附加荷载下混凝土管片衬砌的变形与损伤特性：数值模拟与实验验证

《Structures》：Deformation and damage characteristics of concrete segmental linings under surcharge loads: Numerical simulation with experimental validation

　　

摘要
预制混凝土管片衬砌因其施工效率高和结构可靠性强，被广泛用于地铁基础设施的盾构隧道中。在地面超载等不利作用力下，混凝土隧道衬砌的力学响应和损伤演化是评估结构状况和指导维护的关键方面。本研究开发了一种精细的三维有限元模型，显式地纳入了管片衬砌的细节，以模拟混凝土管片在地面超载荷载下的渐进破坏行为。数值模型已通过足尺试验验证。本研究的一项关键创新是将分布式光纤传感（DFOS）光缆集成到模型中，以研究管片开裂前的应变分布。结果表明，数值预测与实验观测高度吻合，成功复现了结构的弹塑性转变，以及接缝和螺栓等关键位置的拉伸开裂、压缩损伤和破坏的起始。此外，模拟的光纤应变响应显示出易损区域附近的局部应变集中，表明分布式光纤传感路径在可见损伤之前识别早期应变异常方面的潜力。总体而言，本研究填补了关于超载荷载下管片衬砌损伤的研究空白，并为支持混凝土盾构隧道的安全监测提供了新见解。

引言
隧道基础设施已在城市地区大量建设，在减轻地面交通压力、扩大地下空间以及增强城市应对意外自然灾害的韧性方面发挥着重要作用 [[1], [2], [3]]。在各种隧道施工方法中，盾构（或掘进）隧道法因其技术优势而被广泛采用，包括强适应性、高效率、环境影响减小和施工安全 [[4], [5], [6], [7]]。在结构上，盾构隧道通常使用预制混凝土管片进行衬砌，这些管片通过环向和纵向接缝相互连接。确保混凝土管片衬砌的长期运营安全，在很大程度上取决于此类衬砌的结构行为和耐久性。

运营中的盾构隧道经常面临各种不利的外部荷载，这会严重影响结构安全。特别是，在城市环境中运营的盾构隧道经常受到各种外部活动的干扰，例如附近的开挖活动、桩基施工和地面超载。即使是运营隧道上方回填活动产生的临时地面超载也可能导致下方隧道受损。因此，有必要对地面超载条件下运营隧道的结构性能演化和损伤模式进行研究，这可以为这些隧道的安全监测提供有价值的参考。

以往的研究广泛利用理论、实验和数值方法来调查盾构隧道管片衬砌的结构行为。在理论分析中，将管片环理想化为具有降低刚度的连续环的常见做法，虽然间接地纳入了接缝的影响 [[8], [9], [10]]。然而，这种方法并未显式模拟接缝力学。改进的方法包括将管片表示为弹性壳或曲梁，将接缝表示为拉伸和旋转弹簧系统 [11,12]，但由于校准弹簧参数的困难，该方法较为复杂。此外，对管片环进行的足尺实验试图揭示其结构行为和破坏模式 [[13], [14], [15]]。进行足尺实验是验证管片衬砌性能的有效方法，能更好地探索结构破坏过程。然而，足尺实验成本高、复杂，且通常受限于传感器的布置和数量，导致成本高昂的设置仅产生部分数据，并可能遗漏重要的力学见解。因此，足尺实验并未广泛用于分析隧道衬砌的损伤特征。

管片衬砌的三维力学响应可以使用精细的有限元（FE）建模方法进行调查 [[16], [17], [18], [19]]，与理论方法相比，它能更真实地表示分段几何形状、接缝行为和材料非线性。在这些模型中，管片通常使用实体或壳单元离散化，接缝通过接触界面或非线性连接器建模以捕捉张开、滑动和旋转 [[20], [21], [22]]，混凝土开裂、压碎和钢筋屈服则使用先进的本构模型（如损伤塑性公式）来描述 [[23], [24], [25]]。例如，Liu 等人 [26] 使用简化的 FE 模型分析了 FRC 管片的结构性能；然而，许多现有的数值研究依赖于简化的管片几何形状，并未完全表示手孔和螺栓组件等结构细节。因此，需要更详细的 FE 模拟，纳入真实的接缝细节，并经过足尺环试验验证。

在隧道结构监测中，分布式光纤传感（DFOS）是一种能够获取连续且高密度应变和温度信息的技术，传感距离可达数十公里。在过去的二十年里，它们在结构健康监测中显示出显著的技术优势，并得到了越来越多的应用。一个完整的分布式光纤传感系统通常包括信号解调仪和传感光纤。传感光纤合理集成于被监测结构中，而信号解调仪检测光纤中由应变或温度引起的信号变化，从而实现传感功能。在土木工程结构健康监测中，分布式光纤广泛用于隧道、桥梁和建筑等各种结构的健康监测 [[27], [28], [29], [30], [31]]。它们收集高密度应变信息的能力使其特别适合监测混凝土结构的应变演化和裂缝发展。因此，将分布式光纤与管片衬砌结构相结合，以验证超载条件下裂缝发展和损伤演化，可以为分布式光纤在运营隧道监测中的后续现场应用提供技术参考。

尽管以往的研究为管片衬砌的力学行为提供了有价值的见解，但对于承受超载荷载的盾构隧道，仍有几个问题未得到充分阐明。首先，许多现有的数值模型仍然简化关键结构细节，如手孔、螺栓组件和局部接缝配置，这些可能影响接缝响应、应力重分布和损伤局部化。其次，虽然足尺荷载试验可以揭示整体变形和可见损伤模式，但在捕捉衬砌系统的内部应力演化和分布式应变响应方面通常有限。第三，超载引起的损伤演化与分布式光纤应变特征之间的潜在关系尚未得到充分检查。

为解决这些问题，本研究开发了一种承受超载荷载的足尺混凝土管片衬砌的精细三维有限元模型。该模型显式地纳入了衬砌的主要结构细节，包括管片几何形状、钢筋、手孔、连接螺栓和嵌入式光纤电缆路径，并经过足尺试验观测验证。基于经过验证的模型，系统地分析了变形发展、裂缝起始和扩展、接缝压缩损伤、螺栓应力、钢筋应变和预测的光纤应变响应。目标是阐明地面超载荷载下混凝土管片衬砌的阶段相关变形和损伤特征，并为识别盾构隧道监测中易损区域提供数值证据。

本文其余部分分为不同章节。第 2 节致力于展示工程背景并回顾相关的管片衬砌足尺荷载试验，以及开发精细的三维有限元模型。在此基础上，第 3 节检查并解释数值结果，涵盖结构变形和裂缝演化、螺栓应力、钢筋应变和光纤电缆应变响应。第 4 节讨论了数值结果对运营中盾构隧道结构健康监测的意义，分布式光纤传感的实际应用，以及本研究的局限性和未来展望。结论和主要发现提供在最后的第 5 节。

章节摘要

背景工程
所研究的盾构隧道是中国深圳地铁线路的一部分，于 2009 年建成并投入使用。混凝土管片用作盾构隧道衬砌（见图 1）。研究段总长 710 米，埋深范围从 7 到 11 米。它主要延伸于由全风化花岗岩和风化花岗岩残积物组成的地层中。隧道衬砌外径为 6000 毫米，厚度为 300 毫米，环宽为 1500 毫米。

结构变形和裂缝演化
图 9(a) 比较了数值模拟和足尺试验获得的水平收敛。总体而言，数值模型捕捉了管片环的整体变形趋势。在对应于 31.6 毫米水平收敛的性能点，大约为环直径的 (5‰)，实验和数值荷载分别约为 432 kN 和 467 kN，相对误差为 8.1%。这表明模型合理地复现了整体

支持运营中管片隧道的结构健康监测（SHM）的状态评估
本文的数值模拟结果为运营中盾构地铁隧道的结构健康监测（SHM）提供参考。根据中国设计标准，隧道的适用性要求通常通过控制管片裂缝宽度在 0.2 毫米的一般限值内来保证。然而，由于本研究本构模型的局限性，裂缝宽度无法量化。但评估服务极限是有意义的

结论
本研究探讨了三维有限元方法，对地面超载荷载条件下的隧道衬砌进行数值模拟，并将结果与足尺衬砌实验进行比较。比较显示模拟结果与实验结果吻合良好，表明三维数值模拟可作为足尺实验的替代方案来分析结构性能。此外，本研究创新地将 DFOS 集成到模型

研究数据
作者确认支持本研究结果的数据在文章内可用。

CRediT 作者贡献声明
Xuehui Zhang: 写作 – 审查与编辑，写作 – 初稿，调查，形式分析，概念化。Xiaohua Bao: 写作 – 初稿，方法论，资金获取，写作 – 审查与编辑，项目管理，监督。Yingpeng Li: 写作 – 初稿，可视化，软件，形式分析，数据整理，调查。Liping Huang: 概念化，项目管理，写作 – 审查与编辑。Jiantuan Qin: 概念化，写作 –

竞争利益声明
作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号 52525805）、国家重点研发计划（批准号 2024YFF0507902）和深圳市科技计划（批准号 KQTD20200909113951005）的全资支持。

Xuehui Zhang|Xiaohua Bao|Yingpeng Li|Liping Huang|Jiantuan Qin
智能岩土与隧道国家重点实验室，深圳大学土木与交通工程学院，中国广东深圳 518060