工后差异变形下地铁盾构隧道列车振动响应及服役性能研究

Different deformation after construction caused by foundation settlement and nearby construction disturbance exits widely in metro shield tunnel in China, which may worsen the service environment, lower the service performance and shorten the service life of the tunnel, causing significant influence on the operation safety of metro system. According to the different deformation after construction in the service of metro shield tunnel, through theoretical and experimental study, a three-dimensional discontinuous contact meticulous calculation model which can reflect the coupling effect of train-track-segment-joint-formation under condition of different deformation is built to analyze the stress characteristics and dynamic responses of metro shield tunnel under different deformation, reveal the progressive accumulative damage failure mechanism of metro shield tunnel under the coupling effect of train dynamic load and different deformation, analyze the mechanism and law of influence on metro shield tunnel service performance from different deformation, establish an evaluation method for discontinuous failure of shield tunnel structural system, and propose a control standard for shield tunnel’s different deformation that satisfies the train’s long-term operation safety. The research results can be widely used in the operations management of metro shield tunnels in Chinese cities, which is of great significance to ensure the long-term operation safety of existing metro shield tunnels in our country.

地基沉降、临近施工扰动导致的工后差异变形广泛存在于我国已建地铁盾构区间隧道中，差异变形会恶化盾构隧道的服役环境，缩短隧道的服役寿命，对地铁列车的行车安全也会造成影响。本项目针对差异变形下盾构隧道性能演化这一关键科学问题，通过理论和试验研究，建立差异变形下能反映列车-轨道-管片-接头-地层耦合作用的三维非连续接触精细化计算模型，分析差异变形影响下地铁盾构隧道的受力特征和动力响应特性，揭示列车动载-差异变形耦合作用下地铁盾构隧道的渐进累积损伤破坏机理，构建管片结构非线性累积损伤模型，建立列车荷载和差异变形耦合作用下地铁盾构隧道服役性能计算方法，探明不同差异变形对地铁盾构隧道服役性能的影响规律，建立盾构隧道结构体系非连续失效评价方法，提出满足地铁列车长期运营安全的盾构隧道差异变形控制标准。研究成果可广泛应用于我国城市地铁盾构区间隧道运营管理中，对保障既有地铁盾构隧道的长期运营安全意义重大。

地基沉降、临近施工扰动等导致的工后差异变形会恶化盾构隧道的服役环境，缩短隧道的服役寿命，对地铁列车的行车安全也会造成影响。本项目以我国城市地铁盾构隧道的建设和运营安全的迫切需要为背景，对列车动载-差异变形耦合作用下地铁盾构隧道的服役性能进行了系统研究，主要研究成果如下。.（1）构建了盾构隧道模型试验系统，基于试验研究确定了地铁盾构隧道纵、环向抗弯刚度有效率，揭示了差异变形下盾构隧道结构变形及应力的重分布规律。.（2）研制了能考虑隧道-围岩相互作用的室内模拟试验系统，基于盾构管片混凝土试件累积损伤试验，探明了管片混凝土的疲劳损伤演化规律。.（3）建立了车-轨-隧-围岩三维耦合精细化静动力数值计算模型，分析确定了列车动载与差异变形耦合作用下盾构隧道结构的静动力响应规律。.（4）建立了盾构隧道管片混凝土的双标量弹塑性损伤本构模型，以及循环荷载下的疲劳损伤本构模型，进而基于循环跳跃加速算法，实现了结构高周疲劳累积损伤全过程的数值模拟分析。.（5）基于建立的管片混凝土损伤本构模型，结合加速算法，从弹性、弹塑性损伤及疲劳损伤三个层次，构建了差异变形下盾构隧道服役全过程性能演化的分析方法。.（6）采用构建的计算方法，明确了差异变形影响下盾构隧道线弹性、屈服-损伤和失效破坏三阶段发展特征；确定了不同围岩条件及不同差异变形下盾构隧道结构累积损伤及服役性能的演化规律。.（7）探明了差异变形对地铁盾构隧道行车安全性、舒适性及结构长期服役性能的影响规律，提出了不同差异变形下平稳行车的临界速度以及满足隧道百年服役要求的差异变形控制标准。.项目研究过程中已发表论文18篇，其中SCI论文12篇，EI论文5篇，CSCD论文1篇，出版专著1本；获授权国家发明专利6项，实用新型专利3项，软件著作权1项；培养博士生1人，硕士生4人，研究成果已应用于我国城市地铁盾构区间隧道运营管理中，为保障差异变形下地铁盾构隧道的长期运营安全提供了理论和技术支撑。