小半径大纵坡条件下盾构法施工管片受力及拼装技术研究

摘要

为了适应城市人口的快速增长，重庆市规划了规模庞大的地铁网络，盾构法在地铁施工中得到了大量应用。由于规划需要以及地形条件的限制，在某些地段不可避免要采用纵坡或者小半径曲线隧道，这为盾构推进、管片拼装带来了困难，曲线段管片受力特性尚不明确。本文以重庆市轨道交通环线某区段为依托项目，对小半径、纵坡条件下管片整体及接头的受力变形特性、盾构施工轴线控制技术、管片拼装技术进行了探讨。
　　本研究主要内容包括：⑴小半径曲线段管片受力分析：管片内力值及位移值与曲线半径并非呈简单的线性变化，随着曲线半径的减小，其内力值（弯矩、轴力、剪力）及管片位移值显著增大；小曲线半径条件下，管片外凸侧（曲线外侧）会出现一定的拉应力，说明在曲线地段，管片外侧是受力相对薄弱部位，设计时应予以加强；随着曲线半径的减小，管片接缝张开量逐渐增大。当曲线半径为50m时，管片内弧面张开量达到1.04mm，管片承受外弧面张开量达到1.59mm，防水能力大大降低。⑵纵坡地段地层扰动及开挖面稳定性分析：在不同纵坡值条件下，土体水平、竖向方向变形规律大体相似，但土体水平位移较小，竖向位移较大，尤其以隧道中心处竖向位移最大，且随隧道纵坡值增大而增大。；开挖面土体压应力随纵坡坡度增大而减小，容易失稳，在盾构施工时应该加大开挖面的支护力;开挖面土体压应力随埋深的增加而增大，开挖面稳定性相对较高。与坡度值的变化相比，埋深对开挖面应力大小影响要明显得多。⑶管片接头受力特性分析。接头抗弯刚度的变化实际上是多种因素的耦合结果，同时受荷载和接缝构造形式的影响。相对而言，抗弯刚度受轴力、弯矩、螺栓高度的影响更为明显。弯矩的增加降低了抗弯刚度，轴力的增加提高了抗弯刚度，而螺栓高度的影响主要体现在接头抵抗正负弯矩能力的变化。⑷小半径盾构隧道管片拼装质量控制。在小半径地段，通过合理控制仿形刀超挖量及铰接角，减小管片轴线偏差;管片受侧向分力的作用，为防止管片侧向变形过大，宜采用早期强度较高的注浆材料，并合理设置预偏值;为防止上浮力引起管片纵向错台，宜采用早期强度较高的注浆材料，并适当增加纵向螺栓预紧力;为防止曲线外侧接缝发生渗漏水，应提高管片制作和拼装精度，并加大传力垫层厚度以及弹性密封圈体积。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的背景和意义

1．2 盾构法施工技术研究现状

1．2．1 盾构法施工发展历程

1．2．2 盾构管片受力分析研究现状

1．2．3 盾构法施工对地层扰动研究现状

1．2．4 盾构刀盘刀具设计理论研究现状

1．2．5 曲线纵坡隧道盾构施工技术研究现状

1．2．6 盾构管片拼装技术研究现状

1．3 本论文研究的主要内容及研究方法

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 主要研究方法

第二章 管片支护结构的力学分析模型

2．1 隧道管片支护结构的计算模型

2．1．1 管片接头计算模型

2．1．2 管片支护结构计算模型

2．2 管片受力计算有限元分析模型

2．2．1 管片整体的数值模拟方法

2．2．2 管片接头的数值模拟方法

2．2．3 从整体到接头的管片受力计算方法

2．3 本章小结

第三章 小半径大纵坡条件下盾构施工受力及变形分析

3．1．1 有限差分法(FDM)及基础理论

3．1．2 依托工程概况

3．1．3 管片整体有限元建模

3．1．4 直线段管片整体受力分析

3．2 不同曲线半径对管片受力特征的影响

3．2．2 管片受力及变形分析

3．4 不同纵坡坡度条件下地层变形数值模拟计算

3．4．2 纵坡坡度对隧道周边地层位移的影响分析

3．4．3 开挖面应力分析

3．4 本章小结

第四章 盾构管片接头力学特性分析

4．1 盾构管片接头受力变形分析

4．2．1 有限元建模

4．2．2 加载模式

4．2．2 抗弯刚度Kθ的计算过程

4．3 不同曲线半径下管片接头受力变形分析

4．4 管片接头影响因素计算分析

4．4．1 弯矩的影响因素分析

4．4．2 轴力的影响因素分析

4．4．4 螺栓预紧力的影响因素分析

4．4．5 螺栓连接形式的影响因素分析

4．5 本章小结

第五章 小半径条件下管片拼装质量控制技术研究

5．1 小半径曲线段盾构施工管片拼装质量问题

5．2 小半径条件下隧道轴线控制技术

5．2．1 不同半径条件下界限铰接角的确定

5．2．2 不同半径条件下仿形刀超挖量的确定

5．3．1 管片侧向分力计算

5．3．2 管片侧向变形控制技术

5．4．1 管片上浮机理

5．4．2 管片上浮受力计算

5．4．3 管片上浮控制技术

5．5 管片接缝防水控制技术

5．5．1 不同曲线半径条件下管片接缝变形规律

5．5．2 管片接缝防水控制技术

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果