软土场地盾构隧道纵向地震反应特性与损伤机理研究

With the rapid development of urban rail transit and the coordinated development of riverside and coastal urban agglomerations, the large-scale shield tunnel project has developed rapidly. The seismic failure mechanism of site-tunnel system and space-time evolution process has become the research hotspots in the field of geotechnical seismic engineering. The project aims to study the key scientific issues of longitudinal seismic response characteristics and damage mechanism of shield tunnels in soft soils. Based on the large deformation dynamic constitutive model of soft soil proposed by Yang and Ahmed, the yield surface hardening rule will be improved and the time-varying shear modulus algorithm will be optimized. Considering the spatial correlation of ground motion, the difference of local site conditions and the complexity of tunnel lines, a longitudinal nonlinear seismic response analysis model and numerical calculation method for site-shield tunnel system affected by multi-factor coupling will be established. The numerical simulation of the space-time evolution process of the site-shield tunnel system will be carried out, and the longitudinal nonlinear seismic response law and damage mechanism of shield tunnel in soft soil will be revealed. The longitudinal seismic design optimization method based on damage characteristics will be proposed. The project will develop and improve the longitudinal seismic response analysis method and seismic design optimization method of the site-shield tunnel system, and provide a kind of scientific reference for the seismic analysis and design of similar urban utility tunnel and oil and gas pipeline engineering.

随着我国城市轨道交通快速发展及其沿江沿海城市群的协同发展，长大盾构隧道工程得到了迅速发展，场地-隧道体系地震失效机理及其时空演化过程成为岩土地震工程领域的研究热点。本项目拟针对软土场地盾构隧道纵向地震反应特性与损伤机理的关键科学问题开展研究。以Yang和Ahmed等提出的软土大变形动力本构模型为基础，改进其屈服面硬化规则和优化时变剪切模量算法；综合考虑地震动空间相关性、局部场地条件的差异性及隧道线路的复杂性，建立多因素耦合影响的场地-盾构隧道体系纵向非线性地震反应分析模型和数值计算方法；开展场地-盾构隧道体系地震损伤时空演化过程的数值模拟，揭示软土场地盾构隧道纵向非线性地震反应规律与损伤机理，建立基于损伤特性的隧道纵向抗震设计优化方法。本项目旨在发展和改进场地-盾构隧道体系纵向地震反应分析方法及抗震设计优化方法，并可为类似的城市地下管廊、油气管线工程的抗震分析与设计提供科学的参考依据。

随着城市化进程的快速发展，包括盾构隧道在内的长大地下结构工程建设及规划日益增多，场地-隧道体系地震反应特性及其损伤机理成为了岩土地震工程领域的研究热点。本项目针对已有的土体动力本构进行改进及二次开发，解决了大型数值计算中易出现的计算溢出问题。提出了一种可用于场地数值模拟分析的入射波分离方法，并将该方法与现有直接节点力输入方法、加速度输入方法对比，并引入了井上/井下谱比法从频域分析场地放大效应，结果表明入射波分离方法可以分离台阵基岩处入射波并实现地震动的精确输入。建立了复杂场地精细化有限元模型，考虑了土体几何非均匀性及上覆水的影响，探究了局部场地条件对复杂场地地震效应，结果表明基岩面的起伏对局部场地地震效应有显著影响，场地放大/削弱效应与基岩深度密切相关。基于广义反应位移方法，提出了一种可综合考虑地震动空间相关性、局部场地条件的差异性及隧道线路复杂性的隧道纵向地震反应分析方法，研究了盾构隧道纵向地震反应特征，揭示了软土场地盾构隧道纵向地震效应与损伤机理。同时，将该方法进行接头形式的改进和优化，扩展运用到了城市综合管廊工程，并通过三维精细化实体模型进行对比分析，验证了方法的有效性和适用性。基于长大地下结构地震损伤机理，对记忆合金本构进行二次开发，通过在局部位置设置记忆合金消能节点，研究了隧道纵向抗震优化方案，结果表明在局部位置设施耗能减震装置能有效的提高长大地下结构的抗震性能。同时，发明了一种适用于盾构隧道施工的预紧式卡扣管片系统，可以整体提升隧道的抗震性能。本项目发展和改进了场地-盾构隧道体系纵向地震反应分析方法，并给出了抗震设计优化方案，同时将该方法扩展运用到了类似的城市地下管廊工程的抗震分析，成果可为软土场地长大地下结构的抗震分析与设计提供参考。