上软下硬地层超大直径盾构隧道设计关键技术研究

摘要

相较于均质地层盾构隧道，上软下硬地层盾构隧道存在地层横向软硬不均，纵向突变频繁，结构受力及沉降不均问题突出的特点；相较于小直径盾构隧道，超大直径盾构隧道存在断面面积超大，管片分块及接头众多，结构材料及几何非线性特征显著等特点。目前对上软下硬地层超大直径盾构隧道结构设计往往通过类比软土地层超大直径盾构隧道的结构设计进行设计，对隧道底部凸起基岩的处理也仅有小直径盾构隧道工程案例可供借鉴。鉴于此，采用文献调研、理论分析、数值模拟及数值试验等方法，分别对上软下硬地层超大直径盾构隧道横向设计计算模型、上软下硬地层超大直径盾构隧道纵向设计计算模型及基岩凸起对超大直径盾构隧道结构纵向受力变形的影响进行了研究，最终形成上软下硬地层超大直径盾构隧道设计关键技术。论文的主要研究结论如下： （1）探明了盾构施工对盾尾浆液压力波动变化的影响，得出浆液压力波动变化时的浆液压力取值；结合上软下硬地层荷载计算方法及注浆层-地层综合抗力系数取值方法建立了上软下硬地层盾构隧道横断面荷载计算模型；根据所得的计算模型，分析了基岩嵌入及其倾角等因素对超大直径盾构隧道结构受力的影响。 （2）通过分析盾构隧道纵向变形模式及理论计算模型得出上软下硬地层盾构隧道纵向计算模型适用纵向梁-弹簧计算模型。结合管片纵向螺栓连接的特点，依据Timos he nko 理论得到管片环间连接螺栓剪切刚度计算公式，采用数值模拟试验的方法得到考虑剪力销抗剪作用的管片环缝抗剪刚度；根据纵向计算模型，分析了有无剪力销情形下隧道结构纵向受力特征。 （3）通过建立考虑管片环间连接螺栓及剪力销抗剪刚度的大型三维计算模型，分别就超大直径盾构隧道在底部硬岩凸起不同情形下的结构力学特性进行了分析；通过数值计算结合理论分析得到了隧道结构纵向地层差异性控制标准；通过调研分析得到了基于RQ D指标的基岩爆破现场控制标准；并提出了改进的基岩爆破装药结构。 （4）对珠海横琴马骝洲隧道进行了施工全程结构受力现场测试，明确了上软下硬地层超大直径盾构隧道施工全过程管片结构受力变形变化规律。并依托马骝洲隧道工程，对横向设计计算模型、剪力销及基岩爆破改进装药结构等进行了现场应用及验证。

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