考虑土体—隧道共同作用的盾构隧道三维有限元分析

摘要

随着盾构隧道在国内外的迅速发展,以及施工技术的不断创新,盾构隧道的开挖工况越来越复杂,隧道的受力变形情况也变得十分复杂,具有很高的研究价值。本文以无工作井(GPST)盾构开挖过程中出现的负覆土—零覆土—浅覆土的工况以及隧道上浮问题作为研究对象,提出了一种考虑土体—隧道共同作用的盾构隧道三维有限元分析方法,主要进行了以下几个方面的研究:
　　(1)建立包括隧道管片、环内管片间螺栓、环与环之间螺栓、管片间接缝等细部结构的精细化三维有限元模型,通过计算得到模型沿横向的受力变形规律和精细隧道相对于三维连续隧道的刚度折减系数,并结合正交各向异性本构模型,得到进行刚度折减后的连续隧道的受力变形相关参数。
　　(2)针对不同覆土深度的工况,通过荷载—结构法进行精细化管片模型受力变形分析,得到不同覆土厚度与下隧道横截面受力变形,分析覆土厚度与隧道收敛变形情况、隧道横向刚度折减系数之间的关系,并进行了一些土层性质的参数分析,为后续研究提供参考。
　　(3)针对无工作井盾构隧道盾构开挖过程中覆土深部不断变化且包含负覆土—零覆土—浅覆土的复杂工况,建立三维有限元模型,将模型中的隧道简化为进行刚度折减后的连续隧道,模拟盾构从地面开挖进入地下的过程,分析此过程中开挖卸载和浆液浮力作用下盾构沿纵向的受力变形特性,并对两种常见的抗浮措施进行有效性研究。
　　(4)对土体—隧道三维模型中的一些参数进行影响性分析,主要包括土体结构性、土层参数、水土耦合效果等方面对隧道纵向受力变形规律的影响。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究意义

1.4 研究内容与技术路线

1.5 创新点

第二章 三维有限元软件的开发和验证

2.1 引言

2.2 本构模型简介

2.3 三维实体单元、梁单元的基本方程

2.4 水土耦合三维有限元

2.5 Gleaves软件开发

2.6 程序验证

2.7 本章小结

第三章 考虑土体—隧道共同作用的盾构隧道三维有限元分析方法

3.1 引言

3.2 工程软件介绍

3.3 隧道横截面受力变形分析

3.4 隧道刚度折减系数

3.5 隧道纵向受力变形分析

3.6 本章小结

第四章 不同覆土厚度下盾构隧道横截面受力变形特性

4.1 引言

4.2 覆土厚度对隧道横截面受力的影响分析

4.3 不同????、????条件下隧道横截面受力变形特性

4.4 不同覆土厚度下隧道刚度折减系数

4.5 本章小结

第五章 不同覆土厚度下盾构隧道纵向受力变形特性

5.1 引言

5.2 建立覆土厚度不断变化的有限元模型

5.3 材料参数

5.4 土体卸载对隧道纵向变形的影响分析

5.5 浮力对隧道纵向变形的的影响分析

5.6 抗浮措施对隧道纵向受力变形的影响性分析

5.7 本章小结

第六章 隧道纵向受力变形的参数影响分析

6.1 考虑土体结构性对隧道纵向受力变形的影响

6.2 不同地层材料对隧道纵向受力变形的影响

6.3 考虑水土耦合对计算结果的影响

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参 考 文 献

致谢

攻读硕士学位期间发表或录用论文及专利