非结连接触计算模型在盾构衬砌力学特性方面的应用研究

摘要

由于我国城市用地紧张以及城市立体化交通的要求，地下空间的开发与利用成为现代化城市的首要任务。同时，高度效率化和功能密集化的现代化城市对于工程施工精度的要求也越来越高。盾构法由于其对周围环境影响小、施工自动化程度高等优点，成为城市地下工程建设的主要施工方法。因此，开展盾构隧道设计方面的研究具有重要的学术价值和使用价值，可以为安全、合理、经济的管片设计工作提供指导。
　　作为盾构隧道的永久支护结构，盾构衬砌为整个盾构隧道的关键部位与设计重点。目前，常用的盾构衬砌设计方法最大的区别在于管片接头的假设不同。由于接头形式不同，接头参数的选取对模型计算结果的影响很大。在盾构衬砌的常用设计方法中，均将钢筋混凝土管片假设为弹性体。然而混凝土材料在拉应力和压应力作用下会表现出迥异的强度与刚度特性，尤其是当混凝土材料所受拉应力超过其抗拉强度设计值时，混凝土在受拉应力区会出现微裂缝。因此盾构衬砌的设计模型中应考虑混凝土的材料特性。盾构隧道施工阶段中，受拼装过程、注浆压力、千斤顶推力以及隧道纵向差异沉降等众多施工因素的综合影响，管片结构表现出异常复杂的力学性能。如何合理有效地评价盾构隧道施工阶段对衬砌管片力学性能的影响仍然是衬砌设计和施工中所需要面临的难题之一。本文的主要研究如下：
　　1、在分析盾构隧道衬砌常用设计方法的基础上，采用有限元软件建立了一种可以精确模拟螺栓与管片间相互作用关系的盾构隧道衬砌非连续接触计算模型，并详细介绍了非线性接触问题的计算原理。
　　2、为了验证本文所建立的非连续接触模型的合理性，通过现场原位试验与数值模拟计算相结合的手段对盾构衬砌的受力与变形情况进行研究。详细介绍了原位实验的内容与测试结果，并依据内、外侧钢筋及受压区混凝土的应变协调关系，截面上力与力矩平衡关系，推导得出管片截面的内力计算公式。
　　3、采用荷载-结构模型计算方法，研究了盾构管片在非连续接触模型方法、弹塑性损伤模型方法和惯用法模型方法中的受力与变形特性，得出了管片混凝土材料在拉应力和压应力作用下的强度与刚度特性，由于结构损伤产生的微裂缝特征和三种模型的异同点等。
　　4、采用地层-结构模型计算方法，使用非连续接触计算模型研究了施工过程中螺栓及时拧紧度、衬砌背后注浆不均匀及管片纵缝错台等对盾构管片的影响。并将计算结果与现场实验结果进行了对比分析，归纳得出了各种不规则施工操作引起的盾构管片受力与变形规律。