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中文题名:

 大断面盾构隧道双层衬砌结构抗震性能研究    

姓名:

 李茂然    

一卡通号:

 0000357540    

论文语种:

 中文    

学科名称:

 工学 - 土木工程 - 桥梁与隧道工程    

公开时间:

 公开    

学生类型:

 硕士    

学位:

 工学硕士    

学校:

 西南交通大学    

院系:

 土木工程学院    

专业:

 桥梁与隧道工程    

第一导师姓名:

 封坤    

第一导师单位:

 西南交通大学    

完成日期:

 2022-04-29    

答辩日期:

 2022-05-20    

外文题名:

 RESEARCH ON SEISMIC BEHAVIOR OF DOUBLE-LAYERED LINING STRUCTURE FOR SHIELD TUNNELS WITH LARGE CROSS-SECTION    

中文关键词:

 盾构隧道 ; 双层衬砌 ; 抗震性能 ; 管片-围岩剪切-滑移作用 ; 管片-二衬剪切-滑移作用 ; 变形缝间距    

外文关键词:

 Shield tunnel ; double-layered lining ; seismic behavior ; segment-surrounding rocks shear-slip action ; segment lining shear-slip action between adjacent segments ; deformation joint spacing    

中文摘要:

随着我国铁路路网建设的逐步推进,大断面铁路盾构隧道不断涌现,对盾构隧道衬砌结构的安全性要求也越来越高。由于常见单层装配式管片衬砌难以满足铁路隧道下穿江河的防水防渗以及抗震设防等要求,双层衬砌的应用逐步开展。然而,目前国内外对双层衬砌隧道的抗震性能的认识尚存争议,因此开展盾构隧道双层衬砌抗震性能的研究十分必要。本文采用资料调研、室内试验、数值模拟与理论分析相结合的方式,研究了横、纵向地震作用下盾构隧道单/双层衬砌、管片与二衬不同接驳方式以及不同变形缝间距的双层衬砌地震响应规律,主要工作及研究成果如下:(1)开展室内试验探明了管片-围岩接触面剪切-滑移作用规律与界面关键参数,获得了不同层间接驳方式下管片-二衬层间接触面剪切-滑移作用规律,得到了管片间界面摩擦系数。(2)提出了能较真实反映管片-围岩剪切-滑移作用的迭代计算模型,提出了使用黏结接触模拟管片-二衬黏性行为的方法以及参数取值建议,采用隧道三维非连续接触模型分析了不同接驳方式、不同变形缝间距下隧道纵向刚度有效率,代入隧道轴向等效刚度模型分析了管片-二衬接驳方式与二衬变形缝间距对隧道地震响应的影响。(3)分析了横向地震作用下盾构隧道单/双层衬砌地震响应差异,相比单层衬砌,双层衬砌隧道横向内力明显减小、纵向内力显著增大,隧道纵缝张开量、环缝错台量、隧道顶底相对位移与横向弯曲以及管片损伤均有所减小。(4)分析了横向地震作用下双层衬砌隧道管片与二衬考虑不同接驳方式的地震响应差异,相比层间无摩擦,层间凿毛与植筋增大了横向地震作用下二衬承力效果,显著减小管片纵缝张开量、环缝错台量、隧道拱顶、底相对位移、横向弯曲与管片损伤,会导致二衬损伤增大,增强了管片与二衬变形协调性,对隧道抗震性能的提升有益,层间植筋相比凿毛效果更优。(5)分析了横、纵地震作用下双层衬砌隧道不同变形缝间距的地震响应差异,变形缝间距增大,二衬分担内力效果加强,但会导致管片纵向内力与纵向螺栓应力增大,管片与二衬损伤变大。同时变形缝间距对管片纵缝张开、环缝错台以及拱顶、底相对位移影响很小,对横向弯曲有一定减益作用。纵向地震作用下,变形缝间距增大能够显著减小管片环缝张开量,其中变形缝间距30m时效果更加显著。

外文摘要:

With the steady progress of railway network construction in China, railway shield tunnels with large cross-section are constructed continuously, and the safety requirements of shield tunnel lining structure are higher and higher. Because the single-layered fabricated segment lining is difficult to meet the requirements of waterproof, anti-seepage and seismic fortification of railway tunnel when crossing rivers and seas, the application of double-layered lining is gradually adopted more and more. However, the understanding of the seismic performance of double-layered lining tunnel at home and abroad is still controversial at home and abroad.It is necessary to carry out research on the seismic performance of double-layered lining of shield tunnels. In this study, the seismic behavior of single and double lining, different connection between segment and secondary lining, and different deformation joint spacing of double lining for shield tunnel under transverse and longitudinal earthquake is invertigated by means of data investigation, indoor test, numerical simulation and theoretical analysis. The main work and research results are as follows:(1) The shear-slip action and interface friction coefficient of segment-surrounding rocks contact surface are obtained through direct shear tests, the shear-slip action of segment-secondary lining contact surface under different connection conditions is obtained, and the interface friction coefficient between segments is aquired.(2) An iterative calculation model that can reflect the shear-slip action of segment-surrounding rock is proposed. The method of simulating the viscous behavior of segment-secondary lining by adhesive contact and suggestions on parameter values are put forward. The effective efficiency of longitudinal stiffness of tunnel under different connection conditions and different deformation joint spacing is analyzed respectively by using three-dimensional discontinuous contact model of tunnel, Based on the stiffness efficiency, the seismic response of different connection conditions and different deformation joint spacing of segment and secondary lining is analyzed by using the Axial Equivalent Stiffness Model.(3) The seismic response difference of single / double lining of shield tunnel is analyzed under transverse earthquake. Compared with single-layered lining, the transverse internal force of double-layered lining tunnel is substantially reduced, the longitudinal internal force is significantly increased, the opening amount of longitudinal joint, the staggering amount of circumferential joint, the relative displacement and transverse bending of tunnel vault and bottom and the damage of segment are reduced.(4) The seismic response difference between the segment and the secondary lining of a double-layered lining tunnel is analyzed considering different connection conditions under lateral seismic action. Compared with the non-friction between layers, the chiseling and planting of reinforcement between layers increase the load-bearing effect of the secondary lining under lateral seismic action, and substantially reduce the opening amount of longitudinal joints, reduce the dislocation amount of circumferential joints, cut down the relative displacement between tunnel vault and bottom, control lateral bending and segment damage, which will increase the damage of the secondary lining and enhance the deformation coordination between the segment and the secondary lining, It is beneficial to improve the seismic performance of the tunnel, and the effect of planting reinforcement between layers is better than that of chiseling.(5) The seismic response difference of double-layered lining tunnel with different deformation joint spacing is analyzed under horizontal and vertical seismic action. The increase of deformation joint spacing will strengthen the internal force distributing effect of the second lining, but will lead to the increase of the longitudinal internal force and the longitudinal bolt stress of the segment and the damage of the segment and the second lining. At the same time, the spacing of deformation joints has little effect on the opening of longitudinal joints, staggering of circumferential joints and the relative displacement of arch crown and bottom, and has a certain beneficial effect on transverse bending. Under longitudinal seismic action, the increase of deformation joint spacing can significantly reduce the opening of segment circumferential joint, especially when the deformation joint spacing is 30m.

分类号:

 U459.1    

总页码:

 148    

参考文献总数:

 85    

参考文献:

[1] 何川, 封坤. 大型水下盾构隧道结构研究现状与展望[J]. 西南交通大学学报, 2011,46(01):1-11.

[2] 何川, 张建刚, 苏宗贤. 大断面水下盾构隧道结构力学特性[M]. 科学出版社, 2010.

[3] 何川, 张景, 封坤. 盾构隧道结构计算分析方法研究[J]. 中国公路学报, 2017, 30(8):14.

[4] 何川, 封坤, 方勇. 盾构法修建地铁隧道的技术现状与展望[J]. 西南交通大学学报, 2015, 50(1):97-109.

[5] 刘洋, 龚振华, 梁敏飞,等. 考虑变荷载影响的水下盾构隧道双层衬砌力学特性分析[J/OL]. 铁道标准设计:1-8[2022-05-04].

[6] 罗泽军, 张清照, 何一韬,等. 大直径盾构隧道双层衬砌管片结构计算[J]. 现代隧道技术, 2018,55(05):79-87.

[7] 林刚, 罗世培, 倪娟. 地铁结构地震破坏及处理措施[J]. 现代隧道技术, 2009(4):7.

[8] 小泉淳. 盾构隧道的抗震研究及算例[M]. 中国建筑工业出版社, 2009.

[9] 金飞帆. 隧道洞口段地震动力响应及锚固抗震效应研究[D]. 重庆大学, 2018.

[10] 小泉淳, 官林星. 盾构隧道管片设计:从容许应力设计法到极限状态设计法[M]. 中国建筑工业出版社, 2012.

[11] 村上博智, 小泉淳. 二次覆工で補強されたシールドセグメントリングの挙動について[C]//土木学会论文集, 1987, (388):85–94.

[12] 魏巍. 粉质砂土与混凝土结构接触面力学特性试验研究[D]. 塔里木大学, 2021.

[13] 贾羽, 张家生, 张飞,等. 基于扰动状态概念的桩-土接触面荷载传递模型[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2021, 42(12):7.

[14] 成浩, 曾国东, 周敏,等. 考虑粗糙度影响的黏土–混凝土接触面峰值剪切强度模型研究[J]. 工程科学与技术, 2021, 53(4):10.

[15] 尹崇林. 摩擦滑动接触条件下隧洞围岩和衬砌力学分析的解析方法[D]. 华北电力大学.

[16] 朱武俊, 王晅, 张家生,等. 弃渣混合料与混凝土接触面剪切力学特性[J/OL]. 哈尔滨工业大学学报:1-11[2022-05-04].

[17] 潘一鸣, 王伯昕, 张中琼,等. 正融土-混凝土接触面力学性质分析[J]. 河南理工大学学报:自然科学版, 2022, 41(1):7.

[18] 许晓亮, 雷潇, 王天龙,等. 桩珊瑚砂接触面剪切力学特性试验研究[J/OL]. 地下空间与工程学报:1-8[2022-05-04].

[19] 刘亚琼. 粗颗粒含量对粗粒土—混凝土结构接触面剪切力学性质的影响[J]. 工程勘察, 2022, 50(2):6.

[20] 朱珍德, 邢福东, 渠文平,等. 岩石-混凝土两相介质胶结面抗剪强度分形描述[J]. 岩石力学与工程学报, 2006(z1):8.

[21] 王明年, 胡云鹏, 童建军,等. 高温变温环境下喷射混凝土-岩石界面剪切特性及温度损伤模型研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2019, 38(01):63-75.

[22] 王德弘, 沈彤, 鞠彦忠,等. 后浇普通混凝土与预制UHPC的黏结受剪性能研究[J]. 建筑结构学报, 2020(S02):9.

[23] 龚彦峰, 蒋雅君, 魏晨茜,等. 盾构隧道管片非定型嵌缝材料粘结面特性分析[J]. 铁道标准设计, 2021, 65(6):6.

[24] 蒋瑶, 蔡升宇, 何世钦,等. 复合衬砌结构混凝土界面粘结性能试验研究[J]. 水电能源科学, 2021, 39(12):4.

[25] 方志, 吴荣杰, 裴炳志,等. 新旧混凝土结合面抗剪性能的尺寸效应[J]. 中国公路学报, 2021, 34(11):12.

[26] 李文韬, 贾俊峰, 王玉果,等. 装配式结构新旧混凝土新型接缝力学性能试验[J]. 工业建筑, 2021, 51(02):40-46.

[27] 赵武胜, 陈卫忠, 杨帆. 盾构隧道管片混凝土接触面力学性能研究[J]. 现代隧道技术, 2015, 52(3):8.

[28] Hirotomo M, Atsushi K. Behavior of Shield Segment Ring Reinforced by Secondary Lining.[J]. Doboku Gakkai Ronbunshu, 1987, 1987(388):85-94.

[29] Takamatsu N. A Study on the Bending Behaviour in the Longitudinal Direction of Shield Tunnels with Secondary Linings[C]// Proc. Of Ita Congress Towards New Worlds In Tunnelling. 1992.

[30] 张厚美, 连烈坤, 过迟. 盾构隧洞双层衬砌接头相互作用模型[J]. 岩石力学与工程学报, 2003, 22(01).

[31] 何川, 郭瑞, 肖明清,等. 铁路盾构隧道单、双层衬砌纵向力学性能的模型试验研究[J]. 中国铁道科学, 2013, 34(3):7.

[32] Yan Q X , Yao C F , Yang W B ,et al. An Improved Numerical Model of Shield Tunnel with Double Lining and Its Applications[J]. Advances in Materials Science & Engineering, 2015, 2015:1-15.

[33] 于清洋. 盾构隧道双层衬砌结构横向相互作用机理研究[D]. 西南交通大学, 2016.

[34] 王士民, 于清洋, 彭博,等. 基于塑性损伤的盾构隧道双层衬砌三维实体非连续接触模型研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2016, 35(2):9.

[35] 梁敏飞, 张哲, 李策,等. 盾构隧道双层衬砌结构三维力学分析模型及验证[J]. 岩土工程学报, 2019(5):8.

[36] 杨帆. 盾构隧洞预应力复合衬砌计算模型与承载性能[D]. 武汉大学, 2019.

[37] Wang SM, Ruan L, Shen XZ,et al. Investigation of the Mechanical Properties of Double Lining Structure of Shield Tunnel with Different Joint Surface[J]. Tunnelling & Underground Space Technology, 2019, 90(AUG.):404-419.

[38] 王俊, 徐国文, 蔚艳庆,等. 一种改进的盾构隧道双层衬砌计算模型及其工程应用[J]. 岩土工程学报, 2021, 43(8):10.

[39] He C, Koizumi A. Dynamic Behavior in Transverse Direction of Shield Tunnel with Considering Effect Of Segment Joints. 2000.

[40] I. Shahrour, F. Khoshnoudian, M. Sadek,H. Mroueh. Elastoplastic Analysis of the Seismic Response of Tunnels in Soft Soils[J]. Tunnelling And Underground Space Technology Incorporating Trenchless Technology Research,2010,25(4).

[41] Do N A, Dias D, Oreste P, et al. 2D Numerical Investigation of Segmental Tunnel Lining Under Seismic Loading[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2015, 72:66-76.

[42] 晏启祥, 张煜, 王春艳,等. 剪切波作用下盾构隧道地震效应的拟静力分析方法研究[J]. 工程力学, 2015(5):8.

[43] 焦亚磊. 软硬突变地层大直径盾构隧道纵向地震响应研究[D]. 天津大学, 2018.

[44] 梅诗源. 盾构隧道纵向抗震力学模型研究及其应用[D]. 西南交通大学, 2019.

[45] 廖峻斌. 盾构隧道双层衬砌抗震性能研究[D]. 西南交通大学, 2019.

[46] 梁晔峰. 盾构隧道纵向地震响应分析方法比较研究[D]. 北京交通大学, 2021.

[47] 郭志明, 李思明, 袁勇,等. 土-岩变化地层盾构隧道纵向地震作用试验研究[J]. 土木工程学报, 2021, 54(S1):58-64.

[48] 郭瑞, 何川, 苏宗贤,等. 盾构隧道管片接头抗剪力学性能研究[J]. 现代隧道技术, 2011, 48(4):72-77.

[49] 苏九州. 预制装配竖接缝专用混凝土与构件界面粘结性能研究[D]. 华北水利水电大学, 2020.

[50] 杜修力, 乔磊, 许紫刚,等. 反应位移法中地基弹簧刚度系数求解方法对比研究[J]. 防灾减灾工程学报, 2021, 41(02):246-254.

[51] 志波由纪, 陆荣用. 以反应位移法为基础的盾构隧道地震内力计算法[J]. 隧道译丛, 1991(4):11.

[52] 志波由纪夫, 川島一彦, 大日方尚己,等.シールドトンネルの耐震解析に用いる長手方向覆工剛性の評価法[C]//土木学会論文集, 1988:319–327.

[53] 封坤, 何川, 夏松林. 大断面盾构隧道结构横向刚度有效率的原型试验研究[J]. 岩土工程学报, 2011, 33(11):1750-1758.

[54] 张文杰, 徐旭, 李向红,等. 广义的盾构隧道纵向等效连续化模型研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2009, 28(增刊 2):3938-3944.

[55] 叶飞, 何川, 朱合华,等. 考虑横向性能的盾构隧道纵向等效刚度分析[J]. 岩土工程学报, 2011, 33(12):1870-1876.

[56] 叶飞, 杨鹏博, 毛家骅,等. 基于模型试验的盾构隧道纵向刚度分析[J]. 岩土工程学报, 2015, 37(1):83-90.

[57] 罗文林, 韩煊, 侯伟,等. 盾构隧道纵向等效弯曲刚度的分析方法研究[J]. 现代隧道技术, 2017, 54(6):8-14, 23

[58] 钟小春, 张金荣, 秦建设, 等. 盾构隧道纵向等效弯曲刚度的简化计算模型及影响因素分析[J]. 岩土力学, 2011, 32(1):132-136.

[59] 孙文昊, 封坤, 肖明清,等. 双层隧道内部结构对隧道纵向力学性能的影响[J]. 铁道建筑, 2021, 61(05):43-48.

[60] 方若全, 马杲宇, 刘川昆,等. 螺栓对高轴压盾构管片接头抗 弯 性 能 影 响 研 究[J]. 铁 道 标 准 设 计 , 2019, 63(6):124-128.

[61] 鲁选一, 封坤, 漆美霖,等. 考虑公轨合建型内部结构的盾构隧道纵向力学性能研究[J]. 铁道标准设计, 2022, 66(01):107-114.

[62] 耿萍, 王琦, 郭翔宇,等. 盾构隧道纵向接头抗拉性能试验[J]. 中国公路学报, 2020, 33(7):124-134.

[63] 小泉淳, 村上博智, 西野健三.ツールドトホルの轴方向特性のモテルィヒにっぃて[C]//土木学会论文集, [S.1.]:[s n], 1988: 79-88.

[64] 廖少明. 圆形隧道纵向剪切传递效应研究[D]. 上海:同济大学,2002.

[65] Benzeggagh M L, Kenane M. Measurement of Mixed-Mode Delamination Fracture Toughness of Unidirectional Glass/Epoxy Composites with Mixed-Mode Bending Apparatus[J]. Composites Science and Technology, 1996, 56(4):439-449.

[66] Camanho P P, Davila C G. Mixed-Mode Decohesion Finite Elements for the Simulation of Delamination in Composite Materials. 2002.

[67] 周济民. 水下盾构法隧道双层衬砌结构力学特性[D]. 西南交通大学, 2012.

[68] 陈秋杰. 考虑层间弱连接的盾构隧道双层衬砌分析理论[D]. 浙江大学, 2020.

[69] 陈秋杰, 杨仲轩, 徐荣桥,等. 一种新的盾构隧道双层衬砌解析分析方法[J]. 岩石力学与工程学报, 2020, 39(S1):2713-2724.

[70] 费康, 刘汉龙. ABAQUS的二次开发及在土石坝静、动力分析中的应用[J]. 岩土力学, 2010, 31(03):881-890.

[71] A. Hillerborg, M. Modéer, P.-E. Petersson. Analysis of Crack Formation and Crack Growth in Concrete by Means of Fracture Mechanics and Finite Elements[J]. Cement and Concrete Research, 1976.

[72] L Jh, F Gl. Plastic-Damage Model for Cyclic Loading of Concrete Structures.

[73] Lubliner J, Oliver J, Oller S, et al. A Plastic-Damage Model for Concrete[J]. International Journal of Solids & Structures, 1989, 25(3):299-326.

[74] 吴艺. 一维问题的等效远置动力人工边界条件[J]. 岩土力学, 2011, 32(11):3508-3514.

[75] 李嘉瑞, 景立平, 董瑞,等. ABAQUS模拟土-结构相互作用时人工边界的选取[J]. 地震工程与工程振动, 2020, 40(03):174-182.

[76] 梁佳利, 梁建文, 韩冰. 基于黏弹性边界的二维沉积盆地非线性地震响应分析[J]. 地震工程与工程振动, 2020, 40(04):108-117.

[77] 梁建文, 于军港, 张季,等. 基于黏弹性边界的地铁双隧道地震响应分析[J]. 土木工程学报, 2014, 47(S1):274-279.

[78] 梁建文, 于军港, 张季,等. 基于黏弹性边界的地下隧道非线性地震响应分析模型[J]. 地震工程学报, 2014, 36(03):434-440.

[79] 赵密, 王维伟, 黄景琦,等. 地震作用下土-结构相互作用的简化时程分析[J]. 防灾减灾工程学报, 2022, 42(01):111-117.

[80] 何卫平, 周宜红, 何蕴龙. 地震动位移与加速度输入模型差异研究[J]. 应用力学学报, 2018, 35(01):93-98+230.

[81] 马笙杰, 迟明杰, 陈红娟,等. 黏弹性人工边界在ABAQUS中的实现及地震动输入方法的比较研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2020, 39(07):1445-1457.

[82] 刘晶波, 吕彦东. 结构-地基动力相互作用问题分析的一种直接方法[J]. 土木工程学报, 1998(03):55-64.

[83] 尹刚, 赵兰浩, 李同春. 考虑成层地基的黏弹性人工边界模型[J]. 水利水电科技进展, 2019, 39(03):87-94.

[84] 毕仲辉, 张燎军, 翟亚飞,等. 成层地基地震动输入方法研究[J]. 水力发电学报, 2021, 40(04):106-113.

[85] 杨喜春. 基于ABAQUS的三维地震动人工输入研究[J]. 内蒙古水利, 2017(06):70-72.

馆藏位置:

 U459.1 S 2022    

开放日期:

 2022-06-07    

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