地震作用下大断面隧道衬砌结构的动力损伤特性

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.220391

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2023, Vol. 51 ›› Issue (4): 124-134.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.220391

所属专题： 2023年交通运输工程

地震作用下大断面隧道衬砌结构的动力损伤特性

黄娟龙浩风周世杰施成华

中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075

收稿日期:2022-06-20 出版日期:2023-04-25 发布日期:2022-12-02
通信作者: 黄娟（1977-），女，博士，副教授，主要从事隧道及地下工程的车振响应、地震响应、动力损伤劣化以及特殊软土的动变形特性研究。 E-mail:huangjuan77@csu.edu.cn
作者简介:黄娟（1977-），女，博士，副教授，主要从事隧道及地下工程的车振响应、地震响应、动力损伤劣化以及特殊软土的动变形特性研究。
基金资助:
湖南省自然科学基金资助项目(2021JJ30837)

Dynamic Damage Characteristics of Large Section Tunnel Lining Under Seismic Load

HUANG Juan LONG Haofeng ZHOU Shijie SHI Chenghua

School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，Hunan，China

Received:2022-06-20 Online:2023-04-25 Published:2022-12-02
Contact: 黄娟（1977-），女，博士，副教授，主要从事隧道及地下工程的车振响应、地震响应、动力损伤劣化以及特殊软土的动变形特性研究。 E-mail:huangjuan77@csu.edu.cn
About author:黄娟（1977-），女，博士，副教授，主要从事隧道及地下工程的车振响应、地震响应、动力损伤劣化以及特殊软土的动变形特性研究。
Supported by:
the Natural Science Foundation of Hunan Province(2021JJ30837)

摘要/Abstract

摘要：

基于混凝土材料的动力损伤特性，建立了其弹塑性损伤本构模型，将该模型应用于强震区某大断面隧道工程，分析了不同地震波入射方向、地震波强度和围岩条件下隧道结构的地震响应与动力损伤规律，探讨了大断面隧道结构的地震损伤特性和破坏机理。研究结果表明：地震波垂直、水平两种入射条件下两者衬砌的压主应力、加速度响应形态相似，但水平入射条件下衬砌结构的应力、加速度响应相较于垂直入射条件更加剧烈；水平入射时衬砌的动力损伤远大于垂直入射时的动力损伤，且动力损伤主要集中于拱腰与墙脚处；围岩条件对隧道衬砌结构的拉主应力响应以及动力损伤有显著影响，V级围岩条件下衬砌结构的最大拉应力是IV级围岩下的5.7倍；隧道结构的地震响应与动力损伤特性也受地震波强度的影响，随着地震波强度增大，应力、加速度响应峰值以及最大动力损伤量均呈现非线性增大趋势，动力损伤随之加剧且由拱腰和墙脚处逐渐向外扩展；在强震区软岩隧道抗震设计以及运营期间震后加固修复应着重注意动力损伤集中的部位。

关键词: 大断面隧道, 衬砌结构, 弹塑性损伤本构模型, 地震响应, 动力损伤特性

Abstract:

Based on the dynamic damage characteristics of concrete material, this paper established an elastoplastic damage constitutive model, which was applied to a tunnel project with large section in a strong earthquake area. It analyzed the seismic response and dynamic damage law of tunnel structure under different incident directions of seismic waves, seismic wave intensity and surrounding rock conditions, and discussed the seismic damage characteristics and failure mechanism of large section tunnel structure. The results show that the principal stress and acceleration responses of the lining are similar under vertical and horizontal incidence conditions, but the stress and acceleration responses of the lining structure under horizontal incidence conditions are more intense than that under vertical incidence conditions. The dynamic damage of the lining at horizontal incidence is much greater than that at vertical incidence, and the dynamic damage is mainly concentrated at the arch waist and the foot of the wall. The surrounding rock conditions have significant influence on the tensile principal stress response and dynamic damage of the tunnel lining structure. The maximum tensile stress of the lining structure under V-level surrounding rock is 5.7 times of that under IV level surrounding rock. The seismic response and dynamic damage characteristics of tunnel structure are also affected by the intensity of seismic waves. With the increase of seismic wave intensity, the peak value of stress, acceleration response and the maximum amount of dynamic damage show a nonlinear increase trend, and the dynamic damage intensifies and gradually expands outward from the waist and the foot of the wall. In the seismic design of soft rock tunnel in strong earthquake area and the post-earthquake reinforcement and repair during operation, attention should be paid to the parts where the dynamic damage is concentrated.

Key words: large section tunnel, lining structure, elastoplastic damage constitutive model, seismic response, dynamic damage characteristic

中图分类号:

黄娟, 龙浩风, 周世杰, 等. 地震作用下大断面隧道衬砌结构的动力损伤特性[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(4): 124-134.

HUANG Juan, LONG Haofeng, ZHOU Shijie, et al. Dynamic Damage Characteristics of Large Section Tunnel Lining Under Seismic Load[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2023, 51(4): 124-134.

图/表 20

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

表1

表2

表3

混凝土损伤模型参数1）"

结构名称	A_t	B_t	ε $f t$	A_c	B_c	ε $f c$
二次衬砌（C35）	0.83	5×10⁴	1.1×10^-4	1.3	1×10³	1.26×10^-3

表3

图8

图9

图10

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图11

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图14

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围岩条件	γ/（kN·m^-3）	E/MPa	μ	c/kPa	φ/（°）
Ⅳ	22	600	0.35	100	30
Ⅴ	19.5	200	0.35	50	25

入射条件	最大损伤量
入射条件	拱顶	拱腰	墙中	墙脚	仰拱
水平入射	0.002	0.637	0.006	0.847	0.002
垂直入射	0.000 7	0.001 1	0.003 2	0.000 7	0.000 5

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Dynamic Damage Characteristics of Large Section Tunnel Lining Under Seismic Load

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