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“软土隧道强震非一致作用安全控制技术”获上海市科技进步一等奖
发表时间:2019-10-24 16:57:5002:39   来源:本站    点击:3472048

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从不久前举行的2018年上海市科学技术奖励大会上获悉,我校土木工程学院袁勇教授领衔的“软土隧道强震非一致作用安全控制技术”荣获科技进步一等奖。据悉,成果已广泛应用于港珠澳大桥、深中通道、大连湾海底隧道、上海长江隧桥工程等30多个重大工程,推广应用于上海青草沙水源地原水工程、苏州-南通特高压输电GIL综合管廊、厦门地铁3号线海底区间隧道等重大项目。

软土分布于江河湖岸,我国典型软土区域有渤海湾、长三角、珠三角、长江经济带、黄河流域等。近10年来,随着我国经济高速发展,基础设施建设需求旺盛,长距离、大断面软土隧道工程增加迅速。因地处世界两大地震带——环太平洋地震带和亚欧地震带之间,我国属于地震多发国家,地震活动区分布广,地震强度大,且绝大部分属浅源地震(浅源地震对人类影响最大)。那么,地震会对软土隧道造成损害吗?软土隧道设计是否也需要考虑抗震呢?“软土对地震效应异常敏感,强震是隧道工程破坏的主因。以前,大家普遍认为隧道的抗震性能较好,但是1995年日本阪神地震颠覆了这种认识。”袁勇告诉记者,阪神地震中,神户市的地下结构遭受严重破坏,其中地铁车站的损害最为严重。此后,软土隧道抗减震逐渐成为防灾减灾研究的热点及难点课题。

十多年来,在国家科技支撑计划、国家高技术研究发展计划(863计划)、国家自然科学基金和上海市重点攻关项目支持下,袁勇带领团队聚焦基础设施建设的重大需求,研究长大软土隧道强震非一致作用的动力响应与控制技术,提出并实现了隧道大规模地震非线性仿真方法,开发了可应用于隧道非一致地震激励振动台阵试验技术,研发了软土隧道抗减震构造与装置等强震差动效应控制技术,为我国长大隧道的强震安全保驾护航。

“隧道工程场地往往长达数公里,而其细部构造则为毫米级,计算模型尺度变化达7-8个量级。简化计算的模型无法反映隧道节点构造细节和强震下的非线性响应,而幂级数增长的计算资源需求,又使得全精细化模型难以实现工程级隧道地震仿真。”针对这一难题,袁勇团队提出了隧道-地层系统多尺度动力耦合的基本理论,据此开发的仿真方法,计算和存储量增长由10x幂级数转变为x线性增长,计算效率提高8倍以上,使得长度10公里级的隧道-地层大规模地震仿真成为现实,模拟细观破坏,计算误差<1%。

“强震的非一致作用,意味着隧道在地震波作用下,可能是蠕动,也可能是摆动。”袁勇说,物理模型试验是再现隧道强震非一致作用的重要手段之一,但无论是试验原理和方法,还是装置,国内外均属空白。为此,团队首创了台阵式振动台隧道非一致地震激励原理;研制了节段型模型箱及其联动装置,构建出振动台阵多个独立台面分区多点输入的非一致激励隧道地震试验平台;提出了长隧道地震响应物理模型的刚度相似准则,开发了隧道多尺度物理模型设计方法,采用3D打印技术,模型尺寸误差<1%。

“港珠澳大桥隧道地震试验,是振动台试验室建成验收后的第一个项目。日本、欧美等国都做过沉管隧道横断面抗震性能研究,但如此长度的海底隧道(5990米)地震反应,还未见相似研究。”袁勇介绍,港珠澳大桥处于地震活跃区域,包括26个潜在震源区(其中7.0级2个,6.5级6个,6.0级6个),团队测试了432种地震工况下的隧道结构—地层动力响应,为隧道抗减震设计提供了技术依据。据悉,上海地铁14号线(在建)静安寺车站地震试验也即将收尾,静安寺车站因地形复杂,首次采取明挖+顶管的复合工法,“这么复杂的工程,地震试验只有我们的振动台阵试验技术可以做。”

袁勇介绍,物理试验与仿真研究发现,差动效应是隧道结构的动力损伤根源,隧道接头是隧道结构的抗震薄弱环节。为了提高隧道结构抗震性能,团队研发了隧道强震差动效应控制技术,开发了隧道接头剪力连接组件、可更换屈曲部件、插入式环缝连接件等装置,应用于控制盾构隧道刚度突变段强震差动效应以及超长沉管隧道非一致地震响应,可降低盾构工作井连接部位最大拉应力17%,减小沉管管节接头张开量66%。该技术直接应用于港珠澳大桥工程,确保了大桥海底隧道的抗震安全。

上述成果共申请专利23项,其中授权发明专利6项、实用新型9项;登记软件著作权2项;发表论文216篇,其中SCI论文67篇,EI论文147篇;出版中英文专著4部;主(参)编国家、行业与地方技术标准和规范6部。
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