一种基于扩展有限元法的隧道隐伏式缺陷衬砌病害分析方法与流程

本发明涉及隧道衬砌病害分析技术领域，具体是涉及一种基于扩展有限元法的隧道隐伏式缺陷衬砌病害分析方法。

背景技术：

截至2019年底，我国铁路隧道已建成16084座，运营长度达到18041公里。公路隧道已建成17738座，运营长度达到17236公里。此外，我国各个大中型城市也在大力建设城市轨道交通网络以减轻出行高峰的交通拥堵问题。

受地质条件、设计因素、施工工艺以及循环荷载等因素的影响，隧道衬砌结构在施工期或服役期普遍存在不同程度的隐伏质量缺陷，如衬砌背后存在空洞、初支与围岩接合不密实、衬砌内部开裂、渗漏水等质量问题。衬砌结构隐伏质量缺陷具有隐蔽、不易察觉、不易检测的特点，若任其发展，将使工程留下永久性的质量缺陷，从而影响隧道服役性能和寿命，降低隧道结构的耐久性和稳定性，严重威胁隧道行车安全，给人民群众的出行带来了极大的安全隐患。

目前针对隧道隐伏式缺陷衬砌病害分析方法主要采用有限元法进行受力分析，亦或采用现场测试，但这些方法都有明显的局限性，如有限元法难以分析由于对隧道隐伏式缺陷导致的衬砌开裂、错台等不连续现象，对于隧道隐伏式缺陷的模拟技术主要还存在支护受力不合理(如荷载-结构模型)、隧道隐伏式缺陷位置不合理、分析对象单一种种问题，现场测试由于隧道工程的局限性，很难对衬砌病害的发生、发展过程进行全方位的观测。因此，需要提供一种新的隧道隐伏式缺陷衬砌病害分析方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于扩展有限元法的隧道隐伏式缺陷衬砌病害分析方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于扩展有限元法的隧道隐伏式缺陷衬砌病害分析方法，包括如下步骤：

基于地质雷达无损检测结果确定隐伏式缺陷范围及几何尺寸，根据无损检测结果、隧道设计图纸及地勘资料，建立表征受隐伏式缺陷隧道衬砌地层-结构有限元网格模型；

对所述的地层-结构有限元网格模型模型施加边界条件，创建索要分析对象的单元集合，对所述的地层-结构有限元网格模型进行受力分析；

划分轻质虚拟材料+弹簧单元耦合作用网格模型，模拟衬砌壁后隧道隐伏式缺陷；

基于扩展有限元法在对所述的地层-结构有限元网格模型中定义衬砌混凝土材料的断裂力学参数，选择所述的衬砌结构为断裂分析区域，计算病害的产生以及不断发展的演变规律；

在所示网格模型建立完成后，通过定义生死单元，模拟隧道开挖、支护、隐伏式缺陷影响，计算出在地层自重应力作用下，衬砌受隐伏式缺陷影响衬砌开裂区域，观测衬砌开裂过程，分析衬砌受力状态，评估衬砌结构安全性。

优选地，所述地质雷达无损检测采用gssi公司sir-20地质雷达仪，沿隧道纵向共布置5条测线：拱顶、左拱腰、右拱腰、左边墙、右边墙测线进行无损检测；以5km/h速度匀速移动天线，采用人工触发方式，每10米打一个标记，进行连续测量；采用radan专处理数据，确定隐伏式缺陷范围及几何尺寸。

优选地，所述网格模型依据现场实测地勘资料及设计图纸确定，建立地层-结构有限元网格模型，所述地层网格模型材料依据摩尔－库仑屈服准则，输入参数包括：密度、弹性模量、泊松比，内摩擦角，剪胀角，内聚力；所述结构有限元模型材料为线弹性材料，输入参数包括：密度、弹性模量、泊松比。

优选地，所述轻质虚拟材料+弹簧单元耦合作用网格模型，通过无损检测结果确定隐伏式缺陷网格模型几何尺寸，采用虚拟材料模拟隐伏式缺陷内部填充，输入参数包括：密度、弹性模量、泊松比，参数取值小于等于地层网格模型材料的10％；并采用刚度为1的弹簧单元将所述的轻质虚拟材料与围岩、衬砌进行连接，形成耦合作用模型。

优选地，所述衬砌结构病害分析，通过对所述的地层-结构有限元网格模型中定义二次衬砌混凝土材料的断裂力学参数，选择所述的二次衬砌结构为断裂分析区域，计算病害的产生以及不断发展的演变规律。

优选地，所述网格模型接触方式采用，地层与衬砌采用tie绑定方式进行连接，允许绑定从面进行调整容差范围内的从节点及约束可能的转动自由度。

优选地，所述隐伏式缺陷影响效果分析采用，对所述的地层-结构有限元网格模型中的开挖面、衬砌结构、隐伏式缺陷耦合作用网格模型定义为生死单元；依据开挖→支护→隐伏式缺陷作用以此钝化及激活各网格集合。

优选地，所述隐伏式缺陷影响地衬砌病害分析采用，abaqus软件后处理的连续视图或视频方法反映病害的发展及演变规律。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明提供一种适用于受隧道隧道隐伏式缺陷影响下衬砌错台、开裂等病害演化的成套数值解析方法，该方法能够精准预测病害发生的位置，对比病害后续的发展演变规律进行分析，对病害发生的过程能够实现可视化，同时基于衬砌病害的受损形态，提出指导性的加固补强建议。

2.隧道隧道隐伏式缺陷导致的衬砌病害虽已有研究，但既有研究对于隐伏式缺陷模拟方法还存在一定的局限性，将隐伏式缺陷简单的考虑为荷载的缺失，不能准确反映由于隐伏式缺陷导致的围岩荷载重分布；采用直接定义生死单元来模拟隐伏式缺陷，则不能准确反映由于隐伏式缺陷导致的围岩卸载过程，且实际工程中隐伏式缺陷所表征的隧道脱空也不是绝对的真空，所以现有模拟方式与事实情况有一定的背离。因此，本发明提供一种模拟隧道隐伏式缺陷的精细化耦合作用模型，能够准确反映隐伏式缺陷对衬砌病害的影响。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的流程图。

图2为基于无损检测结果确定隐伏式缺陷几何尺寸的示意图。

图3为地层-结构有限元网格模型图。

图4为轻质虚拟材料+弹簧耦合作用模型图。

图5为有限元模型接触建立方式示意图。

图6为自重应力条件添加方式图。

图7为衬砌病害结果分析图。

图中：1、围岩；2、隐伏式缺陷；3、衬砌。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选施例和附图对本发明做进一步地说明。附图中相似不见易相同地附图标记进行标识。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述地内容式说明性地而非限制性地，不应以此限制本发明地保护范围

如图1本方法地流程图所示，一种基于扩展有限元法的隧道隐伏式缺陷衬砌病害分析方法，包括如下步骤：

有限元整体模型的建立，建立图3所示的地层-结构有限元模型包含：隧道所处砂岩地层、单线单洞无砟轨道铁路衬砌断面以及基于图2所示的无损检测结果，来建立图4所示的高度为20cm的反映隧道隐伏式缺陷的轻质虚拟材料-弹簧耦合作用模型，图3所示的地层-结构有限元模型自上而下包括：1、表征砂岩地层的实体单元，2、表征隐伏式缺陷的轻质虚拟材料+弹簧单元耦合作用模型，3、表征单线单洞无砟轨道铁路衬砌断面的实体单元。

各网格模型材料属性如表1所示，其中e为弹性模量，ρ为密度，μ为泊松比，c为内聚力，φ为内摩擦角，k为弹簧刚度，fc为混凝土抗压强度，ft为混凝土抗拉强度.

表1

本实施例中对有限元模型围岩左、右、下边界施加固定固定约束，上边界采用自由面。

本实施例荷载施加方法为考虑土体自重作用，不施加其他外部荷载，模拟实际工程条件下受隧道隐伏式缺陷的衬砌病害发展过程。

如图5所示，对弹簧单元与轻质虚拟单元、围岩、衬砌采用节点连接的接触方式，对衬砌与土体采用tie绑定的接触方式，对衬砌单元定义为扩展有限元富集函数单元。

如图6所示，计算自重作用下初始地应力，导入初始地应力场进行平衡，竖向位移小于1×10^-5m时，即地应力平衡结束。

钝化开挖面围岩单元，模拟隧道开挖，激活衬砌单元，模拟隧道支护。

激活轻质虚拟材料+弹簧耦合作用单元，模拟隧道隐伏式缺陷影响。

如图7所示，分析受隧道隐伏式缺陷的衬砌病害发展过程，可通过不同分析步图像清晰获取受隧道隐伏式缺陷影响下衬砌断裂过程。

实际计算工程案例中，受隧道隐伏式缺陷影响的隧道衬砌往往于隐伏式缺陷两侧即衬砌拱腰位置产生断裂破坏，因此，数值解析结果真实可信，可以准确预测、模拟衬砌病害的发生及发展过程。

以上所述仅为清楚地说明本发明所做的举例，并非是对发明的实施方法的限定，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。