水下盾构隧道列车脱轨撞击力学行为及防撞衬砌设计理论

当前，国内时速160km/h以上铁路水下盾构隧道，尤其是高速铁路水下盾构隧道日益增多。项目针对目前国内铁路水下盾构隧道管片衬砌结构面临高速列车撞击破坏的现实可能性，着力研究并解决以下问题：高速列车脱轨冲击荷载理论分析模型及其主体影响因素、列车冲击荷载下考虑围岩与结构相互作用的盾构隧道管片衬砌损伤破坏机理、盾构隧道管片衬砌的安全性评估方法、盾构隧道防撞双层衬砌的相互作用力学机制、盾构隧道防撞双层衬砌的关键设计参数。通过研究：揭示盾构隧道基于围岩结构相互作用的管片衬砌结构损伤破坏机理、建立列车脱轨撞击下水下盾构隧道的安全性评估方法，探明防撞双层衬砌的力学行为，确立防撞双层衬砌的关键设计参数，以期提高大型水下盾构隧道抵御高速列车撞击的能力，保障大型水下盾构隧道的运营安全，减少国家和人民群众的生命财产损失。

随着我国高速铁路的大量建成，高铁线路采用盾构隧道方案穿越河流案例也逐渐增多。当高速列车行驶在水下盾构隧道中发生脱轨撞击时，盾构隧道管片拼装式柔性衬砌将可能发生接头螺栓断裂、衬砌开裂甚至垮塌，并进一步引发洞内水灾等重大事故。由此，本课题结合理论分析、数值模拟以及模型试验等研究手段，着力研究高速列车脱轨冲击荷载及其影响因素、列车冲击荷载下盾构隧道衬砌的损伤破坏机理、盾构隧道二次衬砌的防撞性能及其防撞设计的关键参数等。通过研究，建立了列车-刚性墙撞击三维模型，获得了列车撞击荷载近似曲线及其拟合公式；基于损伤演化模型与扩展有限元裂缝分析理论，揭示了高速列车撞击作用下考虑围岩-管片衬砌-接头相互作用模型的盾构隧道损伤破坏机理；探明了列车撞击盾构隧道双层衬砌结构的动力响应特性,验证了二次衬砌的防撞性能并揭示了盾构隧道衬砌关键设计参数对防撞特性的影响规律；研制了列车撞击模型试验装置并开展了相应的模型试验。成果可为水下盾构隧道防撞设计提供一定的参考。