【摘 要】
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随着城市的发展和人口的聚集,城市地上空间资源日益紧缺,这促进了对地下空间的开发需求。自上个世纪以来,越来越多的学者开始关注并研究城市轨道交通隧道的安全和性能。衬砌管片作为城市地铁盾构隧道的主要承载结构,在浇筑、运输、拼装等施工过程中往往不可避免地产生各种缺陷。在地铁正常运营的过程中,隧道衬砌主要承受水土压力,地面超载以及周期性的列车荷载等作用,在这些荷载的长期反复作用下,衬砌混凝土裂隙将不断扩展、
【基金项目】
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国家重点研发计划资助（2017YFC0805500），建筑工程施工紧邻构筑物等环境安全状态监测预警及控制技术研究与工程示范研究,2017.7-2021.6; 国家自然科学基金青年项目（51808114），混凝土盾构隧道衬砌裂损演化及断裂破坏特性研究,2019/01-2021/12
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随着城市的发展和人口的聚集,城市地上空间资源日益紧缺,这促进了对地下空间的开发需求。自上个世纪以来,越来越多的学者开始关注并研究城市轨道交通隧道的安全和性能。衬砌管片作为城市地铁盾构隧道的主要承载结构,在浇筑、运输、拼装等施工过程中往往不可避免地产生各种缺陷。在地铁正常运营的过程中,隧道衬砌主要承受水土压力,地面超载以及周期性的列车荷载等作用,在这些荷载的长期反复作用下,衬砌混凝土裂隙将不断扩展、贯通,最终导致地铁隧道破坏,无法继续正常服务。本文以南京地铁五号线为研究原型,建立高精度的盾构隧道模型,研究了隧道动态响应的影响因素。同时通过雨流计数法、Miner损伤累积原理和混凝土疲劳方程等方法计算了隧道损伤和寿命估算。并且分析了当隧道存在明显初始裂纹时,分析裂纹的发展路径以及影响因素。本文研究内容和结论如下:（1）基于Abaqus建立高精度的盾构隧道模型,还原了隧道管片通过高强度螺栓错缝拼接的实际场景,对边界做无限元处理以减少列车荷载引起的波在边界的反射效应。模拟了地应力平衡、隧道开挖到隧道正常运行的三个阶段,分析轴重16t地铁列车以80km/h速度运行下,隧道各部位组件的状态,计算结果显示隧道衬砌和螺栓应力状态均在安全范围之内。（2）基于轨道不平顺理论,对比分析了列车速度和列车轴重对隧道动态响应的影响。模拟结果表明隧道的动态响应主要集中在隧道底部,在一定范围内,隧道动应力和振动加速度与列车速度和轴重均呈现正相关性。（3）假设隧道无初始缺陷前提下,基于雨流计数法、Miner损伤累积原理和混凝土疲劳方程,分析了隧道衬砌的损伤,估算隧道衬砌的寿命。计算结果显示,在螺栓等其他附件能够保证长期有效的前提下,该隧道衬砌能够满足地铁设计使用100年的年限要求。（4）假设隧道存在初始缺陷前提下,借助扩展有限元法（extended finite element method,XFEM）,在衬砌管片的不同位置处设置初始裂缝。引入Paris疲劳准则,研究不同位置的初始裂缝的扩展规律,分析列车速度和列车轴重对裂纹扩展的影响。将数值结果与原型试验结果对比,发现符合裂纹扩展规律。裂纹主要呈现I型断裂特征,并且在扩展的过程中有偏向应力集中区扩展的趋势。在一定范围内,裂缝扩展速度与列车运行速度和列车轴重均呈现正相关性,但扩展路径和规律相似。
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