管片背后空洞缺陷影响的盾构隧道抗震性能研究

作     者：李娇娇 

作者单位：华北水利水电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王慧;陈宏山

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：空洞 盾构隧道 三维接触模型 地震动力响应 敏感性分析 多元线性回归 

摘      要：许多已建成的地铁盾构隧道在长期运营过程中出现了管片背后空洞病害问题,空洞的存在严重影响了结构本身以及围岩的受力状态,同时也会影响隧道的抗震性能。结合新建铁路新郑机场至郑州南站城际铁路区间盾构隧道工程,采用三维模型仿真分析了空洞不同影响因素下隧道地震动力响应的变化规律,建立了盾构衬砌地震响应与管片背后空洞缺陷的映射关系,基于敏感性分析提出了最不利缺陷分布图谱,实现了空洞缺陷影响盾构隧道的地震安全评价。主要研究内容和成果如下:(1)在大量文献调研的基础上,系统地分析了隧道空洞的成因、危害及分布规律,同时统计了11名专家学者对隧道衬砌背后空洞的调查结果,总结出空洞的分布规律。结果表明:运营期隧道出现空洞情况较为普遍,且空洞多位于隧道拱顶及拱腰等部位;空洞沿隧道环向角度分布区间在0°～60°,沿隧道径向深度分布区间在0.1～0.6 m,沿隧道纵向长度分布区间在1～8 m;隧道衬砌管片与其背后围岩的接触状态受到地质条件的影响,当土体不均匀、稳定性差时两者接触不良现象会更严重。(2)利用ANSYS有限元分析软件建立管片背后含空洞隧道-围岩联合受力的三维精细化非连续接触模型。充分考虑盾构隧道管片拼装非连续变形体的特性,利用实体单元模拟围岩、管片及内部结构,梁单元模拟环向和纵向螺栓,运用非线性接触理论模拟管片与围岩及内部结构之间的相互作用,基于约束方程耦合法实现螺栓与管片之间的连接,建立可以综合考虑盾构隧道环向和纵向力学特性的三维非连续接触计算模型。(3)针对管片背后空洞的位置、环向角度、径向深度、纵向长度和地质条件等因素对隧道结构地震响应的影响机理开展研究,分析衬砌管片的环向应力、接触面压应力、滑移量和张开量、螺栓拉应力在地震作用下的变化规律。计算结果表明:空洞的存在会改变衬砌管片的受力状态,使得空洞边缘处的衬砌环产生应力集中,且空洞周围管片环向应力由压应力转变为拉应力;管片目标工作面外环环向应力极值会随空洞几何尺寸的增加以及地质条件的减弱而增大;当空洞位置由拱顶移动到右拱腰时,环向应力极值也随之增大,且拉应力超过规定限值,衬砌管片出现损坏;通过分析空洞不同影响参数对管片接头变形的影响可知,管片间接触压应力极值、滑移量和张开量、螺栓拉应力均会随空洞位置的改变、空洞几何尺寸的增加以及地质条件的减弱而增大,其中当空洞位于右拱腰时对衬砌管片最为不利,分析管片滑移量和张开量以及螺栓拉应力可知,在空洞影响下均未超过规定限值。(4)对空洞各影响因素进行敏感性分析,对比得出在地震作用下对隧道影响最大的因素。结果表明:各因素对隧道产生的影响为:空洞位置空洞环向角度空洞径向深度空洞纵向长度地质条件,其中空洞位置对隧道的敏感性影响最大,地质条件影响最小;基于敏感性分析通过多元线性回归将空洞环向角度、径向深度、空洞位置这三个敏感度最显著的因素进行拟合,得出便于工程实际应用的隧道环向应力极值计算公式,进而预测隧道衬砌管片在空洞影响下的地震安全性能,实现空洞缺陷影响盾构隧道的地震安全评价。