拼装式盾构结构服役性能退化模型及在隧道维养应用中研究

State-of-the-art service performance models for shield tunnel structure need to be improved to provide a quantitative assessment and prediction for structure service performance, which typically comprises of safety, serviceability, and durability. This research addresses this problem from three aspects, i.e., deterioration of structure performance, deterioration of performance index, and deterioration of overall performance. The main research contents include: (1) Conducting full scale tests on the shield tunnel segments and joints which have subjected an accelerated material degradation in a controlled environment, and obtaining the performance of a degraded shield tunnel structure. (2) Obtaining the time series states of structure performance index and the relationship between structure performance index and various intrinsic/extrinsic factors by analyzing tunnel inspection data, and establishing a stochastic duration model for structure performance index. Then, construct a stochastic deterioration model for overall structure performance which is capable of incorporating maintenance effectiveness by considering the relationships between overall performance, performance index, and various intrinsic/extrinsic factors in the state-space. (3) Integration of the performance model with the Metro Tunnel Digital Monitoring System, and application to the tunnel maintenance. The main objectives of the research are to investigate the deterioration mechanism of shield tunnel from structure perspective, assess and predict the structure performance quantitatively, and provide theoretical basis for choosing maintenance and rehabilitation options and times.

针对盾构隧道结构服役性能（主要指结构安全性、适用性和耐久性）评价和预测方法不完善的问题，从结构力学性能退化、服役性能分项指标退化、整体服役性能退化三个方面出发，创新性地开展：①进行材料加速老化后的盾构隧道管片与纵缝接头足尺加载试验，研究材料性能退化后的盾构隧道结构力学性能；②根据大量盾构隧道检查实测资料，获取结构服役性能分项指标的时间状态序列及其与内外影响因素的概率统计关系，建立结构服役性能分项指标退化的随机持续时间模型；在此基础上，探寻结构整体服役性能、服役性能分项指标及其内外影响因素三者之间的状态空间关系，最终建立考虑维养作用的结构整体服役性能退化随机过程模型。③实现结构服役性能与地铁监护数字化系统的集成，以及服役性能退化模型在盾构隧道养护中的应用。研究旨在从结构层面探寻盾构隧道服役性能退化机理，为定量化评价结构服役性能、预测服役性能变化趋势、合理确定维护养护手段和时间提供理论依据。

针对盾构隧道结构服役性能评价和预测方法不完善的问题，从结构力学性能退化、服役性能退化、盾构隧道养护三个方面出发，研究盾构结构服役性能退化模型及在隧道维养应用。在结构力学性能退化方面，以上海运营地铁盾构隧道为工程背景开展了材料加速老化后（碳化、氯离子和硫酸根离子侵蚀等因素耦合）的盾构隧道管片与纵缝接头足尺加载试验，采用理论、试验和数值模拟相结合的方法获得了材料性能退化后的盾构隧道管片与纵缝接头力学性能，发现材料老化后对纵缝接头抗弯性能影响主要体现在边缘混凝土接触至破坏的阶段；性能退化受外表面硫酸盐侵蚀影响最大，内表面混凝土碳化次之，钢筋锈蚀影响最小。在服役性能退化方面，根据大量盾构隧道检查实测资料，获取了结构服役性能分项指标的时间状态序列及其与内外影响因素的概率统计关系，建立了结构服役性能分项指标退化的随机持续时间模型；首次提出了盾构隧道服役性能指标TSI（Tunnel Serviceability Index），通过多元回归模型建立了结构整体服役性能与服役性能分项指标及其内外影响因素的关系，提出了基于专家打分法的盾构隧道服役性能评估方法；在盾构隧道服役性能指标TSI基础上，进一步提出了考虑发展趋势和动态权重的盾构隧道服役性能评估方法，以及基于贝叶斯有序概率模型和马尔科夫蒙特卡洛MCMC方法的盾构隧道服役性能的动态概率型退化模型，为隧道的合理养护手段及时间提供了理论依据。在盾构隧道养护方面，建立了盾构隧道信息交换标准，并以此为基础开发了首个开源的智慧基础设施服务系统iS3（Infrastructure Smart Service System），实现了盾构隧道全寿命数据采集、处理、表达、分析的一体化决策服务。该系统集成了上述研究成果以及工程常用计算方法，在上海、广州等不同地区的地铁隧道等地下基础设施的建设和运营中得到了验证和应用。