一种基于衬砌劣化的隧道结构剩余寿命预测方法技术

发明专利技术公开了一种基于衬砌劣化的隧道结构剩余寿命预测方法，包括以下步骤：步骤1，建立隧道衬砌混凝土强度劣化模型；步骤2，根据工程实测，确定衬砌混凝土碳化深度和混凝土弹性模量发展规律，建立碳化深度预测模型；步骤3，根据隧道实际状况，建立隧道衬砌有限元计算模型，提取隧道衬砌受力状况；步骤4，获得隧道衬砌安全系数时变公式；步骤5，建立隧道衬砌剩余寿命预测方法。本发明专利技术的隧道衬砌安全性评价及预测方法考虑了隧道衬砌碳化、隧道衬砌强度劣化对隧道衬砌安全性的影响，与公路隧道设计规范和工程实际相结合，计算结果可以更真实地反映隧道衬砌安全性，可以较为准确地预测评价隧道衬砌剩余寿命。道衬砌剩余寿命。道衬砌剩余寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种基于衬砌劣化的隧道结构剩余寿命预测方法


[0001]本专利技术属于隧道工程中隧道结构安全性评价及预测领域，特别涉及一种基于衬砌劣化的隧道结构剩余寿命预测评价方法。

技术介绍

[0002]由于隧道工程的建设难度和造价，隧道工程的设计使用寿命超过100年。在隧道衬砌施做后的整个阶段内，隧道衬砌便面临着长期的环境考验，在隧道使用寿命周期内，围岩蠕变、初次衬砌的失效会导致二次衬砌承受的压力越来越大。衬砌混凝土本身受环境影响非常容易劣化，因为隧道的混凝土在浇筑过程中，混凝土内外存在温差，再加混凝土本身硬化，很容易产生收缩裂缝，这些裂缝为混凝土的碳化提供了便利。混凝土的碳化是混凝土所受到环境影响的一种化学腐蚀。空气中CO2气渗透到混凝土内，与其碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低的过程称为混凝土碳化，又称作中性化，其化学反应为: Ca(OH)2+CO2＝CaCO3+H2O。水泥在水化过程中生成大量的氢氧化钙，使混凝土空隙中充满了饱和氢氧化钙溶液，其碱性介质对钢筋有良好的保护作用，使钢筋表面生成难溶的 Fe2O3和Fe3O4，称为钝化膜(碱性氧化膜)。碳化后使混凝土的碱度降低，当碳化超过混凝土的保护层时，在水与空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋开始生锈。衬砌混凝土遭受腐蚀、碳化，导致其产生裂缝，隧道衬砌有效厚度显著减小。因此在隧道衬砌全寿命周期的评估中，需要充分考虑这些现象对隧道长期性能与安全的影响。
[0003]目前关于隧道衬砌结构寿命预测的研究大多是以室内混凝土快速碳化试验为基础，同时结合钢筋锈蚀准则、混凝土开裂准则作为判断依据，取得了一系列研究成果，包括裂缝限值控制的衬砌结构寿命预测、承载力限制控制的衬砌结构寿命预测，可以对衬砌结构安全性评价并对剩余寿命进行预测。孙富学等在“隧道衬砌结构耐久寿命预测研究”一文中(地下空间与工程学报,2006,2(3):3.)提出了以裂缝限值和承载力分别作为衡量隧道结构寿命终结标准,并分别对不同准则下结构寿命进行预测,通过比较确定衬砌结构最终寿命的方法。刘继林等在“隧道衬砌结构耐久性寿命预测及防治措施”一文中，以裂缝限值、碳化准则和承载力准则分别作为衡量隧道结构寿命终结标准。
[0004]上述现有模型和方法的局限：第一，公路隧道衬砌结构处于强地应力作用下，对衬砌寿命的预测未考虑应力影响。第二，现有方法忽略了隧道衬砌缺陷导致结构受力变化对预测产生的影响。第三，现有方法未考虑衬砌运营年限增加导致衬砌承载力动态下降，导致预测偏差较大。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种基于衬砌劣化的隧道结构剩余寿命预测方法，综合考虑隧道衬砌碳化对隧道有效厚度的影响，隧道运营年限增加对衬砌混凝土承载力的影响，隧道衬砌受力对安全性的影响，计算结果可以更真实地反映隧道衬砌安全性。
[0006]为实现上述目标，本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种基于衬砌劣化的隧道安全及剩余寿命预测方法的方法，利用现场测得的混凝土强度参数，推测监测点区域范围的隧道壁混凝土碳化深度，对隧道混凝土结构性能状态进行智能评价。包括以下步骤：
[0008]步骤1，建立隧道衬砌混凝土强度劣化模型。
[0009]根据既有腐蚀性离子环境下混凝土腐蚀规律，提出了服役环境中衬砌厚度简化时变模型，进一步将衬砌劣化厚度与衬砌弹性模量、强度建立联系，提出了衬砌抗拉强度与抗压强度随时间指数衰减的时变模型如下：
[0010][0011]其中，t0为支护施做时间；R
a0
为混凝土初始抗压强度；R
a
(t)为衬砌时变抗压强度；R
l0
为混凝土初始抗拉强度；R
l
(t)为衬砌时变抗拉强度；β为常量，代表衬砌劣化系数，根据混凝土等级选取。
[0012]步骤2，根据工程实测，确定衬砌混凝土碳化深度发展规律并建立碳化深度预测模型。
[0013]结合基础碳化深度预测模型及现场碳化深度实测数据，提出对应工程的碳化深度预测模型如下：
[0014][0015]其中，K
mc
工程碳化系数，根据实测结果进行拟合；k
co2
为二氧化碳浓度影响系数，T为环境年平均温度(℃)；RH为环境年平均相对湿度(％)；f
cu
为混凝土立方体抗压强度(MPa)；m
c
为隧道混凝土实测强度。
[0016]步骤3，根据隧道实际状况，建立隧道衬砌有限元计算模型，提取隧道衬砌受力状况。
[0017]根据隧道埋深、隧道衬砌设计资料、隧道衬砌实际检测结果、围岩强度等条件在有限元软件中建立有限元模型并计算，在后处理中提取隧道衬砌关键截面的弯矩M和轴力N分布。
[0018]步骤4，获得隧道衬砌安全系数时变公式。
[0019]利用步骤3得到的隧道衬砌断面的弯矩M和轴力N，并将步骤1、步骤2中的隧道衬砌混凝土强度劣化模型和衬砌混凝土碳化深度预测模型代入到《公路隧道设计规范JTG3370.1 —2018》中规定的衬砌安全系数计算公式中，得到安全系数时变公式如下：
[0020][0021]其中，为混凝土稳定系数；N为轴向力(kN)；M为弯矩(kN
·
m)；α
X
为随时间变化的偏心影响系数：
[0022][0023]e0为轴向力偏心距，e0＝M/N；
[0024]b为隧道衬砌截面宽度(m)；h为隧道衬砌截面厚度(m)。
[0025]步骤5，建立隧道衬砌剩余寿命预测方法。
[0026]当步骤4中得到的安全系数低于2.4时，则代表衬砌安全使用寿命终结，利用终结的时间减去已投入运营的时间，据此可以预测出衬砌剩余使用寿命。
[0027]有益效果：相对于现有技术，本专利技术具有以下特点：
[0028](1)本专利技术利用现场测得的混凝土强度参数，推测监测点区域范围的隧道壁混凝土碳化深度，对隧道混凝土结构性能状态进行智能评价。计算结果可以更真实地反映隧道衬砌安全性。
[0029](2)本专利技术考虑隧道衬砌碳化对隧道有效厚度的影响、隧道运营年限增加对衬砌混凝土承载力的影响、隧道衬砌受力对安全性的影响等三个方面的因素、考虑已运营隧道的实测数据，将其作为修正系数，从而可以更加精准地预测隧道的使用寿命。为隧道工程长期运营降低了成本的同时，也保证了隧道工程的安全性，具有良好的经济效益和社会效益。
附图说明
[0030]图1为本专利技术一种基于衬砌劣化的隧道结构剩余寿命预测方法流程图；
[0031]图2为实施例1中隧道衬砌结构强度劣化趋势图；
[0032]图3为实施例1中隧道衬砌结构碳化深度发展预测图；
[0033]图4为实施例1中隧道衬砌结构安全系数时变图。
具体实施方式
[0034]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0035]实施例1
[0036]参照图1所示，一种基于衬砌劣化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于衬砌劣化的隧道结构剩余寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据既有腐蚀性离子环境下混凝土腐蚀规律，建立隧道衬砌混凝土强度劣化模型；步骤2，根据工程实测，确定衬砌混凝土碳化深度发展规律并建立碳化深度预测模型；步骤3，根据隧道实际状况，建立隧道衬砌有限元计算模型，提取隧道衬砌受力状况；步骤4，获得隧道衬砌安全系数时变公式；步骤5，建立隧道衬砌剩余寿命预测方法。2.如权利要求1所述的一种基于衬砌劣化的隧道结构剩余寿命预测方法，其特征在于，步骤1所述隧道衬砌混凝土强度劣化模型具体为：其中，t0为支护施作时间；R
a0
为混凝土初始抗压强度；R
a
(t)为衬砌时变抗压强度；R
l0
为混凝土初始抗拉强度；R
l
(t)为衬砌时变抗拉强度；β为常量，代表衬砌劣化系数，根据混凝土等级选取。3.如权利要求1所述的一种基于衬砌劣化的隧道结构剩余寿命预测方法，其特征在于，步骤2所述碳化深度预测模型如下：其中，K
mc
工程碳化系数，根据实测结果进行拟合；k
co2
为二氧化碳浓度影响系数，T为环境年平均温度(℃)；RH为环境年平均相对湿度(％)；f
cu
为混凝土立方体...

【专利技术属性】
技术研发人员：缪林昌，刘栗昊，王霆，钱振东，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：