考虑混凝土细观特性的道床-盾构隧道界面剥离机理研究

Invert disengagement of shield tunnel is a typical disease in subway operation, which affects the supporting ability of track and endangers the running safety of train. At present, the research of this disease mainly focuses on the detection and repair technology. There is no mechanism research on invert disengagement. The key scientific problem of this project is the bonding strength of the interface between invert and shield tunnel considering the difference of aggregate morphology and distribution. In this research, the morphology and distribution of aggregates in the adjacent area of the interface between invert and shield tunnel will be described using the CT reconstruction technology. The parameters of the cohesion model of the interface between invert and shield tunnel will be backed by FHACO. The 3D microscopic concrete model will be established by the laser scanning technology combined with the layering delivery algorithm. The multi-scale finite element model of the invert and the shield tunnel will be built by the unmatched meshing algorithm. On this basis, the influence of interfacial roughness, aggregate morphology and aggregate distribution on the interfacial cracking path of the invert-shield tunnel under the action of soil and water load will be calculated. The dynamic effect of the wheel-rail force on the stress of the interfacial cracking tip of the invert-shield tunnel will be analyzed. Finally, the interfacial stripping mechanism of the invert-shield tunnel can be revealed. The research results can form the basic theory of invert disengagement, and provide technical reference for the monitoring and management of the invert disengagement.

道床脱空属于地铁盾构隧道服役期频发病害，影响轨道结构对列车的支承能力，危及列车运行安全。目前，针对该病害的研究主要为道床脱空检测及修复，缺乏道床剥离盾构隧道的机理研究。围绕混凝土骨料形貌和分布差异下道床-盾构隧道界面粘结强度这一关键科学问题，本项目拟利用CT重构技术得出道床-盾构隧道界面相邻区骨料形貌及空间分布指标，并利用FHACO智能优化算法反演道床-盾构隧道界面内聚力模型参数；采用激光扫描技术并结合骨料分层侵入判别方法，建立3D几何本征随机骨料混凝土细观模型；基于宏/细观尺度网格自适应替换准则及联结单元，构建道床-盾构隧道的多尺度有限元模型。在此基础上，研究水土荷载作用下界面粗糙度、骨料形貌及骨料分布对道床-盾构隧道界面开裂路径的影响，分析轮轨力对道床-盾构隧道界面开裂尖端应力的动态作用。研究成果能够形成道床脱空的基础理论，为道床脱空的监测、治理提供技术参考。

道床脱空影响轨道结构对列车的支承能力，危及列车运行安全。目前，针对道床脱空的研究主要集中在道床脱空检测及修复技术，缺乏道床剥离盾构隧道的机理研究。按照道床剥离盾构隧道的发展规律，机理的研究可以划分为两个阶段。阶段I为盾构隧道变形产生的初始道床脱空，阶段II为动水作用下导致初始道床脱空进一步发展。本项目针对阶段I进行了系统研究。.主要研究内容：采用激光扫描技术并结合骨料分层侵入判别方法，建立3D几何本征骨料混凝土细观模型；基于宏/细观尺度网格自适应替换准则及联结单元，构建道床-盾构隧道的多尺度有限元模型；利用觅食-返巢机质连续域蚁群优化算法反演道床-盾构隧道界面内聚力模型参数；研究道床-盾构隧道的界面粗糙度对道床脱空的影响，分析不同水土荷载作用下盾构隧道的变形及其对道床脱空的影响。.重要研究结果：（1）构建了基于有限单元法的几何本征骨料混凝土细观模型。基于真实骨料的几何本征形态，利用三维激光扫描技术获取真实骨料的几何形态，形成了二维和三维真实骨料库。建立了适应真实骨料复杂几何边界的二维和三维快速投放算法。(2)基本明确了界面粗糙度对盾构隧道变形的影响。通过提升界面粗糙度，可以减小盾构隧道水平收敛变形。随着道床脱空的发展，道床对管片的约束效果减弱，水平收敛变形快速增加；至脱空基本结束后，收敛变形增速放缓。（3）初步明确了道床脱空与盾构隧道收敛变形的关系。当道床脱空开始发展后，脱空率先线性增加，至脱空率达到90%时，增速放缓，直至发展至99%的最大脱空率。不同的管片拼装方式不影响脱空率的增长规律。89%的道床-管片界面层主要发生了拉伸破坏，11%的界面层主要发生剪切破坏，界面层发生拉伸破坏是道床脱空的主要形式。