高地应力挤压性地层双护盾TBM管片结构设计方法研究

摘要

当前双护盾TBM在国内外水工、铁路、公路、市政和地铁等隧道工程中获得了越来越广泛的应用。在双护盾TBM施工的隧道中，高地应力条件下围岩挤压现象较为普遍，并成为了工程建设中日益突出的问题。工程实例表明:围岩挤压现象是双护盾TBM管片结构破坏的重要原因之一。有鉴于此，从挤压性地层双护盾TBM隧道围岩形变及破坏特征的分析入手，在此基础之上建立挤压性地层条件下双护盾TBM管片形变压力的计算方法;结合挤压性地层条件下双护盾TBM特点建立相应的管片结构计算模型;最终提出挤压性地层双护盾TBM管片结构设计方法。
　　本研究主要内容包括：⑴结合挤压性地层条件下双护盾TBM掘进支护特点，探明了挤压性地层双护盾TBM隧道围岩开挖卸荷过程，围岩经历了3次位移释放：开挖面前方先行位移释放；护盾区域围岩位移释放；管片-填充层-围岩三者变形协调至稳定过程的围岩位移释放;同时探明了隧道围岩的横向破坏特征:隧道拱顶围岩易松散塌落，形成的灌浆层形变压力传导能力弱，隧道顶部地层抗力损失。⑵基于双护盾TBM隧道围岩开挖卸荷特点，建立了考虑时间因素的挤压性地层双护盾TBM管片形变压力的计算方法;提出了管片-豆砾石组合支护刚度计算公式并分析了豆砾石灌浆层的力学作用。⑶结合挤压性地层双护盾TBM支护特点，建立了豆砾石-地层综合抗力系数计算方法;通过研究近似确定了接头转动刚度与管片厚度的二次方关系，建立了基于接头尺寸效应的接头刚度计算方法;并在此基础之上形成了挤压性地层双护盾TBM管片结构计算模型。⑷通过研究管片厚度、钢筋配筋量对裂缝宽度的影响规律，建立了基于裂缝控制的挤压性地层管片截面结构设计方法;基于无衬垫式接头力学特点，提出了无衬垫式接头螺栓尺寸、材料以及锚固长度的设计方法。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及选题意义

1．2 国内外研究现状综述

1．2．1 深埋隧道围岩荷载研究现状

1．2．2 管片结构计算模型研究现状

1．2．3 管片结构设计方法研究现状

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方法

1．3．3 技术路线

第2章 挤压性地层双护盾TBM隧道围岩形变及破坏特征

2．1 挤压性地层双护盾TBM隧道围岩纵向形变特征

2．1．1 挤压性地层隧道围岩纵向变形的时空效应

2．1．2 双护盾TBM隧道围岩3阶段位移释放

2．2 挤压性地层双护盾TBM隧道围岩横向破坏特征

2．2．1 隧道顶部围岩松散塌落

2．2．2 隧道顶部地层抗力损失

2．3 本章小结

第3章 挤压性地层双护盾TBM管片形变压力计算方法

3．1 考虑时间效应的纵断面变形曲线

3．1．1 隧道变形的空间效应表达式

3．1．2 隧道变形的时间效应表达式

3．1．3 考虑时空效应的综合表达式

3．2 基于等效开挖洞径的围岩特征曲线

3．2．1 第一阶段位移释放量

3．2．2 等效开挖洞径的计算

3．2．3 围岩特征曲线的计算

3．3 基于收敛约束法的形变压力计算

3．3．1 第二阶段位移释放量

3．3．2 填充层实际填充厚度

3．3．3 组合支护刚度公式

3．3．4 组合支护力与位移

3．3．5 管片形变压力计算

3．4 工程实例的计算与验证

3．4．1 工程实例概况及计算参数

3．4．2 现场实测与理论计算对比

3．5 本章小结

第4章 挤压性地层双护盾TBM管片结构计算模型

4．1 挤压性地层管片结构各部件的模拟

4．1．1 管片接头的模拟

4．1．2 地层弹簧的模拟

4．1．3 管片结构的模拟

4．2 豆砾石-地层综合抗力系数的计算

4．2．1 计算模型的建立与假定

4．2．2 综合抗力系数公式推导

4．2．3 综合抗力系数特性研究

4．3 基于接头尺寸效应的接头刚度确定

4．3．1 环向接头转动刚度

4．3．2 环向接头轴向刚度

4．3．3 环向接头剪切刚度

4．4 工程实例的计算与验证

4．4．1 参数计算

4．4．2 对比验证

4．5 本章小结

第5章 挤压性地层双护盾TBM管片结构设计

5．1 挤压性地层管片截面结构设计

5．1．1 管片厚度对裂缝宽度的影晌

5．1．2 钢筋配筋对裂缝宽度的影响

5．1．3 挤压性地层管片结构设计建议

5．2 挤压性地层管片接头结构设计

5．2．1 接头设计内容

5．2．2 接头设计模型

5．2．3 接头设计流程

5．3 挤压性地层双护盾TBM管片结构设计实例

5．3．1 某隧道工程概况

5．3．2 某隧道管片设计

5．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间参与的科研与发表的论文