动载与氯盐耦合作用下盾构隧道结构性能演化机制研究

In China, the service condition of shield tunnel in urban transit is deteriorating increasingly. How to evaluate and predict its structural performance accurately is one of the basic scientific problems that need to be studied urgently and systematically. In this topic, the coupling effect of dynamic load and chloride would be taken into account, the influence laws and action mechanism on chloride ion diffusion caused by dynamic load would be studied, using theoretical derivation and experiment method and so on. And then, the diffusion model of chloride ion, cumulative model of steel-bar corrosion, and corrosion cracking model of concrete which can reflect the mechanics characteristics of shield tunnel structure would be put forward. At last, the evolutionary model of shield tunnel structural performance under dynamic load and chloride coupling effect would be advanced, also its concrete computing method. And these models and methods would be provided technical support for performance evaluating and life predicting of shield tunnel structure in China. These achievements can be widely applied to urban subway shield tunnel construction in our country, and it has very important practical significance for long term healthy development of urban transit construction.

我国城市轨道交通盾构隧道面临的健康服役问题日益突出，如何准确评价和预测其结构性能是当前亟需研究的基础科学问题之一。本项目拟采用理论推导和模拟试验等手段，综合考虑氯盐环境和列车荷载的耦合作用，研究动力荷载对氯离子迁移扩散的影响规律和作用机理，建立动载和氯盐耦合作用下的离子迁移扩散模型、混凝土钢筋蚀变累积模型以及能考虑盾构隧道结构受力特征的混凝土锈胀开裂模型，进而，提出动载和氯盐耦合作用下盾构隧道结构性能演化分析模型和方法，为我国盾构隧道结构性能评估和寿命预计提供理论支持。研究成果可广泛应用于我国城市地铁盾构区间隧道建设中，对我国地铁建设的长期健康发展具有重要的现实意义。

本项目针对我国城市轨道交通盾构隧道结构的长期健康服役问题，通过深入系统研究，综合考虑氯盐环境和列车荷载的耦合作用，研究了动力荷载对氯离子迁移扩散的影响规律和作用机理。主要研究成果如下：. 1）推导了基于混凝土名义抗压强度的损伤状态下孔隙率计算公式，建立了动载损伤作用下混凝土氯离子扩散系数计算方法，引入既有的动载作用下混凝土损伤疲劳研究成果，建立了基于孔隙率演化的动载损伤下氯离子扩散系数计算方法。. 2）开展了混凝土试块冲击损伤构造试验、动态弹性模量测试和氯盐人工环境模拟试验，探明了不同侵蚀时间、氯盐浓度及损伤程度下氯离子在混凝土内的侵蚀扩散规律，揭示了损伤下混凝土中氯离子侵蚀机制，建立了多因素共同作用下混凝土中氯离子扩散计算模型。. 3）从孔隙弹性变形的角度，建立了均布荷载作用对氯离子扩散的影响分析模型，构建了考虑结构荷载效应及损伤等因素影响下的混凝土氯盐侵蚀耐久性分析方法，同时借助COMSOL软件平台，开发了数值计算程序，并结合实际工程进行了案例应用。. 4）建立了考虑外部实际荷载与内部钢筋锈胀力的盾构管片三维计算模型，推导了可用于计算钢筋锈胀弹性体内力及位移的复变函数表达式，构建了盾构隧道结构混凝土锈胀开裂时变理论模型以及基于混凝土锈胀开裂的盾构隧道结构正常使用性能评价方法。.项目研究过程中已发表论文10篇，其中国际SCI期刊论文5篇，EI期刊论文2篇，CSCD论文3篇；获授权发明实用新型专利3项；软件著作权2项；培养博士后1人，硕士研究生2人，在读博士生1人。先后参加学术会议15人次，其中国际会议3人次，国内会议12人次，作大会会议报告或提交会议论文/成果简介5人（篇）次；承担主办学术会议或邀请学术讲座3次。研究部分成果已在广州地铁、长沙地铁中实现应用。