钢板-混凝土组合加固盾构隧道衬砌结构的受力性能与设计方法研究

The strengthening of segmental tunnel linings is becoming an ever more important issue with the continuous development of urban rail transit construction and operation. Inspired by the philosophy of steel-concrete composite structures, this study proposes a new concept in which segmental tunnel linings are strengthened by using steel plate-concrete composite technique. The research will start with the experimental investigation and numerical simulation on the mechanical behavior of the strengthened segmental elements. The influencing factors and their roles will be evaluated further. Thereafter, the prototype tests on failure characteristics of strengthened segmental tunnel linings will be conducted. A computationally efficient macro modeling scheme will be developed to simulate the structural behaviors. The overall performance and mechanical behavior of the strengthened linings could thus be discovered. Based on the knowledge learned from the above experimental and computational studies, a methodology will be proposed to analyze and design the strengthened segmental tunnel linings using steel plate-concrete composite technique. The present study is of great value in the rehabilitation, repair or upgrading of segmental tunnel linings of urban rail transit.

如何在不中断地铁盾构隧道使用功能的目标下对其进行高效可靠的结构加固，是当前城市轨道交通结构安全保障实践中迫切需要解决的现实问题。项目研究针对钢板-混凝土组合加固盾构隧道衬砌结构的新型结构形式，首先在构件层次开展组合加固管片压弯性能的试验研究，通过精细限元模型的分析，明确组合加固管片的受力特征，阐明影响其组合效应的主要因素及其作用规律。随后在结构体系层次实施组合加固原型衬砌结构的破坏试验，基于宏观有限元模型的非线性分析，明确加固衬砌结构的极限承载力和薄弱部位，揭示加固结构的整体工作性能和受力机理。在此基础上，提出组合加固衬砌结构受力分析和承载力计算的实用方法，形成可反映加固衬砌结构受力特点的计算理论和设计方法。. 项目研究将揭示钢板-混凝土组合加固盾构隧道衬砌结构的受力机理，探明二次受力对加固衬砌结构受力性能的影响机制，有利于促进城市轨道交通结构安全保障技术的进一步发展。

针对当前城市轨道交通结构安全保障实践中可用的加固手段单一、效率低下的工程难题，项目研究以探索高效可靠的结构加固方法为目标，提出了钢板-混凝土组合加固盾构隧道衬砌结构的新型结构形式，所开展的主要研究内容包括：1）在构件层次开展了组合加固管片压弯性能的试验研究和理论分析，明确组合加固管片的受力特征，把握钢板、新浇混凝土层和原有管片共同工作的组合作用机制。2）在结构体系层次实施了组合加固原型衬砌结构的破坏试验，建立了模拟加固结构受力全过程的非线性宏观有限元模型，明确结构的整体工作性能、极限承载力和薄弱部位，揭示加固结构的整体工作性能和受力机理。3）提出组合加固衬砌结构受力分析和承载力计算的实用方法，从组合加固衬砌结构的受力分析和承载力计算等方面着手，形成钢板-混凝土组合加固衬砌结构的计算理论和设计方法。. 研究的重要结果包括：1）阐明了钢板-混凝土组合加固盾构隧道衬砌结构的组合作用机制及其受力机理，掌握了影响结构受力性能的主要因素及其作用规律。2）建立了适合于钢板-混凝土组合加固盾构隧道衬砌结构非线性分析的宏观有限元模型。3）形成了采用钢板-混凝土组合技术进行衬砌结构加固的设计理论和方法。. 项目研究揭示了钢板-混凝土组合加固盾构隧道衬砌结构的受力机理，探明二次受力对加固衬砌结构受力性能的影响机制；所提出的钢板-混凝土组合加固地铁隧道结构，充分吸收了现代组合结构的思想，可有效避免地铁隧道加固中严格的空间和时间限制，实现了物尽其用，具备高施工性、高适用性和高安全性的特点，相对于传统加固方法具有显著的优势，具有良好的技术经济效益和社会效益，有利于促进城市轨道交通结构安全保障技术的进一步发展。