铁路盾构隧道列车振动荷载下衬砌结构及围岩动力响应特性研究

Recently, with the rapid development of railway system in China, many shield tunnels have been built for railway transportation. However, dynamic damage of shield tunnels appear and accumulate due to ground-borne vibration from railway after a long term operation. It could cause significant collapse of the whole underground structures. This project will present a study of the dynamic characteristics of shield tunnels and surrounding rock/soil. Information investigation, physical modelling and numerical simulation will be used to perform the study. Firstly, the mechanism of railway induced ground-borne vibration will be studied. The effects of track types, train speed and weight will be examined. Secondly, the dynamic behaviour of the shield tunnels will be analyzed and the variation of dynamic response of the tunnel due to different assembly methods and rock classification will be presented. Thirdly, the influence of repeated vibration on segmental lining and surrounding soil will also be examined. Base on the results, this project will provide the knowledge of the dynamic behavior of shield tunnels due to railway induced ground-borne vibration. The understanding of damage accumulation of the segmental lining and surrounding weak rocks due to repeated ground-borne vibration will be improved. It will also provide more useful information for design and safety evaluation of shield tunnels.

近年来伴随着我国铁路的飞速发展，采用盾构法施工的铁路隧道越来越多。在长期重复列车振动荷载作用下盾构隧道管片衬砌结构会出现动力损伤累积而且隧道周边软弱岩（土）体也可能出现大的累积变形，进而威胁隧道结构的安全。本项研究采用资料调研、理论分析、室内模型试验和数值模拟相结合的方法，分析不同轨道类型、不同行车速度和不同载荷条件下列车振动荷载的频谱特性；结合盾构隧道管片衬砌自身的结构特点，研究不同拼装方式，不同结构参数和不同围岩级别对隧道在列车荷载下动态响应的影响并分析振动波在围岩中的传播规律；以及模拟长期重复振动荷载作用对管片衬砌结构和软弱围岩的影响效应。以期探明盾构隧道在高速列车振动荷载下的动力特性，掌握振动波在围岩中的传播规律，同时揭示重复振动荷载下管片衬砌结构的动力损伤累积机理以及围岩变形累积特性。从而为盾构隧道结构体系的耐久性设计以及整体安全性评估提供理论和技术支撑。

随着大量城市地铁的开通运营，由地铁列车诱发的环境振动与二次噪声引起了众多学者的广泛关注。盾构隧道由于大量管片接缝的存在，管片环的刚度与强度在接缝处具有明显的变化，隧道结构的动力响应特性因此与整体式衬砌结构存在明显差异。此外，列车运行产生的振动波在接缝处会发生反射与折射现象，致使盾构隧道结构与周围地层的动力响应问题更加复杂。同时，地铁列车的长期运营可能造成衬砌薄弱部位的累计损伤与周围地层的累计变形，进而引发结构破坏或周边地层振陷，最终影响地铁列车的正常运营。本项目从列车振动荷载频谱特性及其数定表达式研究入手，通过建立列车—轨道耦合动力模型，考虑轨道不平顺等模拟出列车振动荷载；并开展室内模型试验对铁路盾构隧道结构及周围土体在列车动力荷载下的响应进行测试，采用扫频激振荷载探究了频域内的动力响应特性，利用三种隧道结构模型研究了管片接缝对于隧道结构与周围地层动力响应的影响特性；其次采用FLAC3D软件开展数值模拟，对上述模型试验结果进行了验证与对比分析，重点揭示了列车振动荷载全频域内隧道结构与土体的动力响应特性，并进一步研究了管片结构的内力响应规律；最后采用室内模型试验研究重复列车振动荷载对隧道结构和周围土层动力响应影响规律，分析了管片接缝的有无对结构与土体动力响应的影响特性。课题研究为铁路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。