[发明专利]基于变形数据的隧道二次衬砌结构的弯矩内力分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种弯矩内力分析方法，具体涉及一种基于变形数据的隧道二次衬砌结构的弯矩内力分析方法；

背景技术

隧道是公路、铁路交通路线中的一种穿越岩土体的关键性构筑物；目前我国公路、铁路隧道中大部分隧道结构均采用复合式衬砌结构这一型式，复合式衬砌是由喷锚初期支护和二次衬砌及中间夹防水层组合而成的隧道衬砌结构型式，其中喷锚初期支护一般由喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢拱架加劲支撑等多种支护形式组合而成；二次衬砌则主要以模筑混凝土为主；

目前我国已建成的大量的公路、铁路隧道在未来数十年中，其结构的安全性能否满足使用功能对保障我国人民的交通出行安全将是一个重大命题；其中核心问题是隧道结构的安全，在隧道结构中二次衬砌结构作为复合式衬砌的重要组成部分，特别是在运营期中其受力状态和内力分布是评估与分析结构安全的直接依据和评价基础；

采用何种方法，如何能够快速、安全、可靠、有效的得到二次衬砌结构的内力分布状态特别是内力弯矩的分布状态，是我国乃至世界隧道及地下工程研究者乃至从业人员最为关心的热点问题之一；

现有分析隧道衬砌结构的内力性态，包括弯矩分布，主要通过有限元法、有限差分法和边界元法等数值分析方法，包括荷载-结构法、地层结构法法等，通过建立隧道结构的数值模型进行分析；

目前在进行隧道与地下工程二次衬砌的内力和变形计算分析时，一般选用荷载-结构模型；公路隧道设计规范中规定：深埋隧道中的整体式衬砌、浅埋隧道中的整体或者复合式衬砌及明洞衬砌等应采用荷载结构法计算；深埋隧道中复合式衬砌的二次衬砌也可采用荷载结构法计算；其基本假定为：

因隧道为长细结构，应采用平面应变模型分析；假定衬砌为小变形弹性梁，衬砌为足够多个离散等厚度梁单元；用布置于模型各节点上的弹簧单元来模拟围岩与结构的相互作用，弹簧单元不承受拉力，受拉将自动脱落；弹簧的弹性系数由Winkler假定为基础的局部变形理论确定，一般采用地层的弹性抗力系数K值，再计算得出模拟结构与地层相互作用间的弹簧的弹性系数；

然后根据地质勘探的选择相应的岩土层物理力学参数进行计算和分析；

上述涉及到的技术方法存在以下几个问题或者缺陷：

①考虑到工程设计与分析中广泛采用ANSYS、FALC、Midas-GTS等商业有限元软件进行数值模拟指导设计与施工意义重大，但必须指出的是数值模拟的结果受初始岩土参数输入的影响很大，而恰恰是由于隧道赋存于岩土体介质中其不确定性，使二次衬砌的计算结果的可靠性和合理性变得更加模糊；

②同时采用数值模拟软件计算衬砌建模较为繁琐，处理过程较为复杂，导致分析效率不高；

③二次衬砌结构在实际使用过程中由于受到由于围岩压力、水泥水化热、混凝土收缩和徐变等各种不确定性因素的交叉综合影响，简单的采用上述提及荷载-结构法进行数值模拟是难以真实反映出衬砌结构的实际受力状态；

综上所述由于隧道的工程地质、围岩本构关系和施工因素等的不确定性，致使采用数值模拟方法得到隧道结构计算结果仍不能作为设计与分析的直接依据；

通过埋设传感器进行现场量测，是准确了解隧道二次衬砌混凝土应变及受力情况的重要方法；在公路隧道施工期间，因开挖和支护作用，围岩受到了一定的扰动，应力重分布现象明显；施工期衬砌结构的稳定性直接影响隧道施工安全；如果在施工期选择典型断面进行衬砌混凝土应力应变量测(如图1)，可获得较为准确的第一手资料；

在隧道衬砌中埋置的传感器元件通常分为：钢弦式应力应变传感器以及光纤式传感器(如图2)两大类；通过数据采集系统获得传感器发出的有关数据而得到的，例如钢弦式传感器由频率变化值来得到相应的力的变化值，而光纤式传感器通过监测FBG(光纤光栅)波长变化，得到结构应力应变情况；

尽管采用埋置传感器进行获取隧道衬砌结构的内力分布和规律，是一种准确了解隧道衬砌混凝土受力情况的重要方法，但该方法的缺点十分明显：

①埋设传感器测应力这种方法主要有费用较大较多、安装复杂等特点，往往在隧道现场一般仅作为监控量测的选测项目；

②需要监测的断面必须在衬砌施工前进行埋设，监测断面数量有限，存在对施工的干扰；

③其中采用钢弦式应力传感器，其数据稳定性差，长期性也不能满足，传感器的线头很容易遭到人为的破坏，而且无法对长期的运营隧道进行量测；

④其中采用光纤式传感器，数据稳定性较好，长期性也可以，但是由于其费用非常昂贵，无法满足获取隧道的任意断面内力弯矩分布；

发明内容