软土盾构隧道衬砌结构计算方法及纵向变形分析

摘要

大量软土盾构隧道在长期使用过程中由于发生过量的纵向不均匀沉降，引发渗水漏泥、结构局部破坏，或内部结构发生扭曲变形。盾构隧道纵向沉降问题成为影响隧道安全运营的核心问题之一。
　　 论文通过室内模型试验模拟了衬砌结构渗漏对隧道沉降的影响及软土盾构隧道长期沉降的发展(第二章)。采用解析方法对纵向沉降问题进行分析(第三章)。基于广义正、负力共同作用机制，推导了纵向沉降问题的基本微分方程。根据环间接头拉伸、压缩刚度的差异，推导了纵向曲率与环缝张开量的函数关系。采用模型试验方法，通过对衬砌结构纵向沉降和环缝张开量的观测，验证了解析推导，指出了衬砌环沉降和环缝张开量的纵向分布模式。
　　 提出了基于接头力学参数动态调整的衬砌结构数值计算方法(第四章)。根据盾构隧道衬砌结构接头的构造特征，建立了接头的力学模型，通过接头节点的开合判定和循环迭代实现了计算过程中模型参数的动态调整，以此为基础建立了盾构隧道衬砌结构的计算方法；采用上海长江隧道整环衬砌结构试验对计算方法进行有效性验证。将衬砌环横向变形分为接头位置的管片错动，管片的刚体转动和弹性压缩三部分，认为接头刚度是影响横向变形的主要因素。对五环通、错缝衬砌结构进行内力和变形分析，将通、错缝衬砌结构的各环内力分布及变形进行对比，指出了错缝拼装影响衬砌结构横向刚度和内力分布的工作机理。对通、错缝衬砌结构的横向刚度有效率进行对比分析，对错缝衬砌结构的弯矩提高率进行了初步探讨。
　　 分别采用荷载结构法和地层结构法的理念对50环通、错缝衬砌结构进行三维数值模拟(第五章)。首先对衬砌环沉降和环缝张开量的纵向分布模式进行分析，并与解析推导和模型试验的结果进行对比。对通、错缝衬砌结构的纵向沉降传递的差异进行分析，认为通缝隧道主要通过环内管片的转动传递差异沉降，而错缝隧道主要通过环间接头的错动传递差异沉降。从最大差异沉降、环缝张开量、竖向错台、纵向错台、管片转动及防水条件六个方面对通、错缝衬砌结构的纵向变形模式进行比较，分析了纵向错台引起通缝隧道衬砌结构纵向刚度增大的工作机理。最后对衬砌与土体间相互作用的模拟方法及参数取值进行了探讨。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 问题的提出

1.2 盾构隧道纵向变形研究现状

1.2.1 纵向沉降产生机理

1.2.2 衬砌结构纵向计算研究现状

1.2.3 衬砌结构接头模拟方法研究现状

1.2.4.局部渗漏对盾构隧道长期性态影响

1.3 本文的主要工作及创新点

1.3.1 主要工作

1.3.2 主要创新点

第二章 衬砌局部渗漏对盾构隧道长期性态影响

2.1 引言

2.2 模型试验基本设计

2.2.1 模型隧道

2.2.2 模型试验箱

2.2.3 测试手段

2.3 局部渗漏对隧道长期性态影响模型试验

2.3.1 试验方案

2.3.2 衬砌局部渗漏条件下隧道沉降发展

2.3.3 衬砌接缝密封条件下隧道沉降发展

2.3.4 衬砌局部渗漏条件下隧道横向内力变化

2.3.5 衬砌接缝密封条件下隧道横向内力变化

2.3.6 渗漏条件引起内力变化的机理分析

2.4 盾构隧道长期沉降模型试验

2.4.1 试验方案

2.4.2 试验结果与分析

2.5 小结

第三章 盾构隧道纵向沉降与环缝张开量研究

3.1 引言

3.2 盾构隧道纵向沉降分布模式解析推导

3.2.1 生物学实验引起的思考

3.2.2 纵向沉降分布模式的解析推导

3.3 盾构隧道纵向曲率与环缝张开量关系解析推导

3.3.1 基本假定

3.3.2 纵向转动轴位置解析推导

3.3.3 纵向曲率与环缝张开量关系解析推导

3.3.4 与上海经验公式比较

3.4 盾构隧道纵向沉降模型试验

3.4.1 模型隧道制作

3.4.2 试验加载与观测

3.4.3 试验结果与分析

3.5 小结

第四章 考虑接头力学模型的盾构隧道衬砌结构计算方法

4.1 引言

4.2 衬砌接头力学模型与工作模式

4.2.1 衬砌接头力学模型

4.2.2 管片接头工作模式

4.3 衬砌结构计算方法

4.3.1 参数设置准则

4.3.2 参数动态调整方法

4.3.3 计算流程图

4.4 上海长江隧道整环结构试验验证

4.4.1 试验概况

4.4.2 数值计算模型

4.4.3 计算结果与分析

4.5 拼装方式对衬砌结构力学性态影响

4.5.1 计算方案

4.5.2 拼装方式对衬砌环环向弯矩影响

4.5.3 拼装方式对横向变形影响

4.5.4 拼装方式对纵向结构刚度影响

4.6 衬砌结构横、纵向结构刚度相互影响

4.7 小结

第五章 软土盾构隧道纵向变形数值模拟

5.1 引言

5.2 盾构隧道纵向沉降及环缝张开量分布

5.2.1 计算方案

5.2.2 通缝拼装隧道纵向沉降及环缝张开量分布

5.2.3 错缝拼装隧道纵向沉降及环缝张开量分布

5.2.4 纵向沉降的传递

5.3 盾构隧道纵向变形模式分析

5.3.1 通缝拼装隧道纵向变形

5.3.2 错缝拼装隧道纵向变形

5.3.3 拼装方式引起衬砌结构纵向变形差异

5.3.4 拼装方式引起纵向刚度差异的机理分析

5.4 基于地层结构法的盾构隧道纵向变形

5.4.1 计算方案

5.4.2 基于地层结构法的通缝拼装隧道纵向变形

5.4.3 基于地层结构法的错缝拼装隧道纵向变形

5.4.4 基于地层结构法的盾构隧道纵向刚度差异分析

5.5 试验加载方式对盾构隧道纵向变形的影响

5.6 非对称条件下的盾构隧道纵向变形

5.6.1 计算方案

5.6.2 非对称条件下的盾构隧道纵向变形

5.7 小结

第六章 结论

6.1 主要成果

6.2 待解决的问题

参考文献

致谢

个人简历