基于混凝土损伤模型的卸载作用下盾构隧道损伤机理

摘要

在密集的地铁交通网附近区域进行工程活动会引起下卧盾构隧道产生较大纵向差异变形,对隧道结构服役性能及行车安全造成不利影响.既有研究大多基于弹性、弹塑性理论框架,忽视盾构隧道纵向变形带来的结构损伤的影响.考虑混凝土材料非线性损伤力学特性,首先引入一种基于能量的拉应力和压应力分解,考虑混凝土拉/压力学特性的差异;其次,建立双标量混凝土弹塑性损伤本构模型;最后,基于三维非连续接触模型及多尺度建模技术构建盾构隧道-围岩精细化模型,探究差异变形下盾构隧道损伤劣化机理.研究结果表明:卸载作用下,管片混凝土以局部拉损伤为主而压损伤较小,在管环拱顶和拱底内缘、拱腰外缘以及螺栓连接处拉损伤最严重;卸载作用会引起盾构隧道隆起变形,横截面椭圆度也随纵向发生变化,拐点附近管环椭圆度最大;卸载引起的盾构隧道纵向附加剪力和弯矩最大值分别出现在拐点附近和模型中心处;混凝土材料损伤劣化会降低盾构隧道承载能力、纵向刚度和环向刚度,基于弹性本构的计算模型会高估整体结构的刚度;当前分析工况下,管片钢筋较难屈服,而中间部位管段上半侧纵向连接螺栓较易屈服;加载曲线拐点附近管环受损最严重,且承受较大的附加剪力和弯矩,应特别予以关注.