大直径越江盾构隧道管片结构理论分析及其工程应用研究

摘要

盾构法隧道的兴建可缓解建筑用地紧张、交通拥挤的现状，飞速发展的盾构施工技术更使盾构隧道日益成为重要的城市地下结构。在一些城市公路隧道和越江隧道等都迫切要求单管修建三个车道，但大直径盾构隧道设计仍沿用相对较小直径的盾构隧道结构计算方法，与盾构法施工技术水平相比，大直径盾构隧道结构的理论研究相对较为滞后。考虑到大型盾构隧道所特有的结构特点，本文以沪崇苏通道南港隧道实际工程为研究依托，对大直径盾构隧道管片结构进行理论分析和探讨，论文的主要工作在以下几个方面： 1.在前人的研究工作基础上，以Biot固结理论为基础，考虑孔隙度和渗透率动态变化，初步探究了考虑土体时效性的流-固耦合分析模型，且给出了相应的有限元计算公式，并编制了相应的程序模块。 2.对隧道衬砌结构的外荷载进行了研究，并提出了基于考虑土体时效特性的流-固耦合作用的有限元法确定隧道衬砌结构的水土压力。 3.对盾构法隧道管片接头进行理论分析，根据管片接头构造特征，在传力衬垫和弹性密封橡胶试验资料的基础上，对管片接头进行受力分析，得到管片环向接头的弯曲刚度与接头内力的非线性关系，为了应用方便，提出了管片环向接头的抗弯刚度计算模型，并编制了相应的接头分析程序。 4.采用有限元方法，使用厚壳、GOODMAN、接触及实体单元，考虑管片与管片在接缝处的挤压作用、管片与接头螺栓之间的咬合作用、管片环向接头的抗弯刚度非线性、管片与周围土体的相互作用，提出了土体连续介质-厚壳-接头3D计算模型，并编制了相应程序模块。 5.使用土体连续介质-厚壳-接头3D计算模型分别对沪崇苏通道南港隧道管片结构通缝和错缝两种拼装方式进行了三维计算分析和研究，成果将提交使用单位参考，对相应工程的成功实施提供了技术借鉴和指导。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1盾构法隧道建设发展概况

1.2考虑土体时效性的流固耦合理论研究现状

1.2.1饱和软土Biot固结研究

1.2.2软土流变固结理论研究

1.2.3流-固耦合的计算研究

1.3隧道衬砌结构计算理论与设计模型的研究现状

1.3.1隧道衬砌结构外荷载的研究

1.3.2隧道衬砌接头的研究

1.3.3隧道衬砌与地层相互作用的研究

1.4研究现状评述

1.5本文的研究内容和主要工作

第2章考虑土体时效特性的流固耦合理论及其有限元方程

2.1考虑土体时效特性的饱和软土固结理论

2.1.1饱和土体的Biot固结理论

2.1.2饱和土体流变模型理论

2.1.3饱和土体线性流变的本构关系

2.2考虑土体时效性的Biot固结有限元方程

2.2.1饱和土体Biot固结有限元方程

2.2.2饱和粘弹塑性介质的Biot固结有限元方程

2.3饱和土体流固耦合数学模型及其有限元解析

2.3.1饱和岩土介质三维非稳定渗流的连续性方程

2.3.2饱和岩土介质三维非稳定渗流的连续性方程的空间离散

2.3.3饱和岩土介质三维非稳定渗流的连续性方程的时域离散

2.3.4流场与应力场耦合有限元方程

2.4考虑土体时效特性的流—固祸合的有限元程序设计

2.4.1程序模块的主要功能

2.4.2程序模块结构

2.4.3粘弹塑性流变模块流程图

2.5本章小结

第3章隧道衬砌结构的外荷载研究

3.1隧道衬砌结构的土压力研究

3.1.1简化计算方法

3.1.2衬砌荷载反馈分析法

3.2隧道衬砌结构的水压力研究

3.2.1折减系数法

3.2.2理论解析法

3.2.3解析数值方法

3.2.4水文地球化学方法

3.2.5渗流理论分析计算方法

3.3盾构法隧道衬砌荷载影响因素分析

3.3.1地质条件

3.3.2衬砌和土层相对刚度

3.3.3施工方法

3.3.4隧道直径和埋深

3.3.5地下水位的变化

3.3.6外界环境的变化

3.4衬砌结构外荷载有限元法

3.4.1衬砌局部渗流模拟

3.4.2数值计算模型

3.4.3边界条件

3.4.4隧道衬砌结构的外荷载

3.5本章小结

第4章盾构法隧道管片接头试验的力学分析

4.1管片接头试验的力学计算模型

4.1.1管片A接头试验的力学分析

4.1.2管片B接头试验的力学分析

4.1.3管片C接头试验的力学分析

4.2管片环向接头抗弯刚度的计算模型

4.3上海长江隧道工程的环向接头抗弯刚度计算

4.4本章小结

第5章盾构隧道管片结构的土体连续介质—厚壳—接头3D计算模型研究

5.1盾构隧道结构的土体连续介质—厚壳—接头3D计算模型

5.1.1管片结构的数值模拟

5.1.2管片结构与土体连续介质的相互作用数值模拟

5.1.3边界条件

5.1.4盾构隧道掘进施工过程模拟

5.2计算分析流程

5.3本章小结

第6章工程应用

6.1项目概况

6.2场地的工程地质条件

6.2.1河势、水文

6.2.2工程地质条件

6.3隧道结构的主要特点

6.4盾构隧道掘进施工过程三维仿真分析

6.4.1盾构隧道掘进施工模拟方法分析

6.4.2计算参数及三维有限元模型

6.4.3掘进施工过程三维仿真分析

6.5基于土体连续介质—厚壳—接头3D模型的有限元分析

6.5.1计算分析概况及有限单元模型

6.5.2通缝拼装方式管片结构的三维有限元分析

6.5.3错缝拼装方式管片结构的三维有限元分析

6.5.4通缝拼装方式与错缝拼装方式比较分析

6.6本章小结

第7章结论与展望

7.1研究成果和主要结论

7.2进一步研究方向

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果