基于隧道衬砌病害检测的波纹钢板内衬加固参数优化设计方法及结构技术

本发明专利技术公开了一种基于隧道衬砌病害检测的波纹钢板内衬加固参数设计方法及结构，其方法由波纹钢板几何参数设计、波纹钢板几何分块设计、波纹钢板连接构件设计、波纹钢板耐久性设计、波纹钢板安全验算等5部分内容组成，只有当安全验算全部通过后，才结束设计，否则需重新执行设计流程。本发明专利技术的基于隧道衬砌病害检测的波纹钢板内衬加固参数设计方法，可为隧道波纹钢板内衬加固结构选择与量化设计提供合理有效的方法，避免了传统设计方法的盲目性和随意性，且整个设计流程量化清晰、实施便捷、安全可靠、经济适用、科学合理，具有广阔的推广前景。

Optimization design method and structure of corrugated steel lining reinforcement parameters based on tunnel lining disease detection

【技术实现步骤摘要】
基于隧道衬砌病害检测的波纹钢板内衬加固参数优化设计方法及结构
本专利技术属于隧道衬砌病害整治设计领域，涉及一种隧道波纹钢板内衬加固参数设计方法，具体说是一种基于隧道衬砌病害检测的波纹钢板内衬加固参数优化设计方法及结构。
技术介绍
随着我国经济的持续发展、综合国力的不断提升及修建技术的不断增强，隧道工程得到了前所未有的发展，隧道运营里程不断增长。受地质勘察、设计、施工、监测及运营管理维护等技术水平限制，隧道在使用过程中出现开裂掉块、渗漏水、衬砌背后空洞、衬砌厚度不足、混凝土强度不足及隧底上拱、下沉等病害的情况逐年增多。隧道病害的存在严重恶化了隧道结构服役状态，降低结构承载能力，对隧道结构的安全性、可靠性、耐久性、线路平顺性甚至运营安全产生不同程度影响，因此隧道病害整治对隧道健康运营尤为重要。目前，对于隧道衬砌背后空洞与厚度不足、开裂掉块等常见衬砌病害，普通采用的加固方法为凿除、植筋及嵌补二次衬砌混凝土、外贴钢带、钢筋混凝土套拱与波纹钢板内衬加固等方法。凿除、植筋及嵌补二次衬砌混凝土方法可以恢复原设计隧道内轮廓，不影响隧道限界及内净空，但需对侵限初期支护钢架进行置换，施工难度、安全风险较大，施工工期较长，且需在洞内设置临时钢支撑，存在一定的施工期运营安全隐患。外贴钢带方法属于柔性加固，整体刚度较小，对结构承载力提升有限，主要适用于体积较小的衬砌背后空洞与厚度不足病害情况。钢筋混凝土套拱方法属刚性加固，大幅度提升结构承载力，模筑衬砌表面光洁，施工质量可控，且无需进行初期支护钢架置换，施工难度、安全风险相对较小，施工工期较短，但不可避免会压缩隧道空间，不能满足建筑限界要求，影响隧道安全运营。波纹钢板内衬加固方法采用工厂预制的波纹钢板，耐久性好，绿色环保施工质量可控，施工工期短；另外充分利用拱形波纹钢板刚度大、抗弯能力强、承载能力高等特性，通过高强锚栓连接二次衬砌与波纹钢板，并在二次衬砌与波纹钢板之间填充微膨胀注浆材料，有效地提高了衬砌结构整体性、耐久性与安全性，且波纹钢板内衬加固厚度较小，可以满足建筑限界与隧道净空要求，因此波纹钢板内衬加固方法具有较好的应用前景。当前波纹钢板内衬加固方法实际应用时，波纹钢板内衬加固参数更多的依据工程师的经验来确定，同时，也通过波纹钢板内衬单独承载计算得到的受力变形值反馈调节，当计算值超限或者接近限值时，再调整波纹钢板规格。这种方法存在三个缺点，缺点一是波纹钢板内衬加固参数的合理性很大程度上取决于工程师在类似隧道地层、水文地质、围岩级别、埋深及衬砌病害程度下工作经验，主观性较大，无法充分保证相关参数的准确性；缺点二是作为钢结构的波纹钢板拱结构破坏常常是由于屈曲引起的失稳破坏，而非承载能力极限破坏，因此仅根据受力变形计算值反馈调整显然是不全面的，应补充波纹钢板内衬稳定性分析；缺点三是没有考虑破损二次衬砌、填充层及波纹钢板三者整体承载情况，导致波纹钢板受力变形计算值偏大，可能引起波纹钢板规格进一步增强，造成设计浪费。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种基于隧道衬砌病害检测的波纹钢板内衬加固参数优化设计方法及结构，有效提高了波纹钢板内衬的安全性和可靠性。本专利技术是这样实现的：本专利技术提供一种基于隧道衬砌病害检测的波纹钢板内衬加固参数优化设计方法，包括如下步骤：S1：确定初始波纹钢板的几何参数，包括波纹钢板波长P、波高D、板厚t三个参数；确定波纹钢板几何分块参数，包括波纹钢板分块类型、数量、长度及纵缝错开距离；确定波纹钢板连接构件参数，包括锚栓长度与锚固深度；确定波纹钢板耐久性参数，包括波纹钢板涂层类型以及涂层含量与厚度；S2：波纹钢板内衬结构安全验算，包括波纹钢板变形验算、波纹钢板强度验算及波纹钢板稳定性验算，只有上述所有内容验算合格才结束设计，否则，重新执行设计步骤S1～S2，直至步骤S2安全验算通过为止。重新执行设计步骤S1～S2时一般需改变几何参数(波长P、波高D与板厚t)，还有波纹钢板横向连接构件参数，如锚栓长度与锚固深度，其它参数基本上是构造参数。锚栓长度与锚固深度是根据波纹钢板波高D及填充层厚度t1确定。进一步地，确定初始波纹钢板的几何参数，包括：S11：根据现场检测及调查结果，得到隧道病害段无损检测二次衬砌厚度表，并对照现行各项评定标准，确定衬砌缺陷及病害等级，若衬砌病害等级达到设定的病害等级，则采用波纹钢板内衬加固参数优化设计措施进行处理，否则采用其它措施处理；S12：根据隧道病害段无损检测二次衬砌厚度表选取最不利断面进行破损二次衬砌荷载结构模型计算，并根据计算断面所处地层、水文地质、围岩级别、埋深及初期支护与二次衬砌荷载分配比例得到二次衬砌围岩压力，根据实测二次衬砌厚度建立全环不等厚的二次衬砌梁单元模型，采用弹簧单元模拟围岩与二次衬砌相互作用，计算得到最不利断面二次衬砌厚度不足部位最大轴力Nmax、最大弯矩Mmax；S13：根据步骤S12计算得到的最大轴力Nmax、最大弯矩Mmax以及波纹钢板承担荷载比例η、波纹钢板材料屈服强度fy，基于公式(1)、公式(2)得到单位长度最小的波纹钢板截面积Amin以及单位长度最小的波纹钢板截面模量Wmin：η＝1-h1/h0式中：h1为隧道病害段无损检测二次衬砌平均厚度；h0为二次衬砌设计厚度；波纹钢板材料屈服强度fy可根据材质直接确定，这个参数基本是已知的；S14：波纹钢板型号采用规范《冷弯波纹钢管》中的标准型号，根据单位波长的截面积A、单位波长的截面模量W、建筑限界富裕值u要求，满足公式(3)、(4)、(5)并对照查询规范可得波纹钢板波长P×波高D×板厚t型号：A≥Amin(3)W≥Wmin(4)t1+D+t≤u(5)其中：t1为破损二次衬砌与波纹钢板之间填充层厚度，即原二次衬砌内轮廓线与波纹钢板波峰处的距离；t为波纹钢板厚度；u为建筑限界富裕值，根据实际工程要求选取。进一步地，若步骤S2的波纹钢板内衬结构安全验算不合格，则每次重新设计参数时波纹钢板承担荷载比例η在上一次基础上增加设定值，然后重新执行设计步骤S1～S2，直至步骤S2安全验算均合格。进一步地，确定波纹钢板连接构件参数，包括：S21：根据隧道二次衬砌内轮廓线、破损二次衬砌与波纹钢板之间填充层厚度t1及隧道电缆槽位置，可确定波纹钢板内衬整圈弧长LS；S22：确定波纹钢板纵向分块长度L1，标准块A块弧长LA，基于公式(6)可得到标准块A数量n为：n＝[LS/2.5-3](6)式中：符号“[]”为取整符号即[x]表示一个小于或等于x的最大整数；S23：为保证隧道病害段波纹钢板内衬整体受力，进行波纹钢板纵向错缝拼装，取奇数圈的接地块D块与偶数圈E块纵缝错开距离Δl1＝(0.15～0.2)LA，奇数圈的标准块A块与偶数圈的标准块A块纵缝错开距离Δl2＝2Δl1；S24：根据波纹钢板平面布置可得中间块B块弧长LB加上接地块E块弧长LE本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于隧道衬砌病害检测的波纹钢板内衬加固参数优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1：确定初始波纹钢板的几何参数，包括波纹钢板波长P、波高D、板厚t三个参数；/n确定波纹钢板几何分块参数，包括波纹钢板分块类型、数量、长度及纵缝错开距离；/n确定波纹钢板连接构件参数，包括锚栓长度与锚固深度；/n确定波纹钢板耐久性参数，包括波纹钢板涂层类型以及涂层含量与厚度；/nS2：波纹钢板内衬结构安全验算，包括波纹钢板变形验算、波纹钢板强度验算及波纹钢板稳定性验算，只有上述所有内容验算合格才结束设计，否则，重新执行设计步骤S1～S2，直至步骤S2安全验算通过为止。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于隧道衬砌病害检测的波纹钢板内衬加固参数优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：确定初始波纹钢板的几何参数，包括波纹钢板波长P、波高D、板厚t三个参数；
确定波纹钢板几何分块参数，包括波纹钢板分块类型、数量、长度及纵缝错开距离；
确定波纹钢板连接构件参数，包括锚栓长度与锚固深度；
确定波纹钢板耐久性参数，包括波纹钢板涂层类型以及涂层含量与厚度；
S2：波纹钢板内衬结构安全验算，包括波纹钢板变形验算、波纹钢板强度验算及波纹钢板稳定性验算，只有上述所有内容验算合格才结束设计，否则，重新执行设计步骤S1～S2，直至步骤S2安全验算通过为止。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：确定初始波纹钢板的几何参数，包括：
S11：根据现场检测及调查结果，得到隧道病害段无损检测二次衬砌厚度表，并对照现行各项评定标准，确定衬砌缺陷及病害等级，若衬砌病害等级达到设定的病害等级，则采用波纹钢板内衬加固参数优化设计措施进行处理，否则采用其它措施处理；
S12：根据隧道病害段无损检测二次衬砌厚度表选取最不利断面进行破损二次衬砌荷载结构模型计算，并根据计算断面所处地层、水文地质、围岩级别、埋深及初期支护与二次衬砌荷载分配比例得到二次衬砌围岩压力，根据实测二次衬砌厚度建立全环不等厚的二次衬砌梁单元模型，采用弹簧单元模拟围岩与二次衬砌相互作用，计算得到最不利断面二次衬砌厚度不足部位最大轴力Nmax、最大弯矩Mmax；
S13：根据步骤S12计算得到的最大轴力Nmax、最大弯矩Mmax以及波纹钢板承担荷载比例η、波纹钢板材料屈服强度fy，基于公式(1)、公式(2)得到单位长度最小的波纹钢板截面积Amin以及单位长度最小的波纹钢板截面模量Wmin：






η＝1-h1/h0
式中：h1为隧道病害段无损检测二次衬砌平均厚度；h0为二次衬砌设计厚度；
S14：波纹钢板型号采用规范《冷弯波纹钢管》中的标准型号，根据单位波长的截面积A、单位波长的截面模量W、建筑限界富裕值u要求，满足公式(3)、(4)、(5)并对照查询规范可得波纹钢板波长P×波高D×板厚t型号：
A≥Amin(3)
W≥Wmin(4)
t1+D+t≤u(5)
其中：t1为破损二次衬砌与波纹钢板之间填充层厚度，即原二次衬砌内轮廓线与波纹钢板波峰处的距离；t为波纹钢板厚度；u为建筑限界富裕值，根据实际工程要求选取。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：若步骤S2的波纹钢板内衬结构安全验算不合格，则每次重新设计参数时波纹钢板承担荷载比例η在上一次基础上增加设定值，然后重新执行设计步骤S1～S2，直至步骤S2安全验算均合格。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：确定波纹钢板连接构件参数，包括：
S21：根据隧道二次衬砌内轮廓线、破损二次衬砌与波纹钢板之间填充层厚度t1及隧道电缆槽位置，可确定波纹钢板内衬整圈弧长LS；
S22：确定波纹钢板纵向分块长度L1，标准块A块弧长LA，基于公式(6)可得到标准块A数量n为：
n＝[LS/2.5-3](6)
式中：符号“[]”为取整符号即[x]表示一个小于或等于x的最大整数；
S23：为保证隧道病害段波纹钢板内衬整体受力，进行波纹钢板纵向错缝拼装，取奇数圈的接地块D块与偶数圈E块纵缝错开距离Δl1＝(0.15～0.2)LA，奇数圈的标准块A块与偶数圈的标准块A块纵缝错开距离Δl2＝2Δl1；
S24：根据波纹钢板平面布置可得中间块B块弧长LB加上接地块E块弧长LE等于中间块C块弧长Lc加上接地块D块弧长LD，即LB+LE＝Lc+LD，取LB＝LD，Lc＝LE；
S25：基于公式(7)、公式(8)可得到中间块B块弧长LB、中间块C块弧长Lc、接地块D块弧长LD、接地块E块弧长LE：<...

【专利技术属性】
技术研发人员：何卫，焦齐柱，杨剑，王伟，吴建军，陈创，许建，莫阳春，姚捷，郑强，
申请(专利权)人：中铁第四勘察设计院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42