黄土地区列车振动对地铁盾构隧道结构长期性能影响研究

摘要

近年来，地铁建设在我国各大城市如火如荼地进行，地铁建设成为城市改善交通难题的重要手段，也成为评判一个城市发展状况、现代化程度的重要标志。然而，随着地铁的运行时间逐渐增长，在列车振动荷载的长期作用下，隧道结构可能会出现各种各样的病害，影响地铁的运行安全，甚至达不到地铁隧道要求的设计寿命100年，因此亟需开展对隧道结构的疲劳寿命研究。本文基于陕西省教育厅重点实验室项目《黄土地区城市轨道交通地下结构性能影响因素及其寿命预测研究》，借助ABAQUS有限元软件，考虑了混凝土管片初始损伤和地铁管线周围地层含水量变化因素影响，对黄土地区地铁列车振动荷载作用下的盾构隧道结构动力响应和寿命预测进行了研究，主要研究内容及成果如下：
　　(1)分析了地铁列车振动荷载产生的机理，介绍了列车振动荷载模拟的基本方法，通过列车振动荷载人工激励函数，根据西安地铁2号线的列车编组形式及车辆计算参数，计算得出西安地区地铁典型的列车振动荷载，结合本文的计算模型，实现了列车振动荷载在ABAQUS中的施加。
　　(2)根据研究需要，建立了符合西安地铁结构特征的盾构隧道结构模型，分析了混凝土管片初始损伤产生的原因，并将量化的初始损伤引入到ABAQUS的混凝土塑性损伤模型中进行计算，从竖向加速度、竖向位移及动应力响应三个方面分析了不同初始损伤下盾构隧道结构的动力响应规律，确定了列车振动荷载下隧道结构的最不利位置，并和振动评价标准对比，得出在一次列车荷载作用下不会对隧道结构的安全性有较为明显的影响。
　　(3)通过调查西安地铁的地层含水量状态，结合他人对黄土在增、减湿工况下的动力特性研究，确定了黄土的物理力学参数，分析了不同地层含水量下盾构隧道结构不同部位的动力响应规律。
　　(4)介绍了混凝土的疲劳累积损伤理论，分析了混凝土结构的疲劳破坏机理，根据他人对混凝土进行的抗压、抗拉疲劳试验，结合自身的数值分析结果，选定了两组混凝土抗拉 S-N曲线进行不同混凝土管片初始损伤和不同黄土地层含水量影响下的盾构隧道结构疲劳寿命发展趋势，量化了在保证地铁运行设计寿命内初始损伤和地层含水量的水平。

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 存在的主要不足

1.4 本文主要研究内容

1.5技术路线

2 西安地铁列车振动荷载特征及模拟方法研究

2.1 列车振动荷载产生机理

2.2 列车振动荷载模拟

2.3 列车振动荷载在ABAQUS中施加的实现

2.4 本章小结

3 考虑初始损伤的地铁盾构隧道结构动力响应分析

3.1 管片结构初始损伤原因分析

3.2 管片结构初始损伤量化分析

3.3 混凝土塑性损伤（Concrete Damaged Plasticity Model）模型用于地铁隧道结构振动分析的可行性分析

3.4 模型的建立及计算参数的确定

3.5 模型参数选取

3.6 计算步骤

3.7 振动评价标准

3.8 不考虑初始损伤影响的盾构隧道结构动力响应分析

3.9 考虑不同初始损伤影响的混凝土结构动力响应分析

3.10 本章小结

4 不同含水状态下黄土地层盾构隧道结构动力响应分析

4.1 西安地铁地层含水状态的特征分析

4.2不同地层含水状态黄土的特征参数选取

4.3 不同黄土地层含水量状态盾构隧道结构动力响应分析

4.4 本章小结

5 黄土地区列车振动荷载下盾构隧道结构疲劳寿命分析

5.1 混凝土疲劳累积损伤理论与疲劳方程

5.2 混凝土结构疲劳寿命预测分析步骤

5.3 不同初始损伤影响下管片隧道结构的疲劳寿命预测

5.4 不同黄土地层含水量影响下管片隧道结构的疲劳寿命预测

5.5 提高隧道结构疲劳寿命的措施分析

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 展望

致谢

参考文献