服役期海底盾构隧道管片结构劣化机理研究
作者单位：河南理工大学
学位级别：硕士
导师姓名：郭佳奇
授予年度：2020年
主 题：海底盾构隧道 劣化机理 氯离子侵蚀 锈胀开裂 混凝土强度退化
摘 要：地铁作为一种重要的城市公共交通基础设施,近年来发展迅速,迎来了新一轮建设高潮,为满足城市发展的需求,一些有条件的滨海城市已开始尝试建设海底地铁隧道。位于海底的盾构地铁隧道同时承受海水化学侵蚀作用、碳化作用、高压水头长期作用、围岩压力作用等多重因素共同作用,在这种具有多重不利环境的特殊条件下服役的隧道,耐久性问题将会更加凸显。从宏细观角度深入揭示多重环境因素作用下海底隧道损伤劣化机理是目前迫切需要解决的工程问题,具有重要的实际意义和强烈的现实需求。本文以厦门轨道交通6号线马銮中心站——集美岛站区间海底盾构地铁隧道为工程背景,考虑海水氯离子侵蚀、碳化作用、海水水头压力和隧道围岩压力多重因素共同作用,重点关注混凝土材料强度降低和管片锈胀开裂两种劣化行为,运用室内试验和数值模拟方法,试图从宏细观角度揭示服役期海底盾构隧道管片结构劣化机理。主要获得了以下研究成果:（1）建立了综合考虑围岩压力、海水总水头和表面氯离子浓度的海底隧道分析模型,再现了多因素耦合作用下管片混凝土中海水非饱和渗流和氯离子侵蚀过程。发现海水入渗和氯离子侵蚀隧道是从衬砌环外侧呈圆环状同时入渗,在同一时刻隧道不同位置处海水渗入深度和氯离子侵蚀深度总体表现为拱底拱脚拱肩拱腰拱顶,呈现出相同服役年限埋深越深的部位海水入渗深度越深的特征,其中拱底钢筋最先达到氯离子临界浓度并最先生锈。（2）针对干燥混凝土试样、水饱和试样和氯盐溶液饱和试样开展了常规三轴压缩试验,分别从力学和能量角度分析了三种试样的强度、变形与能量演化特征。试验结果表明氯盐溶液对管片混凝土材料的强度、变形和能量特征影响显著,海水的侵蚀大幅度降低了混凝土抗压强度和弹性模量,增加了耗散能与总能量的比值。处于衬砌环外圈的已被海水侵蚀的混凝土相对于未被海水侵蚀的混凝土而言在同样应力水平作用下更易破坏。（3）考虑管片外侧氯离子侵蚀作用和内侧碳化作用,利用扩展有限元（XFEM）方法建立了混凝土管片构件非均匀锈胀开裂模型,获取了锈胀开裂过程中锈胀裂纹的演化特征,发现锈胀裂纹的扩展呈现出先快后慢的特征;距离钢筋表面越近裂纹宽度较大,延伸越远的地方裂纹宽度越小。处于海水侵蚀混凝土中的外排钢筋引起管片外侧保护层锈胀开裂早于内侧;混凝土材料强度降低对混凝土锈胀开裂具有一定的加速作用。（4）建立了包含周围地层和海水压力的盾构隧道劣化分析模型,开展了考虑混凝土强度降低、混凝土锈胀开裂作用和混凝土表面损伤作用下的海底盾构隧道管片结构损伤劣化研究。内圈拱顶和拱底处裂纹垂直贯穿保护层,钢筋孔开裂严重;内圈拱肩、拱腰、拱脚部位钢筋孔各处裂纹经过扩展之后互相连接贯通,保护层呈层状开裂。而外圈,拱顶和拱底处裂纹相互连接,保护层呈层状开裂;拱腰部位垂直保护层开裂;位于拱肩和拱脚的外圈钢筋孔裂纹倾斜贯穿钢筋保护层。内、外圈钢筋孔的主裂纹形态表现为垂直于该处的最大主应力而平行于该处最小主应力的方向。
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