特殊环境下复杂水下盾构隧道管片衬砌纵向受力分析

摘要

随着轨道和市政领域盾构隧道的迅速发展，隧道纵向不均匀沉降问题日渐凸显，由此引发的渗水漏泥、结构破坏及内部扭曲等问题逐渐引起人们的重视。本文以此为背景，通过理论分析和数值模拟，在完善纵向等效连续化模型的基础上，进一步修正了刚度，为实际工程提供了参考。
　　首先，考虑纵向轴力对中性轴的影响，推导了盾构隧道管片结构的纵向刚度、环缝张开量及曲率半径的表达式，并针对佛莞狮子洋147号钻孔断面进行了对比分析，验证了该计算公式的正确性，并进一步讨论了环缝长度影响系数、横向刚度有效率、错缝拼装系数对管片结构纵向刚度有效率的影响。结果表明:中性轴位置取决于等效偏心距的大小，管片结构横向刚度和错缝拼装对于提高结构纵向刚度有效率的作用显著。
　　接着，引入联络横通道、竖井、管片壁后空洞、采空区及管片内衬开展进一步分析，建立了影响区域(-30m，30m)范围内管片结构纵向刚度有效率与位移的线性关系，分析了附属结构和特殊环境结构受力和变形，并对前述特殊情况下管片结构的纵向力学性能进行了修正。结果表明:附属结构和特殊环境能产生局部应力集中，在位移等效下，能显著改变结构的纵向刚度，且影响程度受接头型式和区段长度控制，应在特殊地段的过渡带(-10m，10m)范围进行必要的柔性处理。
　　最后，以佛莞狮子洋隧道为对象，选取上覆或下卧层不均、地层埋深突变、岩层软硬交替等断面，计算同时考虑水土合算和水土分算情况下隧道的位移和内力分布;并以百年最高、最低水位进一步分析，分析水浮力、河流冲刷及岸边构筑物对运营期隧道的加卸载影响，探明了隧道拱顶、拱腰、拱底的变形及内力变化规律，结果表明:地层突变处会出现纵向应力突变，水下隧道的纵向轴力在纵向设计中不容忽视。
　　论文以纵向刚度为脉络，通过公式推导、特殊地段修正及具体工程案例有限元分析，重点考察了隧道纵向沉降及纵向轴力、弯矩的变化规律，最后得到了纵向刚度有效率倍数表，弥补了目前水下盾构隧道纵向结构及变形设计的不足，具有重要的工程价值和指导意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 盾构隧道纵向变形因素及机理分析

1．2．2 盾构隧道纵向计算模型研究

1．2．3 盾构隧道纵向结构有限元分析

1．2．4 盾构隧道纵向变形控制标准及规范

1．3 研究内容与方法

1．3．1 主要依托工程

1．3．2 研究内容

1．3．3 技术路线

第2章 考虑纵向力作用的盾构隧道纵向等效连续化模型

2．1 盾构隧道等效连续化模型简介及原理

2．2 考虑纵向力作用的等效弯曲刚度

2．2．1 纵向受压时的临界条件

2．2．2 纵向受压一般情况下的等效弯曲刚度

2．2．3 纵向受拉时的临界条件

2．2．4 纵向受拉一般情况下的等效弯曲刚度

2．2．5 纵向力作用下的等效弯曲刚度统一化

2．3 接头变形及环缝张开量的相互关系

2．3．1 接头变形与环缝张开量计算

2．3．2 环缝张开量与纵向曲率的关系

2．4 基于工程实例的等效刚度有效率影响因素分析

2．4．1 纵向弯曲刚度有效率的影响因素分析

2．4．2 中性轴位置探讨

2．4．3 本模型与其它连续化模型的比较

2．5 本章小结

第3章 特殊环境及附属结构影响下盾构隧道的纵向受力分析

3．1 概述

3．2 纵向刚度与位移的关系探讨

3．3 附属结构对盾构隧道纵向受力的影响

3．3．1 联络横通道对纵向受力的影响

3．3．2 竖井对纵向受力的影响

3．4 特殊地质对盾构隧道纵向受力的影响

3．4．1 壁后空洞对纵向受力的影响

3．4．2 采空区对纵向受力的影响

3．5 管片内衬对盾构隧道纵向受力的影响

3．6 本章小结

第4章 复杂条件下大断面水下盾构隧道纵向受力分析

4．1 概述

4．2 地层变化对纵向结构受力的影响

4．2．1 上覆或下卧地层不均匀

4．2．2 隧道穿越软硬交替岩层及破碎带

4．2．3 纵向埋深突变

4．3 堆卸载对纵向结构受力的影响

4．3．1 河流冲刷引起的堆卸载

4．3．2 岸边构筑物引起的堆卸载

4．4 水位变化及浮力的影响

4．5 本章小结

结论与建议

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

攻读硕士期间参与的科研项目