跨地裂缝带地铁隧道衬砌结构的力学响应研究

作     者：苗晨阳 

作者单位：长安大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄强兵

授予年度：2023年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：地裂缝 地铁隧道 位错作用 地震作用 地层荷载 力学响应 理论解析 

摘      要：地裂缝是一种典型城市地质灾害,其复杂的成因机制与缓变型的活动特点给城市地铁工程建设带来极大的安全隐患。西安地处汾渭盆地,受构造控制与地下水抽取共同作用影响,地裂缝造成的危害十分突出,且部分地裂缝仍存在一定的活动性。因此,揭示地裂缝环境下隧道与地层相互作用力学机理及地裂缝活动作用下隧道衬砌结构力学响应规律对西安地铁工程设计与安全运营具有重要的理论与现实意义。本文基于地裂缝环境下地层的不均匀沉降变形及应力传递规律,对地裂缝活动引起的地层与隧道相互作用的力学机理进行了分析,阐明了地裂缝活动引起隧道上覆地层应力变化过程,并分别针对地裂缝错动和地震动力两类作用,研究了跨地裂缝带隧道衬砌结构的力学响应规律。主要研究结果包括:(1)揭示了地裂缝活动作用下地层位移与应力场变化规律,探讨了深部基岩断裂活动与抽取地下承压水层两类作用诱发地裂缝活动的基本力学模式,为地裂缝场地地层-地下结构相互作用力学机理研究提供基本力学背景。(2)基于地层与隧道相互作用关系,阐明了沿纵向隧道围岩地层应力分布模式,并将地裂缝活动作用下隧道上覆地层压力变化分为三个阶段,即初始弹性阶段、局部脱空阶段和最大脱空阶段。针对每阶段衬砌结构的受力特点,提出了相对应的地层荷载简化计算方法,合理确定了地裂缝场地内隧道衬砌结构竖向地层压力的大小。(3)基于Vlasov地基模型,将隧道视为考虑剪切作用的Timoshenko梁,建立地裂缝活动引起地层附加荷载作用下盾构隧道衬砌结构纵向力学行为(包括变形、转角、弯矩和剪力)的解析解,为地裂缝场地盾构隧道的衬砌结构设计提供了理论依据。(4)考虑了地震动力荷载对跨地裂缝带的隧道动力响应作用,将地层中的隧道视为Kelvin黏弹性地基的剪切梁,根据稳态动力响应的格林函数,利用拉普拉斯变换公式和留数法解析了隧道衬砌结构的动力响应规律,为地裂缝场地地铁隧道结构抗震设计提供了参考。