列车撞击荷载下水下盾构隧道的动力响应特性研究
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摘要
建设高速铁路水下盾构隧道对于构建我国高速铁路骨干线网具有重要作用。为评估列车高速运行脱轨撞击作用下水下盾构隧道的安全性,提高水下盾构隧道运行的可靠性,打造“安全、环保、节能”的水下隧道工程,本项研究以当前我国高速铁路水下盾构隧道的建设需要为目标,以沪通铁路黄浦江水底隧道为依托,通过对列车脱轨撞击力、列车撞击作用下管片衬砌的动力响应及其损伤特性、防撞双层衬砌关键设计参数进行研究,形成了如下的主要研究成果：
(1)在阐述撞击动力学有限元及损伤分析理论的基础上,研究对比了各种混凝土损伤模型的特点及适用范围,基于混凝土规范推荐的应力-应变关系,阐述了适用于混凝土管片衬砌的损伤演化及其本构方程,提出了损伤有限元分析流程。
(2)通过建立简化的列车-刚性墙撞击模型,研究了列车-刚性墙撞击引起的列车塑性变形、能量转化等力学行为,分析了列车脱轨撞击力的时程分布特点；揭示了列车编组数量、行驶速度、碰撞角度等因素与等效撞击力的关系,提出了拟合的等效撞击力经验公式。
(3)通过对比单层管片衬砌和双层衬砌盾构隧道在相同撞击力作用下的应力、变形、速度、加速度和损伤因子等动力响应特性,分析了设置二次衬砌对管片衬砌撞击效应的保护效果；通过施加不同撞击力分析了管片衬砌动力响应与列车撞击速度和角度的关系。
(4)研究了防撞双层衬砌的二次衬砌强度、厚度等关键设计参数对减缓管片衬砌列车脱轨撞击效应的影响,探讨了撞击作用下双层衬砌的设计原则。
The high speed railway underwater shield tunnel construction has an important role in the construction of China's high-speed rail backbone nets. In order to assess the safety of underwater shield tunnel under impact force of the high speed train derailment,to improve the reliability of underwater shield tunnel and to create "safety, environmental protection, energy-saving" underwater tunnel project,this paper regard the current China's high speed railway underwater shield tunnel construction needs as the target, based on Huangpu River underwater tunnel in Shanghai-nantong railway, study on the impact force of train derailmen, the dynamic response and damage performance of segmental lining under the train crash,the key design parameters of anti-collision double linings are carried out.The main works and results are as follows:
(1) Based on the finite element theory of impact dynamics and damage theory, variety of concrete damage characteristics and applicable scope are compared; Damage evolution and constitutive equation for concrete segmental lining based on stress-strain relationship recommended by the concrete standard are described and the flow chart of finite element analysis is proposed.
(2)A simplified train-rigid wall impact model is conducted for the analysis on train plastic deformation、energy conversion and other mechanical behavior under the impact force of train derailment and time history distribution characteristics of the impact force is carried out. Several factors that influence equivalent impact force, such as train formation,impact velocity, impact angle,are reveled.At the same time,simplified of formulas of equivalent impact are put forward.
(3)Dynamic response of single segment lining and double lining shield tunnel that caused by the same impact force.such as stress, deformation, velocity, acceleration and damage factor,are compared.This is conducted for analysis on the protective effect of secondary lining under impact force of train derailment;By applying different impact force,analysis of the relationship between dynamic response of segmental lining with impact velocity and impact angle.
(4)The influence of weaken effects in segmental lining caused by secondary lining strength, thickness and other key design parameters of anti-collision double linings are carried out and the design principles of double linings under impact force is made.
(1)在阐述撞击动力学有限元及损伤分析理论的基础上,研究对比了各种混凝土损伤模型的特点及适用范围,基于混凝土规范推荐的应力-应变关系,阐述了适用于混凝土管片衬砌的损伤演化及其本构方程,提出了损伤有限元分析流程。
(2)通过建立简化的列车-刚性墙撞击模型,研究了列车-刚性墙撞击引起的列车塑性变形、能量转化等力学行为,分析了列车脱轨撞击力的时程分布特点；揭示了列车编组数量、行驶速度、碰撞角度等因素与等效撞击力的关系,提出了拟合的等效撞击力经验公式。
(3)通过对比单层管片衬砌和双层衬砌盾构隧道在相同撞击力作用下的应力、变形、速度、加速度和损伤因子等动力响应特性,分析了设置二次衬砌对管片衬砌撞击效应的保护效果；通过施加不同撞击力分析了管片衬砌动力响应与列车撞击速度和角度的关系。
(4)研究了防撞双层衬砌的二次衬砌强度、厚度等关键设计参数对减缓管片衬砌列车脱轨撞击效应的影响,探讨了撞击作用下双层衬砌的设计原则。
The high speed railway underwater shield tunnel construction has an important role in the construction of China's high-speed rail backbone nets. In order to assess the safety of underwater shield tunnel under impact force of the high speed train derailment,to improve the reliability of underwater shield tunnel and to create "safety, environmental protection, energy-saving" underwater tunnel project,this paper regard the current China's high speed railway underwater shield tunnel construction needs as the target, based on Huangpu River underwater tunnel in Shanghai-nantong railway, study on the impact force of train derailmen, the dynamic response and damage performance of segmental lining under the train crash,the key design parameters of anti-collision double linings are carried out.The main works and results are as follows:
(1) Based on the finite element theory of impact dynamics and damage theory, variety of concrete damage characteristics and applicable scope are compared; Damage evolution and constitutive equation for concrete segmental lining based on stress-strain relationship recommended by the concrete standard are described and the flow chart of finite element analysis is proposed.
(2)A simplified train-rigid wall impact model is conducted for the analysis on train plastic deformation、energy conversion and other mechanical behavior under the impact force of train derailment and time history distribution characteristics of the impact force is carried out. Several factors that influence equivalent impact force, such as train formation,impact velocity, impact angle,are reveled.At the same time,simplified of formulas of equivalent impact are put forward.
(3)Dynamic response of single segment lining and double lining shield tunnel that caused by the same impact force.such as stress, deformation, velocity, acceleration and damage factor,are compared.This is conducted for analysis on the protective effect of secondary lining under impact force of train derailment;By applying different impact force,analysis of the relationship between dynamic response of segmental lining with impact velocity and impact angle.
(4)The influence of weaken effects in segmental lining caused by secondary lining strength, thickness and other key design parameters of anti-collision double linings are carried out and the design principles of double linings under impact force is made.
引文
[1]王梦恕.中国是世界上隧道和地下工程最多、最复杂、今后发展最快的国家[J].铁道标准设计,2003,(1)：1-4.
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