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城市轨道交通地下结构性能演化与感控基础理论——国家973计划项目研究成果简介

2017-04-01

随着城市轨道交通的建成与投入运营,作为城市交通的主动脉,在100年的设计寿命期内,修筑于含地下的水岩土介质中地下结构物健康服役对于城市正常运转至关重要,越来越受到社会的广泛关注。一旦像北京、上海这些超大城市轨道交通系统的任一节点出现问题,将波及整个轨道交通网络,阻碍数百万人的出行,进而造成城市交通系统的瘫痪和恶劣的社会影响。作为重大地下工程的城市轨道交通地下结构(超长线状结构),其岩土赋存条件复杂、周边环境敏感、列车运行密度极高、使用条件苛刻,结构自身在多因素长期作用下性能不断劣化,一旦损坏不易或不可更换,并将会诱发地下工程灾害,因而亟需针对城市轨道交通结构性能演化与感控基础理论进行系统而深入的研究,以解决城市轨道交通地下结构健康服役面临的关键科学问题和技术难题(图1)。

一、项目概况

2011年,“城市轨道交通地下结构性能演化与感控基础理论”获得国家973计划立项。项目由同济大学、华中科技大学、中南大学、华南理工大学、南京工业大学和上海申通地铁集团有限公司共同承担,由同济大学朱合华教授担任首席科学家。如图2所示,项目以城市轨道交通地下结构健康服役为目标,紧密围绕城市轨道交通地下结构性能的演化、感知、评估和控制三个基础科学问题,从多学科交叉的视角开展系统研究,以揭示城市轨道交通地下结构性能演化机制,建立城市轨道交通地下结构性能感知和评估与控制的系统科学理论,并最终实现地下结构服役状态的可知、可控。

二、主要成果

(一)揭示了城市轨道交通地下结构材料的全寿命期性能特征及其演化规律,建立了预测地下结构材料微观-细观-宏观性能的本源多尺度模型,提出了考虑多因素耦合效应的盾构隧道管片结构性能演化时变分析方法

1.精确再现地下结构混凝土材料的三维孔隙拓扑结构,实时跟踪各种侵蚀性离子侵蚀过程,并定量计算侵蚀过程对孔隙空间结构自身的改变,为材料性能特征及其演化研究提供基础。针对地下结构材料所受多种物理-化学-力学复杂因素的耦合影响,以及固-液-气三相多重边界条件叠加,建立表征地下结构材料从建设期到服役期的基本性能多尺度时变本构模型(图3),为城市轨道交通地下结构服役性能评估和修复加固提供基础理论依据。

2.综合考虑盾构隧道管片结构的非均匀单向侵蚀状态及受力特点,研发了人工环境模拟试验装置(图4),揭示了离子侵蚀、荷载、初始损伤等多因素耦合作用下管片结构的性能演化机制;引入地下结构钢筋锈蚀及混凝土劣化时变演化函数,考虑正常使用和承载能力两种服役性能,分别采用荷载-结构法、地层-结构法(宏观及细观数值分析)建立了盾构隧道管片结构体系性能演化分析方法,揭示了各因素耦合作用下地下结构性能演化规律。

3.提出和发展了独立覆盖ICMM(Independent Cover Meshless/Manifold Method)系列理论与方法,研制了具有良好交互界面的盾构隧道ICMM分析软件,为损伤缺陷轨道交通隧道结构断裂、破坏过程的模拟分析和安全评估奠定了良好的理论基础,并提供了高效的分析软件和工具。

4.围绕城市轨道交通地下结构的服役环境,建立了盾构隧道管片接缝防水材料的时变本构模型和考虑管片接缝实际受力状态的渗流-应力耦合分析模型;从结构体系角度出发建立了盾构隧道结构抗渗性能的预测方法,揭示了多因素影响下管片接缝应力松弛及抗渗性能的时变演化规律。

(二)通过自主研制的盾构隧道结构的高精度MEMS无线倾角传感器,感知地下结构横断面倾角变化;将地下结构整体与局部感知信息相结合,进而智慧感知超长线状地下结构力学性态及整体健康状况

1.自主研制了集成创新的MEMS倾角传感器(TJ_UWIS1.1)(图5),具有非线性校正、温度补偿、高灵敏度芯片选型、XY双轴解耦校正等优点,且与现有商业产品相比分辨率提高10倍,成本降低一半以上,电气性能优异,有多种规格可选。上海计量院检测报告表明:该传感器精度高、可靠性好。

2.提出了隧道纵向变形引起横向内力的压扁效应模式,建立了超长线状盾构隧道性态感知模型;通过横断面倾角变化,评估了隧道结构性态变化。

3.提出了基于压电阻抗技术的地下结构局部损伤识别方法,推导了考虑外力作用的“压电片-粘结层-管道主体结构”耦合动力一维阻抗模型(图6);确立了盾构隧道健康诊断指标体系,建立了盾构隧道健康诊断综合模型。

(三)发展了地下混凝土结构裂缝及高温损伤的多种自修复方法,提出了SMA螺栓与FRP材料配合的相邻管片复合加固方法

1.提出了针对三相饱和混凝土(混凝土基体、水、电化学沉积物)和四相非饱和混凝土(三相+未被修复孔隙)的电化学及微胶囊自修复混凝土的细观力学模型,电化学修复预测与试验的对比见图7。

2.提出了适用于地下水环境的混凝土矿物和微生物自修复方法:矿物自修复方法综合考虑了结晶沉淀、胶凝愈合、渗透结晶的协同作用;优选的复合矿物材料不仅对损伤混凝土的修复效果好,对早期(7天)产生裂缝,强度恢复率达到100%左右,对后期(28天)产生的裂缝,强度恢复率达到了88%,而且对基体混凝土影响小(强度增长5%30%,目前国际上尚未实现强度正增长),见图8。

3.研发了高温损伤混凝土的再碱化修复与相邻管片复合加固方法:无论空冷还是水冷,600℃以下再碱化修复7天或14天,强度可恢复至初始值的90%;SMA螺栓短期加固可使内弧面接缝张开量减小30%60%以上,后续粘贴AFRP并卸除SMA螺栓后接缝张开量比加固前明显减小(图9);发明了一种FRP加固用耐高温无机胶黏剂。

(四)从盾构隧道全寿命角度出发,提出了盾构隧道结构服役性能控制方法,建立了基于GIS/BIM的轨道交通地下结构数字化基础平台,实现了数据采集、处理、表达、分析和评估预测等一体化决策服务系统(Infrastructure Smart Service System, iS3)

1.提出了盾构隧道结构服役性能控制方法,包括维护养护构件确定、结构性能要求确定、结构状态评估、结构性能预测、优化决策和维护养护操作6部分,为结构性能控制提供了理论依据,且融合了项目成果。

2.提出了盾构隧道服役性能指标TSI,该指标综合反映盾构隧道沉降、收敛、渗漏水、裂缝和剥落等因素的影响(图10)。

3.将盾构隧道划分为4个不同时期:少年期(06年),壮年期(730年),中年期(3170年),老年期(71100年);不同时期TSI影响因素不同,得到不同的性能退化曲线,采用不同的修复方案。

4.以上海城市轨道交通12号、13号线为对象,建立了涵盖勘察、设计、施工、监测数据的数据库和基于GIS/BIM的轨道交通地下结构数字化基础平台(图11)。

三、推广前景

项目研究成果为城市轨道交通地下结构服役性能诊断、预知,以及地下结构主动、自动的修复与加固提供了基础理论和技术依据。相关研究成果已推广应用于上海城市轨道交通建设、维护等工程实际,在城市轨道交通地下结构服役状态评价、服役性能感知和预测、运营维护管理决策等方面发挥了重大作用,对预防轨道交通运行过程中地下结构突发性的重大事件、事故和灾害的发生,保护人民生命财产安全和减少社会危害等都具有重要的意义与价值。

项目主持人简介

朱合华,1962年生,工学博士,同济大学特聘教授、国家973计划项目首席科学家、国家长江学者特聘教授和创新团队计划带头人,入选上海市领军人才计划,被评为上海市第六届教学名师,现任土木信息技术教育部工程研究中心主任。英国剑桥大学智慧基础设施创新与知识中心(CSIC)、日本大阪地域地层环境研究所顾问。研究方向为隧道及地下结构全寿命设计理论、地下空间防火安全和智慧基础设施建设、岩体破坏力学与模拟。相关成果获国家科技进步二等奖2项(均排名第一)、省部级科技进步一等奖7项,获“十一五”国家科技计划执行突出贡献奖(2011年)、中国科协“全国优秀科技工作者”称号(2012年)、THH PIAN(卞学)国际学术贡献奖(2013年)和德国洪堡研究成就奖(2015年)等。