Study on mechanical mechanism and design methods of intersecting segment lining structures

Abstract

(English) As urban underground space development advances toward a high-density and networked stage, the demand for connectivity among different underground structures continues to increase, often requiring the intersection with existing structures. Traditional open-cut construction methods suffer from major disadvantages, including traffic disruption, noise pollution, long construction periods, and high investment costs, making them unsuitable for high-quality urban development. In contrast, underground excavation methods have become the dominant approach due to their minimal surface disturbance, reduced demolition, and environmental friendliness. However, when applied to intersecting underground structures, underground excavation leads to changes in load transfer paths and stress redistribution between segments, posing serious threats to structural safety. To investigate the mechanical behavior of intersecting segment lining structures during shield tunnel opening excavation, this study combines full-scale experiments, refined numerical simulations, and simplified analytical methods. The mechanical characteristics of intersecting structures from joints to multi-ring segment linings are systematically examined, and a practical design method is developed and verified through engineering cases. The main research contents and innovative results are summarized as follows: (1) Based on a self-developed large-scale multi-ring vertical segment lining test system, full-scale tests under multi-stage loading conditions were conducted. A four-stage structural transformation mechanism during shield tunnel opening was revealed for the first time, and the dual functional role of internal supports was clarified. The failure mode of intersecting segment lining structures was identified as a single-ring plastic failure, and corresponding optimization strategies were proposed. (2) To overcome the limitations of traditional rigid plate spring (RPS) models in simulating joint slip and large rotations, a pressure–bending–shear coupled joint model based on nonlinear contact elements was proposed. A nonlinear shell–contact finite element model was established and validated through full-scale tests, accurately reproducing the pre-support, cutting, opening, and unloading processes. Parametric analyses were performed to investigate the effects of burial depth, opening angle, opening size, and the position of the first longitudinal joint, and the inter-ring force transfer mechanism was clarified. (3) A simplified analytical method suitable for engineering applications was developed through theoretical derivation, numerical simulation, and experimental verification. The method enables efficient evaluation of deformation modes and internal force distributions of different rings based on a cantilever friction limit state, and introduces an uneven friction distribution coefficient for circumferential joints. (4) By integrating theoretical analysis, numerical simulation, and engineering practice, the structural analysis framework for intersecting segment lining structures was established. The analysis objects, working conditions, load design, bearing capacity, and deformation calculation methods were clarified, leading to the formulation of a systematic structural design procedure. (5) Engineering case studies were conducted to systematically analyze structural force characteristics, key control conditions, and optimization measures during construction. The applicability and effectiveness of the proposed structural design method were verified in real engineering projects. (Català) En el context del desenvolupament de l’espai subterrani urbà cap a una etapa d’alta densitat i configuració reticular, la interconnexió entre diferents estructures subterrànies és més necessària, fet que requereix l’adaptació d’estructures existents. El mètode tradicional d’excavació a cel obert presenta limitacions, com la congestió del trànsit, afeccions ambientals, llargs terminis d’execució i elevats costos, dificultant la seva aplicació urbana de qualitat. En conseqüència, l’excavació subterrània s’ha consolidat com la tècnica predominant per la seva reduïda afectació superficial, menor necessitat d’enderrocs i millor compatibilitat ambiental. No obstant això, la seva aplicació en interseccions introdueix problemes mecànics rellevants, com la modificació dels camins de transmissió de càrregues entre dovel·les i la redistribució de tensions, comprometen la seguretat estructural. En la present tesi doctoral s’analitzen els mecanismes mecànics de les estructures de revestiment de dovel·les durant l’excavació d’obertures en túnels amb tuneladora, combinant assajos a escala real, simulacions numèriques refinades i mètodes simplificats. S’analitza el comportament mecànic des del nivell de les juntes fins al revestiment multianell, i es proposa un mètode de disseny específic, verificat amb casos d’estudi. Les principals aportacions es resumeixen a continuació: (1) Es desenvolupa un sistema experimental de gran escala per a estructures de revestiment de dovel·les vertical multianell, amb assajos a escala real sota múltiples etapes de càrrega. S’analitza el mecanisme mecànic i el procés de fallada durant les obertures, establint per primera vegada la llei de conversió en quatre etapes i el mecanisme de doble funció del suport intern. El mode de fallada és un mode plàstic d’un sol anell, i es proposen mesures d’optimització estructural. (2) Per superar les limitacions del mètode RPS en la simulació del lliscament de juntes i grans rotacions, es proposa un model de junta amb acoblament pressió–flexió–tall basat en unitats de contacte no lineals. Es desenvolupa un model detallat d’elements finits closca–contacte, validat amb assajos a escala real, capaç de reproduir pre-suport, tall, obertura i descàrrega. S’analitza la influència de la profunditat, l’angle i la mida de l’obertura, així com la posició de la primera junta longitudinal, resumint el mecanisme de transferència d’esforços entre anells. (3) A partir de la derivació teòrica, la simulació numèrica i la validació experimental, es desenvolupa un mètode d’anàlisi simplificat aplicable a projectes d’enginyeria. Permet avaluar eficientment deformacions i distribució d’esforços interns en els anells, i realitzar la comprovació segons l’estat límit de fricció en voladís. S’introdueix el coeficient de no uniformitat de la fricció a les juntes circumferencials. (4) Mitjançant l’anàlisi teòric, simulacions i casos reals, s’estableix l’anàlisi estructural de les estructures de dovel·les en intersecció, definint l’objecte d’anàlisi, condicions de servei, esquema de càrregues, criteris de capacitat portant i càlcul de deformacions. Com a resultat, es formula un procediment sistemàtic de disseny estructural. (5) Finalment, mitjançant l’estudi de casos pràctics, s’analitzen les característiques de les accions estructurals, les condicions crítiques de control i les mesures d’optimització durant la fase constructiva, verificant l’aplicabilitat i eficàcia del mètode proposat. (Español) En el contexto del desarrollo del espacio subterráneo urbano hacia una etapa de alta densidad y configuración reticular, la interconexión entre distintas estructuras subterráneas es más necesaria, lo que requiere la adaptación de estructuras existentes. El método tradicional de excavación a cielo abierto presenta limitaciones, como congestión del tráfico, afección ambiental, largos plazos de ejecución y elevado coste de inversión, dificultando su aplicación urbana de calidad. En consecuencia, la excavación subterránea se ha consolidado como la técnica predominante por su reducida afección superficial, menor demolición y mayor compatibilidad medioambiental. No obstante, su aplicación en estructuras intersectadas introduce problemas mecánicos relevantes, como la modificación de las trayectorias de transmisión de cargas entre dovelas y la redistribución de tensiones, comprometiendo la seguridad estructural. En esta tesis doctoral se estudian los mecanismos resistentes de las estructuras de revestimiento de dovelas durante la excavación de aberturas en túneles con tuneladora, combinando ensayos a escala real, simulaciones numéricas refinadas y métodos simplificados. Se analiza el comportamiento mecánico desde el nivel de las juntas hasta el revestimiento multianillo, y se propone un método de diseño específico, cuya aplicabilidad se verifica mediante casos de estudio. Las principales aportaciones se resumen a continuación: (1) Se desarrolla un sistema experimental a gran escala para estructuras de revestimiento de dovelas multianillo, con el que se realizan ensayos a escala real bajo múltiples etapas de carga. Se analiza el comportamiento estructural y el proceso de fallo durante la ejecución de aberturas, estableciéndose por primera vez la evolución del sistema en cuatro etapas y el mecanismo de doble función del soporte interno. El modo de fallo se caracteriza como un fallo plástico de anillo único, y se proponen medidas de optimización estructural a partir de los resultados experimentales. (2) Para superar las limitaciones del método RPS en la simulación del deslizamiento de juntas y grandes rotaciones, se propone un modelo de junta con acoplamiento presión–flexión–corte basado en unidades de contacto no lineales. Se desarrolla un modelo no lineal de elementos finitos de tipo placa–contacto, validado mediante ensayos a escala real, capaz de reproducir las etapas de presoporte, corte, apertura y descarga. Se analiza la influencia de la profundidad de soterramiento, el ángulo y el tamaño de la abertura, así como la posición de la primera junta longitudinal, describiéndose el mecanismo de transferencia de esfuerzos entre anillos. (3) A partir del análisis teórico, la simulación numérica y la validación experimental, se desarrolla un método de análisis simplificado aplicable a proyectos de ingeniería. El método permite evaluar de form