同济大学地下建筑与工程系：复合型材加固盾构隧道衬砌结构足尺试验研究 | MDPI Materials

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作者介绍

通讯作者

柳献 教授

同济大学

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同济大学地下建筑与工程系教授、博士生导师，同济大学房屋质量检测站项目负责人。中国土木工程学会轨道交通分会理事、中国岩石力学与工程学会水下盾构隧道工程技术分会理事、中国公路学会隧道工程分会理事、上海市土木工程学会工程改造与维护专业委员会委员、上海市建筑学会地下建筑与工程专业委员会委员。长期从事隧道及地下工程结构全寿命设计与维护的教学科研和工程实践。主持或参与了多本技术规范、标准的编写；多项国家自然科学基金项目、国家科技支撑计划项目以及上海市的重大工程项目，并多次获上海市科技进步奖，发表科研论文 200 余篇。近年来完成近 30 个城市地铁隧道或地下结构安全检测、鉴定及加固咨询工作。

研究方向：隧道及地下工程结构全生命设计理论与维护技术、新型隧道及地下建筑结构的受力性能与设计方法、在役隧道及地下工程结构的性能演化与灾变机理。

第一作者

张磊 博士研究生

同济大学

同济大学土木工程学院隧道及地下建筑工程系博士在读。

研究方向：叠合加固受损盾构隧道衬砌受力性能研究及设计方法。

文章导读

地铁盾构隧道在自然环境和使用环境的长期双重作用下，日常检测中发现的隧道病害逐渐增多。通过长期监测和调研表明，隧道结构常见病害主要表现为渗/漏水、结构裂缝及损坏、隧道纵向沉降及管径环向收敛变形等。其中，隧道过大的纵向和横向变形是危及结构安全的重要病害之一，过大的变形导致隧道限界被侵占。盾构隧道加固的目的是提高刚度保证结构不再发生过大变形，提高承载能力防止衬砌破坏坍塌。

来自同济大学隧道及地下建筑与工程系的柳献教授及其团队在 Materials 期刊发表了文章，介绍了他们在盾构隧道加固方向的研究成果。

研究过程及成果

文章中采用的新型复合型材如图 1、图 2 所示。作者以错缝拼装盾构隧道为对象，对加固结构进行了顶部超载作用下的静力加载试验研究：分析了加固结构的受力过程，破坏模式和极限承载力等；探讨了复合型材在叠合衬砌中的受力机制；总结了叠合加固盾构隧道结构的破坏链和薄弱环节。

图 1. 复合型材设计示意图。

图 2. 整环足尺试验加载装置。

研究表明，由图 3、图 4 可知：(1) 复合型材本体处于压弯或拉弯的受力状态，承担了加固结构的部分轴力和弯矩，并且所受内力随着外荷载等级的增加而增加；(2) 加固结构在超载作用下初始破坏位于 0° 附近，结构破坏始于复合型材与管片的粘结界面脱开；(3) 复合型材加固方法可提高盾构隧道结构的刚度和极限承载力。

图 3. 复合型材本体弯矩。

图 4. 复合型材本体轴力 (负值为压/正值为拉)。

研究总结

◉ 基于试验现象与理论分析，作者总结得到叠合加固衬砌结构的薄弱环节。加固后复合型材与衬砌共同作用，衬砌顶底的叠合界面易发生粘结破坏，顶底接缝外弧面混凝土易发生受压破坏，顶底内侧和腰部外侧的钢筋易受拉屈服。

◉ 增量荷载作用下的复合型材在加固截面中承担轴力，并贡献截面弯矩，其中 0°、22.5° 截面中受拉，56.25°、90° 和 270° 截面中受压。复合型材本体在关键截面 0°、22.5° 截面中本体处于拉弯状态，56.25°、90° 和 270° 截面构件本体处于压弯状态。

◉ 复合型材加固能够有效提升衬砌结构的极限承载力和结构刚度。复合型材加固后，结构的极限承载力提高 122.5 kN，提高幅度为 18.08%；加固前后结构刚度分别为 0.2 kN/mm 和 4.11 kN/mm，加固后结构的刚度为未加固结构刚度的 19.4 倍。

◉ 本试验结果为之后的研究奠定了基础。作者后续将通过标定数值模型的方式，得到全环截面和复合型材本体的内力，指导并开展复合型材的设计工作。

原文出自 Materials 期刊

Zhang, L.; Liu, X. Experimental Investigation of the Deformed Stagger-Jointed Segmental Tunnel Linings Strengthened by Epoxy-Bonded Filament Wound Profiles. Materials 2022, 15, 6862.

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   Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

期刊发表涵盖材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等、以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等研究领域在内的学术文章。

2021 Impact Factor	3.748(Q1*)
2021 CiteScore	4.7
Time to First Decision	15.3 Days
Time to Publication	38 Days

* Q1 (18/79) at category "Metallurgy and Metallurgical Engineering"

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