基于重庆地层TBM隧道衬砌结构纵向稳定性研究

摘要

伴随着TBM隧道在我国的快速发展，TBM隧道在地层中的稳定性问题显得尤为重要，尤其是在以重庆地层为特点的广大复合地层地区。TBM隧道衬砌结构稳定性受到周围地层环境、自身结构形式和施工技术等多重因素的影响，目前还没有成熟的理论成果，只能参照盾构隧道经验对TBM隧道衬砌结构进行设计，但为了保证衬砌结构的长期稳定性，一般设计时偏于保守，造成了巨大的浪费。因此本文针对以重庆地质为特点的复合TBM隧道衬砌结构纵向稳定性进行了研究。
　　论文主要从衬砌结构稳定性的影响因素和不同模型方法两条路线进行了研究。包括在梁-弹簧模型的基础上对梁-弹簧模型进行修正研究，对接头抗弯刚度、地层抗力系数、侧压力系数以及管片拼接方式等影响衬砌结构稳定性的因素进行了分析;另外，在对TBM隧道衬砌管片稳定性的另一研究方法-纵向等效连续化模型进行了理论性推导和有限元数值模拟验证，主要是把反映管片横向性能的横向刚度有效率考虑进纵向等效连续化模型中。论文的主要研究如下:
　　①针对梁-弹簧模型在模拟实际管片结构时存在的一些问题，结合梁-接头不连续模型和壳-弹簧模型的理论基础得到了一种改进的、以梁-弹簧模型为基础的新模型:修正梁-弹簧模型。主要创新点为在接头上采用梁-接头不连续模型的双节点形式以解决其实际受力的不连续性问题，在接头弹簧上引入径向和切向抗弯刚度以及剪切刚度理论。
　　②通过模拟外径6m级和10m级的TBM隧道衬砌管片接头在不同荷载作用下力学性能，找到荷载、管片接头转角与接头抗弯刚度之间关系曲线，以此对管片接头处弯曲刚度进行研究。在横向轴力一定时，弯矩（正负弯矩的绝对值）会使管片接头转角增大，当M较小时抗弯刚度Kθ基本趋于稳定状态，当M增加到一定数值时抗弯刚度Kθ逐渐变小并在一定数值趋于稳定;另外，轴力对接头抗弯刚度有增强作用。对θ-M曲线采用切线法原理获取抗弯刚度Kθ的取值范围。
　　③通过对影响TBM隧道衬砌管片稳定性的地层因素和拼装方式进行研究得知，地层抗力系数、侧压力系数以及管片拼装方式对TBM隧道衬砌管片稳定性都有一定的影响，分析了以上各种因素对其稳定性影响的规律和程度。
　　④采用理论推导与有限元数值模拟验证对比的方法，得到了横向刚度有效率与纵向等效刚度之间关系曲线及公式，以及横向刚度有效率对纵向等效弯曲刚度影响程度;通过有限元数值模拟验证了考虑横向刚度后采用纵向等效连续化模型分析管片结构纵向稳定性的准确性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 TBM隧道简介及其发展

1．1．2 TBM基本技术特点及原理

1．2 TBM(盾构)隧道存在的稳定性问题现状

1．2．1 TBM(盾构)隧道事故原因及处理

1．2．2 衬砌管片结构稳定性原因分析

1．3 国内外研究现状

1．3．1 隧道结构的计算理论

1．3．2 隧道结构设计方法分类

1．3．3 荷载结构法研究

1．3．4 TBM(盾构)隧道稳定性研究现状

1．4 本文的主要研究内容

第二章 基于梁-弹簧计算模型修正研究

2．1 概述

2．2 国内外TBM隧道衬砌管片结构计算模型

2．2．1 均质圆环模型

2．2．2 基于修正惯用法的等效刚度圆环模型

2．2．3 纵向等效连续化模型

2．2．4 梁-弹簧模型

2．3 对梁-弹簧模型进行修正分析

2．3．1 片间接头单元

2．3．2 环间接头单元

2．3．3 梁单元

2．3．4 地基弹簧单元

2．4 管片衬砌的荷载系统

2．5 本章小结

第三章 TBM隧道管片接头抗弯刚度研究

3．1 TBM隧道管片接头构造型式

3．2 管片接头弯曲刚度数值模型构建

3．3 管片接头荷载位移关系曲线

3．4 管片接头抗弯刚度确定

3．5 本章小结

第四章 TBM隧道衬砌管片纵向稳定性影响因素分析

4．1 概述

4．1．1 工程概况

4．1．2 有限元软件ANSYS简介

4．2 稳定性分析模型及方法

4．2．1 稳定性分析模型构建

4．2．2 稳定分析方法

4．3 地层抗力对TBM衬砌管片稳定性的影响

4．4 地层侧压力系数对TBM衬砌管片稳定性的影响

4．5 不同地层条件下衬砌管片的稳定性分析

4．6 接头拼装方式对TBM衬砌管片稳定性的影响

4．7 本章小结

第五章 横向性能影响下的TBM隧道衬砌结构纵向等效刚度研究

5．1 考虑横向刚度的影响

5．2 考虑横向刚度的纵向等效刚度基本假定

5．3 考虑横向刚度的纵向等效刚度理论公式推导

5．4 横向刚度有效率η与中性轴位置φ关系分析

5．4．1 横向刚度有效率η与中性轴位置φ理论推导

5．4．2 η-φ关系曲线的数值拟合

5．5 对考虑η的纵向等效刚度进行理论实例论证

5．6 理论论证与数值模拟对比分析

5．7 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论著及取得的科研成果