盾构隧道管片衬砌裂损机理及其防裂与修复技术研究

Shield tunnels are widely found in urban subways, municipal roads, high-speed railways, expressways, pipe galleries and other projects in China, with broad potential application prospect. Aimed at the crack defects and safety of segmental lining appearing easily during construction period and operation period of shield tunnel, this study will be conducted by using comprehensive research methods of literature investigation, theoretical analysis, numerical simulation, indoor experiment and field engineering verification. The study will carry out the following research: the cracking mechanism of segment lining under the coupling actions of construction loads during construction period of shield tunnel, the cracking mechanism of segment lining on the basis of existing cracks during construction period of shield tunnel, the safety assessment model and method for assessing the safety of cracked segment lining of shield tunnel, the reinforcement technique for crack prevention of precast segments and repair technology for cracked segment lining, and so on. Through the research, the analysis and assessment theory of cracked segment lining will be formed preliminarily, which is expected to promote the construction quality and maintenance level of the shield tunnel in China.

盾构隧道在我国城市地铁、市政公路、高速铁路、高速公路、综合管廊等工程中广泛存在，量大面广，潜在应用前景广阔。本研究针对盾构隧道施工期和营运期极易引起的管片衬砌裂损缺陷及其安全，采用资料调研、理论分析、数值模拟、室内试验以及现场工程验证等相互结合的综合研究手段，开展盾构隧道施工期施工荷载耦合作用下管片衬砌裂损机理、基于前期裂损的盾构隧道营运期管片衬砌裂损机理、盾构隧道裂损管片衬砌安全评估模型与方法以及盾构隧道管片衬砌增强防裂与裂损修复技术等研究。通过研究，以期形成盾构隧道管片衬砌裂损的分析和评估理论以及增强和修复技术，推动我国盾构隧道的建设质量和维护水平。

随着盾构隧道在我国地下工程建设中的广泛应用，其在施工和运营期的裂损问题愈发引起人们关注。对管片衬砌裂损机理进行探究，并在此基础上形成防裂与修复技术，对于提高我国盾构隧道的建设质量和维护水平具有重要意义。本研究采用资料调研、理论分析、数值模拟以及室内试验相结合的方法，对管片衬砌在施工和运营期的裂损机理开展了深入研究，构建了管片衬砌裂损智能化识别和安全评估方法，建立了管片衬砌增强防裂与裂损修复技术。研究的主要内容和成果如下：（1）基于混凝土弥散开裂本构和塑性损伤本构，揭示了千斤顶不良顶推作用、盾尾挤压等施工荷载作用下管片衬砌开裂、损伤机理。（2）基于扩展有限元方法和动力学理论，探明了管片衬砌在地震作用、超压荷载等运营期荷载作用下的开裂、损伤机理，揭示了材料腐蚀劣化对列车振动荷载下管片衬砌动力响应的影响；（3）通过管片接头抗弯、抗剪加载试验，探明了管片衬砌接头抗弯、抗剪承载力学特性和破坏机理；（4）通过加载试验和理论分析，建立了通过光纤所测分布式应变对裂缝宽度进行预测的PSO-BPNN网络模型，从试件、梁构件、管片不同尺度探讨了压电陶瓷用于识别结构刚度劣化的可行性，提出了进行截面抗弯刚度退化识别的有效指标，建立了包含开裂稳定性和结构强度安全性的安全评估方法；（5）通过原型管片加固试验、数值模拟和理论分析,揭示了UHPC材料对于增强管片衬砌在承载性能和施工期、运营期抗防裂能力的效果，探明了UHPC加固管片的承载力学机理和破坏机理，建立了UHPC加固截面承载性能计算理论。