强透水砂卵石地层盾构管片受力特性研究

摘要

黄河是中华文明的发祥地，是我国第二长河，自远古以来即以“河道多变、水患多发”而著称。兰州地铁1号线是我国首次以隧道方式穿越黄河复杂地层并用于轨道交通的水下工程。
　　本论文以兰州轨道交通1号线穿黄区间迎门滩～马滩站为依托工程，采用相似模型试验（其中几何相似比为1∶10、容重相似比为1∶1）和管片结构数值模拟为研究手段，研究了不同埋深、不同水压情况下，隧道下穿强透水砂卵石地层时衬砌结构力学行为，得到盾构隧道穿越强透水砂卵石地层时盾构管片的内力特征。主要成果如下:
　　(1)在气压代替水压的理论思想指导下，试验过程中对加载装置进行了重点开发，研发了能够实现对均布水压加载的装置。与此同时，配合使用卧式加载试验系统，水压与土压的加载过程完全分离，彻底实现了水、土压力的分别加载。试验结果表明，相比于“环箍”等传统的水压加载模式，该装置在模拟盾构管片承受的均布水压荷载时更加接近实际情况，从而在研究高水压对盾构隧道的作用时，使试验结果更加接近真实情况。
　　(2)利用三维有限元软件ANSYS，采用梁-弹簧模型进行数值模拟计算，研究了水压、侧压力系数和拼装方式对于管片内力的影响。
　　(3)在模型试验和数值计算的基础上系统总结了在强透水砂卵石地层条件下水压力、竖向土压力、土体侧压力系数和拼装方式对管片衬砌结构力学特性的影响规律，揭示了盾构管片衬砌结构力学分布特性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 盾构隧道的发展历史概况

1．2 国内外研究现状

1．3 主要研究内容和方法

1．3．1 研究目标

1．3．2 主要研究内容

1．3．3 拟采取的研究方法、技术路线

第2章 工程概况

2．1 依托工程概况

2．2 工程地质概况

2．2．1 自然地理概况

2．2．2 地质构造及地层岩性特征

2．2．3 隧道围岩分级

2．2．4 特殊地质问题

2．3 水文地质概况

2．3．1 地下水类型及赋存形式

2．3．2 水文地质参数

2．4 工程地质条件评价

2．4．1 特殊岩土对工程的影响评价

2．4．2 穿越黄河段水文地质、工程地质条件评价

2．5 管片设计概况

2．5．1 管片结构设计

2．5．2 管片工程材料

第3章 强透水砂卵石地层盾构管片相似模型试验

3．1 相似理论

3．1．1 第一定理

3．1．2 第二定理

3．1．3 试验相似关系的确定

3．2 相似材料

3．2．1 试验土层

3．2．2 管片衬砌材料的配置

3．2．3 主筋

3．2．4 管片接头的模拟

3．3 试验加载装置

3．4 水压装置的研制

3．4．1 对高水压问题的认识

3．4．2 水压加载装置的原理

3．5 试验测点的布置

3．6 试验步骤

3．7 试验分组

3．7．1 变水压与高水压

3．7．2 土压

3．7．3 土体侧压力系数

3．7．4 拼装方式

第4章 越河段盾构管片衬砌结构力学特性

4．1 变水压条件下管片结构力学特性分析

4．2 高水压条件下管片结构力学特性的影响

4．3 侧压力系数对管片结构力学特性影响

4．4 拼装方式对管片结构力学特性影响

4．4．1 拼装方式对管片轴力的影响

4．4．2 拼装方式对管片弯矩的影响

4．5 小结

第5章 越河段盾构管片衬砌结构力学特性数值模拟

5．1 盾构隧道衬砌结构计算方法

5．2 计算模型及参数设置

5．2．1 计算模型

5．2．2 计算参数

5．2．3 荷载计算

5．3 计算结果分析

5．3．1 水压对管片内力的影响分析

5．3．2 侧压力系数对管片内力的影响分析

5．3．3 拼装方式的影响

5．4 小结

结论及展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及参与科研项目