不确定环境荷载作用下地铁盾构隧道结构易损性评价及设计优化方法

Shield tunnel method is widely used for urban underground metro tunnels. The joints between the segments are the weak parts of the whole tunnel, making a significant contribution to tunnel deformation subjected to external loading. Complex ground condition is a key factor leading to deterioration of tunnel structure performance. Meanwhile the uncertain changes of environmental condition, such as ground surface surcharge, during the tunnel operation is a trigger to make the structure performance decrease. Due to coupled effect of complex ground condition, environment changes and tunnel structure feature, various structural diseases of tunnel occur, which may lead to structural damage and threaten the operation of metro tunnel. In this research, dynamic evolution rule of the ground and environment condition is investigated by analyzing the in-situ data. The feature and mechanism of deformation performance are revealed by using in-situ data digging, multi-scale numerical modeling and laboratory model test. Considering the accuracy and cost of computation, the refined model and multi spring-contact model are combined in the large-multi-scale model. Appropriate vulnerability indexes of structure performance are selected for metro shield tunnel. Then structure vulnerability assessment model of metro shield tunnel is proposed based on the fuzzy bayesian network method to evaluate the safety state of shield tunnel. Performance - cost analysis of shield tunnel design is conducted to improve the design method. Finally a new design optimization method is proposed based on the structure vulnerability analysis of metro shield tunnel. Laboratory model test is adopted to verify the proposed design optimization method. The structure safety as well as function are considered for shield tunnel design by this new method.

盾构隧道多缝拼装结构使其存在大量薄弱部位，复杂的地层赋存条件是引发隧道结构性能劣化的外在根源，同时，运营期间潜在不确定性环境变化（如地表超载）成为结构性能劣化的触发因素，在内外关键因素耦合作用下，地铁盾构隧道结构产生大量病害，甚至引发结构安全问题，严重威胁城市生命线安全运行。本项目研究目标是通过统计现场数据资料，研究在不确定环境荷载作用下，复杂地层地铁盾构隧道结构外荷载动态演化规律；采用实测数据分析、多尺度精细化有限元模拟及室内模型试验等手段，揭示复杂地层环境突变条件下地铁盾构隧道结构变形性态特征及发生机理；选取盾构隧道结构性能易损性指标，采用模糊贝叶斯网络分析方法，建立隧道结构易损性评价模型，科学诊断结构安全状态；考虑结构性能-经济效益曲线，提出基于盾构隧道结构易损性的结构设计优化方法，并通过室内试验验证方法有效性，为地铁盾构隧道结构优化设计提供新方法，确保其满足结构安全和使用功能要求。

本项目通过统计现场数据资料，得到在不确定环境荷载作用下复杂地层地铁盾构隧道结构外荷载动态演化规律；采用实测数据分析、多尺度精细化有限元模拟及室内模型试验等手段，揭示了复杂地层环境突变条件下地铁盾构隧道结构变形性态特征及发生机理；选取盾构隧道结构性能易损性指标，采用模糊贝叶斯网络分析方法，建立了隧道结构易损性评价模型，科学诊断结构安全状态；提出了基于盾构隧道结构易损性的结构设计优化方法，并通过室内试验验证方法有效性。.主要成果如下：. （1）统计分析上海地铁盾构隧道运营地铁实测收敛数据，研究突发地表超载作用下隧道横断面收敛变形特征及分布规律；采用横向收敛变形和接头张开量变形等指标作为易损性评价指标，建立地铁盾构隧道结构变形内外关键影响因素，并建立易损性评价体系；. （2）采用适用于盾构管片接头的9弹簧-接触面模型，建立大规模地铁盾构隧道结构多尺度精细化有限元分析模型，利用高性能计算集群开展不同地面局部超载工况下盾构隧道横向收敛变形分析。该模型具有较高的计算精度，大大减少了计算时间，提高了计算效率；在大规模精细化盾构隧道数值模拟分析基础上，结合现场实际情况，针对管片结构及接头开展室内模型试验，在不同荷载条件下，得到结构倾角变形和结构接头张开等发展规律；. （3）根据数值模拟分析和室内试验，合理选取盾构隧道结性能指标，建取盾构隧道接头张开、渗漏水及收敛变形等结构性能指标，建立隧道结构变形分析模糊贝叶斯网络，开展接头结构脆弱性曲线分析；选取隧道结构收敛变形及接头变形作为易损性评价指标，建立各项指标标准及易损性评价标准，提出基于模糊贝叶斯网络的隧道结构易损性评价模型；. 本项目发表学术论文5篇，申请发明专利2项，获得软件著作权1项，培养研究生1名。