基于三维激光扫描变形的地铁盾构隧道结构安全评估研究

In recent years, there have been a number of severe engineering accidents of metro shield tunnel structures in China. The scientific and reasonable computation modelling of shield tunnel structures is the crucial theoretical foundation of metro structure safety assessment and protection. The three-dimensional (3D) deformation data is the important index that directly reflects the stress state of shield tunnel structure. For this reason, this project intends to take deformation point cloud data obtained by terrestrial laser scanning (TLS) as computational boundaries, establish the numerical model of shield tunnel structures in order to achieve the safety assessment of current structural situation. At first, different shield tunnels with various disease degrees will be measured using TLS technology to obtain the actual 3D deformation point cloud data. On the next step, combing with the intended 3D beam/shell-spring numerical model which can reflect the nonlinear characteristics of segmental joints, coupling effect of tunnel longitudinal and lateral deformation, a simplified safety assessment model of shield tunnel structure will be created. Subsequently, this project will consider the detailed features of segmental lining and fully utilize the ultrahigh-performance of the super-computing system, the Milkyway-2, to create a 3D refined model of multiple-rings staggered shield tunnel which contains more than 5 million elements. Finally, the practical measured deformation cloud data will be exerted into the above computational model to explore the protection and control standard of shield tunnel structural safety.

近年来，国内已发生多起地铁盾构隧道结构安全保护严重工程事故。科学合理地建立盾构隧道结构安全评估计算模型，是开展地铁结构安全保护工作的重要理论基础。三维变形数据是直接反映盾构隧道结构受力状态的重要指标。本研究拟将三维激光扫描变形云数据作为计算边界，建立盾构隧道结构安全评估计算模型，以实现现状安全评估。首先，运用三维激光扫描技术，选取不同病害程度的盾构隧道进行测量，获取隧道三维变形云数据；其次，结合拟推导的可反映管片接头非线性、隧道纵横向变形耦合的三维梁（壳）-弹簧模型，施加三维变形边界条件，建立快速简化的盾构隧道结构安全评估计算模型；再次，结合衬砌结构细部特点，构建超过五百万单元数量级的多环错缝拼装三维数值模型，借助天河二号超级计算机系统的超强计算能力，建立三维精细的盾构隧道结构安全评估计算模型；最后，应用上述计算模型，结合隧道实测变形云数据，探讨盾构隧道结构安全保护控制标准。

众所周知，地铁盾构隧道结构全寿命过程始终处于非常复杂的荷载环境中。在复杂的荷载环境中，地铁盾构隧道会表现出一些病害。这些病害不仅会影响地铁盾构隧道结构耐久性，还会给地铁隧道运营安全和结构安全带来隐患，特别是在已存在一定病害的地铁盾构隧道沿线进行外部作业时，风险会剧增。.本项目基于此背景，以大量的工程实测数据、盾构隧道室内相似模型试验以及大型商业有限元软件Midas等为手段，提出了基于三维激光扫描技术的盾构隧道结构安全评估方法。本项目优先研究了盾构隧道接头的破坏失效机理；再通过Midas FEA有限元软件搭建了盾构隧道的三维精细化数值平台，并针对盾构隧道的三维变形机理及多种加固措施进行了系统研究；通过进入隧道现场进行三维激光扫描得到大量点云数据，并进行相应处理，成功获取隧道的收敛变形等关键指标同时还能定性的分析隧道病害；同时搭建了盾构隧道的室内相似模型试验平台，研究了盾构隧道横向变形及横向刚度有效率随荷载的变化情况；最后提出了基于三维激光扫描数据同时考虑横向刚度有效率的变化的有限元数值模拟方法。该方法能较为准确的评估盾构隧道的结构安全状态。.本项目的研究能够较为准确的评估目前各种条件下的盾构隧道结构安全状态，为地铁盾构隧道的安全运营提供有力的技术支撑。