拟了45°倾角正断层粘滑错动下,与之正交的隧道结构的受力变形破坏过程,并布置传感器监测了隧道顶部和底部的围岩压力、隧道轴向的应变和隧道环向的应变.结果表明,围岩压力在剪切带附近发生显著变化,上盘和剪切带范围内拱顶压力显著增大,下盘拱顶压力次之,上盘和剪切带隧道底部压力减小,下盘底部压力显著增大,隧道与下部围岩可能局部脱空以适应断层的剪切位移;上盘和剪切带范围内隧道纵向弯矩为正,下盘范围内为负,隧道偏心受压;以原型混凝土压坏来判定衬砌破坏,初步确定原型结构破坏所容许的最大断层位移D=0.7m,理论上该值略偏大;隧道衬砌破坏区域长度,在剪切带和下盘范围分别为1.7和2.8倍隧道宽度.

偏压荷载下裂损特征对隧道衬砌受力影响试验

研制了偏压加载的全周封闭隧道模型试验装置，可对衬砌结构任意位置施加荷载，较真实地模拟偏压荷载作用下损伤衬砌受力特征。完成了6组1：10破坏性模型试验，对比偏压荷载下衬砌结构力学行为的裂缝特征效应。试验结果表明：偏压荷载下完整衬砌破坏过程为“偏压侧拱脚、非偏压侧拱肩、偏压侧拱肩”，共三个阶段，前三条裂缝出现时承载为极限荷载的30％-45％；压皱出现时承载比例为70％，试件急剧破坏，整体呈延性破坏。裂缝和荷载在同侧时，加载破坏过程为“偏压侧裂缝张开、压皱、试件破坏”，呈脆性破坏，拱肩裂缝对衬砌承载力影响最大。第一条预制裂缝在拱顶，深度为1／3衬砌厚度，第二条预制裂缝在拱肩，深度分别为1／3、1／2、2／3衬砌厚度时，试件极限荷载为完整衬砌的86．34％、76．09％、68．94％。衬砌结构均为偏压侧拱肩外侧压碎导致整个结构失去承载能力。损伤裂缝使得结构刚度大幅度减小，提出了裂缝深度与极限承载力关系公式，模型试验结果与公式计算值基本一致。

逆断层粘滑错动对公路隧道的影响

结合大量地震断层的案例,针对逆断层倾角为75°,60°,45°三种工况通过模型试验研究不同倾角逆断层粘滑错动下隧道应变分布规律和整个破坏过程.试验结果表明:断层倾角越小,上盘范围内隧道顶部的纵向拉应变越大,并且拉应变进入过载状态时的错动位移值越小.当断层倾角为75°时,隧道的主要破坏形式为直接剪切破坏;当断层倾角为45°时,隧道的破坏形式以弯曲拉破坏为主;45°倾角工况下隧道的破坏范围为上盘距离断层面2.0 D(D为隧道洞径)至下盘距离断层面0.2 D,75°倾角工况下隧道的破坏范围为上盘距离断层面0.8 D至下盘距离断层面0.4 D.

公路隧道穿越断层塌方预测多级模糊综合评判

针对隧道穿越断层破碎带施工中塌方事故的预测,文章较系统地总结了隧道穿越断层中塌方事故的影响因素,并确定了主要影响因素;然后根据因素的层次性、模糊性,引入多级模糊评判方法、层次分析方法(AHP)等理论,建立了断层塌方预测的二级模糊综合评判模型和方法,以及指标权重及隶属函数的确定方法;通过工程实例对评判模型进行了验证分析,结果与实际情况较为吻合,说明隧道穿越断层破碎带塌方预测的多级模糊综合评判指标体系是有效的。

纵向裂缝对隧道钢筋混凝土衬砌结构影响的试验

基于荷载-结构模型,开展了钢筋混凝土衬砌的加载试验.通过分析钢筋混凝土衬砌加载过程中结构的变形和裂缝展开规律,获得了纵向裂缝深度与结构转动刚度的关系曲线,提出了单一裂缝情况下钢筋混凝土衬砌的计算模型.该模型根据连接弹簧单元来模拟衬砌裂缝,弹簧单元的参数根据衬砌结构试验结果和理论分析确定.通过该模型得到的承载安全系数可以评价带裂缝衬砌是否需要进一步加固,对实际隧道工程具有指导意义.

节理倾角对公路隧道围岩塌落拱影响分析

文章主要通过室内石膏块模型试验对节理间距为0.5 m的隧道围岩在节理倾角分别为0°，30°，45°，60°和90°时无支护开挖情况下围岩的塌落拱跨度、高度和塌落面积的探讨，得出了在不同节理倾角下得到的结果，并与普氏理论值进行了对比分析，发现塌落高度、塌落宽度以及塌落面积均与节理倾角呈非线性变化关系，其极小值介于45°～60°之间；同时利用离散元软件UEDC对上述工况进行二维数值分析，室内试验结果与数值分析结果一致；依据数值计算和室内试验综合分析，得到了在不同节理倾角下塌落拱高度的计算方法。