电缆隧道裂损机理与分级方法研究

作     者：王泽朋 

作者单位：石家庄铁道大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韩现民;刘承宏

授予年度：2023年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 083305[工学-城乡生态环境与基础设施规划] 08[工学] 081403[工学-市政工程] 0814[工学-土木工程] 0833[工学-城乡规划学] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：电缆隧道 外部工程 裂损机理 裂缝扩展规律 裂损分级 

摘      要：随着城市地下空间大规模的开发,城市地下工程相互扰动的情况日益增多。以城市既有电缆隧道为例,常见的外部扰动工程有基坑开挖、市政隧道、地铁隧道等,如施工控制不当或距离过近有可能导致电缆隧道衬砌严重破损与开裂。本文以三种(地铁暗挖隧道、地铁盾构隧道、城市公路隧道)典型外部工程正交下穿既有电缆隧道为例,基于断裂力学理论,采用数值仿真的方法,建立荷载—结构模型,对不同净距、电缆隧道尺寸的既有电缆隧道二次衬砌损伤过程、裂缝开裂规律、受扰损伤开裂范围和裂损程度评判方法展开研究。主要研究内容和研究成果如下:(1)对混凝土断裂力学基本理论进行了基本简要的阐述,介绍了扩展有限元(Extended Finite Element Method,XFEM)和内聚力模型(Cohesive Zone Model,CZM)模拟混凝土结构裂缝出现及发展的原理。(2)依托相关研究,利用XFEM和CZM开展了无筋混凝土梁三点弯曲试验的数值仿真复现,得到了裂缝开裂扩展所需的关键参数。基于得到的开裂参数,运用两种方法进行了钢筋混凝土梁三点弯曲试验,将两种方法得到的结果与相关研究成果进行了对比,综合两种方法的优缺点,选用CZM模拟隧道衬砌裂损。利用CZM开展了钢筋混凝土梁四点弯曲试验数值的仿真复现,实现了隧道衬砌开裂所需关键参数的标定和模型有效性验证。(3)利用ABAQUS有限元软件建立荷载—结构模型,对地铁暗挖隧道、盾构隧道和公路隧道三种下穿工况下电缆隧道二次衬砌结构的受力特性和损伤开裂过程进行数值模拟。研究结果表明,在三种下穿工况下,电缆隧道二次衬砌底板受到的拉应力最大,损伤首先出现在隧道底板靠近墙脚处,为最危险位置。损伤过程中,结构受拉损伤首先从底板靠近墙脚的部位开始,然后逐步向底板中部和边墙中部蔓延。得到了不同工况电缆隧道二次衬砌的损伤起始位移、微观裂缝启发位移和宏观裂缝开展位移。将损伤开裂过程概化为初始损伤阶段、微观裂缝连通阶段、宏观裂缝开展阶段三个阶段。(4)对不同工况产生的裂缝类型及裂缝几何特征进行了分析,得到二次衬砌开裂类型均为I型张开裂缝(环向裂缝),不同下穿工况,裂缝的几何尺寸(如裂缝宽度、长度和深度)和纵向开裂区域范围均有所不同。(5)通过参考有关隧道的相关规范,并结合数值仿真得到的裂缝几何特征数据,制定了适用于电缆隧道二次衬砌裂损程度的评判方法。根据不同裂损标准的安全预警值、临界值和极限值将隧道衬砌的裂损程度分级分为了四个等级,并通过得到的评判方法对地铁暗挖隧道、地铁盾构隧道、城市道路隧道施工扰动工况下电缆隧道二次衬砌的裂损程度进行了分级。