复杂地质条件下地铁运营诱发环境振动及其邻近现役管道失效机理及控制方法研究

本项目拟以青岛市地铁为工程背景，通过对自制的"带病"管道进行腐蚀及力学试验，建立现役"带病"地下管道的腐蚀速率模型、承载能力劣化预测模型及其在不同阶段的变形控制标准；制作能够考虑管道-隧道空间方位效应的集列车-隧道-地层-管道于一体的协同作用三维相似材料模型，采用"多点循序激振"方法对地铁列车运营进行精细模拟，得到由地铁运营诱发振动的传播、衰减规律及其所导致的地层及现役管道的变形规律，从而建立动力灾害预测模型；利用FLAC3D-DYNAMIC模块提供的平台，对所建模型进行二次开发，分析得到地铁运营期间地下管道的应力、变形规律及其与地铁列车振动间的关系，进而确定地下管道安全隐患的范围及程度；建立"熵权-模糊数"精细评估模型、揭示地下管道的失效机理，提出保护措施。本课题的立项研究成果将为复杂地质条件下地铁运营诱发振动所导致的现役"带病"管道失效机理及控制方法提供有力的理论依据及技术支持。

随着城市化步伐的加快，城市人口日益增多，“交通堵塞”已成为阻碍城市建设的瓶颈，地铁建设成为我国21世纪城市地下空间开发的重点，但地铁施工及运营期间诱发地层扰动导致邻近现役管线变形过大而破坏将严重危害生产建设和人民生命财产安全。本项目结合具体工程地质条件，利用相似材料模拟实验平台，对地铁隧道施工及运营期间所诱发的地表环境影响进行了相似模拟试验研究，分析得出了地铁隧道施工过程及运营期间，其所诱发振动对地表环境及邻近构筑物的影响；结合室内相似材料模拟实验的结果，利用FLAC3D-DYNAMIC模块提供的平台，对提出的动力灾害预测模型进行了二次开发，建立了列车—隧道—地层—管道协同作用数值模型，分析了不同地质条件下不同管道与土体间相互作用及管道与隧道断面的空间效应，分析得到了地铁施工及运营期间所诱发的地层移动的特点和规律；采用室内试验及数值模拟的方式，对管道的外腐蚀缺陷进行了试验分析，分析得到了不同影响因素，如缺陷长度、缺陷宽度、缺陷深度、点蚀半径及点蚀深度，对管线强度及变形的影响规律；依据故障树、风险评价理论、模糊理论及综合评价的原理，构建了一套基于故障树的模糊风险评价方法，并应用面向对象的可视化程序编程设计语言Visual Basic实现评价系统的程序化，并对具体工程进行了评价分析及预测分析，验证了此系统的可靠性及科学性，为地铁施工及运营期间现役管线的灾害预测与防护提供理论与技术支持。.在本项目研究过程中，完成博士后出站报告1项，培养已毕业的硕士2个，目前在读硕士6名，发表学术论文11篇，其中EI检索3篇，核心期刊3篇，出版专著1项，申请并授权专利4项，其中国家发明专利1项，实用新型专利3项，获得省部级科研奖励4项。本项目的成果为地铁运营期间诱发环境振动及其对临近埋地管线的失效机理研究及预测分析提供了重要的科学依据。