车致振动导致盾构隧道管片初始裂缝的扩展与损伤演化规律研究

With the construction and long-term operation of shield tunnels for underground railway and metro, cracks in segments lining becomes an common problem. In this project, the effects of cracks on the dynamic response characteristics of shield tunnel will be investigated, as well as the development mechanism of vehicle-induced damage to tunnel segments due to the existence of initial cracks. Considering different train speeds and loading combinations, the mechanism of train induced ground-borne vibration will be studied. The effects of varying degrees of segment cracks on the dynamic responses of tunnel lining will be explored, as well as the mechanism of damage deformation development for segments with initial cracks. In addition, the effectiveness of vibration countermeasures for segment lining with cracks will be examined. The aim of this research project is to clarifying time-history curve and spectrum characteristics of train induced vibration load which applied on the segment under the condition of various train loads, revealing the effect mechanism of segment cracks on the dynamic response of shield tunnel, and establishing the crack effect grading standard from the structural dynamic point of view. An better understanding of the damage accumulation and failure mechanism for the segment lining cracks under repeated vibration loads will be provided. Corresponding vibration countermeasures will be determined. This outcomes of this project will provide the theoretical and technical support to safety evaluation and durability design for shield tunnels from the dynamic point of view.

随着铁路与地铁盾构隧道的兴建与长期运行，盾构隧道管片出现裂缝的问题日益普遍。本项目开展由列车振动荷载导致盾构隧道管片初始裂缝的扩展与损伤演化规律研究。通过研究不同行车速度和荷载组合下列车振动荷载产生机理，不同程度管片初始裂缝对盾构隧道结构动力响应的影响，在重复列车荷载作用下裂缝管片损伤变形累积特性及在出现裂缝条件下不同减振控制技术效果。旨在探明不同列车载荷组合情况下作用于管片结构上的列车振动荷载的时程曲线及其频谱特性，揭示管片初始裂缝对盾构隧道动力响应影响机理，从结构动力响应角度建立裂缝影响分级标准，探明重复振动荷载作用下盾构隧道管片初始裂缝扩展规律以及动力损伤累积机制，提出针对出现裂缝的管片结构的合理减振方法。从动力学角度，为盾构隧道整体安全性评估以及耐久性设计提供理论和技术支撑。

随着大量城市地铁的开通运营，由地铁列车运行诱发的振动问题引发了众多学者的广泛关注。盾构隧道多采用装配式衬砌，由预制管片拼装而成。通常而言，由于地铁列车运行产生的振动荷载幅值较小，不会导致衬砌结构的直接破坏，但管片在制作、隧道施工和运营期间都不可避免的会出现初始裂缝，使得隧道结构对振动变得敏感。管片裂缝会降低构件在裂缝处刚度，对管片衬砌结构整体动力响应特性造成明显影响。同时，裂缝作为管片结构的薄弱环节，在重复振动荷载作用下还会加剧演化，使得管片损伤变形不断累积，初始裂缝不断扩展，最终可能致使结构出现大的塑性变形，影响地铁列车的正常运营。本项目从对作用于管片结构上的列车振动时程曲线及频谱特性研究入手，通过车辆-轨道振动耦合模型，分析了作用于管片结构上的列车振动时-频域特性；为实现模型土与原型土之间的动力相似，采用离心机施加多倍重力场开展小比例尺相似模型试验，探究了盾构隧道在列车荷载作用下的动力响应特性以及应力场对其动力响应的影响规律；随后开展 1g 条件下室内相似模型试验对列车荷载作用下带有管片裂缝的盾构隧道衬砌结构的动力响应进行测试，并结合数值模拟进行对比分析，研究了无裂缝和有裂缝两种管片衬砌结构的动态响应特性，探明了管片裂缝对振动波在隧道结构中传播的影响机理，揭示了管片裂缝对隧道衬砌结构动力响应的影响规律；其次，进一步研究了重复列车振动荷载对盾构隧道结构和周围土体的动力响应的影响规律；最后分析了常用减振方法的特点与适用性，重点研究了隔振沟对地铁列车运行引发的振动的减振效果，探明了隔振沟的填充材料、深度、宽度以及与振源间的距离对减振效果的影响。课题研究为管片出现裂缝的盾构隧道在振动荷载下的长期安全性评估及结构减振设计方法提供了理论及技术依据。