邻近地层扰动下盾构隧道衬砌结构变形响应特性研究

摘要

本研究围绕邻近地层扰动下的盾构隧道衬砌结构响应变形特性展开，首先建立钢筋、螺栓、凹凸榫、界面摩擦和混凝土管片共同作用的单环衬砌精细化数值模型，系统分析了上方加载和上方卸载工况下盾构隧道变形模式、弯矩和轴力、裂缝、受拉钢筋应力、螺栓应力、混凝土压应变等结构响应特性及其内在联系;引入塑性铰理论，揭示了隧道变形破坏机理，并提出了不同工况下的施工控制指标;探明了不同工况下的结构响应特性和破坏过程的异同。其次，建立钢筋、螺栓、凹凸榫、界面摩擦和混凝土管片共同作用的三环衬砌精细化模型，分析了剪切荷载作用下环间剪力、最大错台量、螺栓应力和螺栓孔处混凝土压应变;揭示了隧道纵向剪切刚度变化规律及原因，并通过与理论计算对比确定剪切刚度修正系数分布，运用数理统计方法获得了剪切刚度修正系数合理取值范围和最优值。最后基于隧道纵向铁木辛柯梁简化模型，选取合理的隧道剪切刚度修正系数，建立了上方长距离基坑开挖引起的隧道变形解析模型，分析上方长距离基坑开挖引起的共线隧道变形规律，并探讨了长距离基坑开挖对下方隧道上浮变形和渗漏水的影响机制。主要研究成果如下：　　(1)揭示了上方加载工况隧道衬砌结构变形响应特性及破坏过程。研究表明：上方加载工况的收敛变形一直处于“横鸭蛋”模式，竖向收敛变形随着荷载的增加而增加。弯矩和轴力也随着荷载的增加而增加，且作用方向不发生改变;因此螺栓、钢筋和混凝土的受力状态和分布未发生改变。上方加载工况的裂缝主要出现在加载阶段，且裂缝仅沿纵向贯通，未沿厚度方向贯通。上方加载工况结构收敛变形可分为：线性增长、拟线性增长、非线性增长阶段和破坏阶段。结构刚度随着荷载的增加而持续降低，但各阶段造成刚度损失的原因却不同。上方加载工况下导致线性增长阶段、拟线性增长阶段、非线性增长阶段及破坏阶段刚度损失的原因分别是混凝土处于塑性受拉状态、大量裂缝集中出现和受压区混凝土应力应变关系进入下降阶段、塑性铰形成、受压区混凝土压溃。　　(2)揭示了上方卸载工况隧道衬砌结构变形响应特性及破坏过程。研究表明：上方卸载工况加载阶段的结构收敛变形处于“横鸭蛋”，随着荷载的减小逐渐转变为“竖鸭蛋”。上方卸载工况加载阶段弯矩和轴力大小随着荷载的增加而增加，卸载阶段则随着荷载的减小而先减小后增加，且弯矩作用方向发生改变，进而导致螺栓、钢筋和混凝土的受力状态和分布均会发生改变。因此上方卸载工况加载阶段和卸载阶段均出现裂缝，且新旧裂缝沿厚度方向贯通，所以相比于上方加载工况，上方卸载工况更容易产生渗漏水。上方卸载工况的结构收敛变形也可分为：线性增长、拟线性增长、非线性增长阶段和破坏阶段。在线性增长阶段、拟线性增长阶段和破坏阶段两种工况结构刚度变化规律及其原因均相同;但在非线性增长阶段，由于受力状态发生改变，混凝土刚度恢复，结构刚度显著增加，其后又因裂缝大量出现和塑性铰形成持续减小，与上方加载工况有很大区别。　　(3)提出了塑性铰个数超过结构超静定次数是结构发生破坏的机理。即对于单环衬砌结构，形成4个及以上塑性铰是导致结构发生破坏的根本原因。在此基础上，明确了上方加载工况结构收敛变形应小于为59.50mm，上方卸载工况卸荷比应小于0.68。对比塑性铰形成过程，发现上方卸载工况结构破坏的荷载持续范围远小于上方加载工况的，因此上方卸载工况的破坏过程更接近“脆性破坏”，工程实践中应当予以重视。　　(4)明确了隧道纵向剪切刚度修正系数ξ的合理取值范围和最优值。通过数值模拟建立钢筋、螺栓、凹凸榫、界面摩擦和混凝土管片共同作用的三环管片精细化模型，分析剪切荷载作用下的隧道剪切刚度变化规律，通过与理论计算对比，得到剪切刚度修正系数分布范围在[0.2，1.1];基于数理统计方法得到的合理取值范围为[0.4，0.8]，最优均值分布为[0.64，0.68]。　　(5)建立了上方长距离基坑开挖引起的隧道变形解析模型，探明了长距离基坑开挖下隧道结构及接缝变形机制。该模型将土与隧道相互作用简化为作用在Winkler地基上的铁木辛柯梁，利用叠加原理将其用于工程实例分析。研究表明：该解析模型能较好地预测上方基坑开挖引起的隧道变形;隧道渗漏水位置并非位于隧道上浮变形最大处，而是位于接头张开量最大处与接头错台变形最大处之间;因此实际工程中不应仅关注隧道总变形，同时应关注差异沉降引起的接缝张开及错台变形。虽然隧道变形中剪切变形最大占比约为21.41%，但其引起的接缝错台变形较为显著，其对接缝防水有重要影响，理论分析中不容忽视。

目录

声明

第1章绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.2.1 盾构隧道衬砌横向受力及变形特性

1.2.2 盾构隧道衬砌纵向受力及变形特性

1.2.3 土与隧道相互作用理论模型

1.3 研究目的

1.4 研究内容

1.5 技术路线

第2章上方加载工况盾构隧道横向结构变形响应研究

2.1 引言

2.2 有限元模型建立

2.2.1 几何模型

2.2.2 本构模型及参数

2.2.3 边界条件及相互作用

2.2.4 荷载工况

2.3 上方加载工况横向结构响应特性

2.3.1 模型验证

2.3.2 弯矩和轴力

2.3.3 裂缝

2.3.4 受拉钢筋应力

2.3.5 螺栓应力

2.3.6 混凝土压应变

2.3.7 接缝张开量

2.4 隧道衬砌变形破坏机理

2.4.1 结构响应特性间的内在联系

2.4.2 破坏机理

2.4.3 结构收敛变形和刚度变化

2.5 小结

第3章上方卸载工况盾构隧道横向结构变形响应研究

3.1 引言

3.2 有限元模型建立

3.3 上方卸载工况结构响应特性

3.3.1 隧道变形模式

3.3.2 弯矩和轴力

3.3.3 裂缝

3.3.4 钢筋应力

3.3.5 螺栓应力

3.3.6 混凝土压应变

3.4 上方卸载工况结构破坏过程

3.4.1 塑性铰形成及卸荷比

3.4.2 结构收敛变形和刚度变化

3.5 不同工况结构响应特性及破坏过程对比

3.5.1 隧道收敛变形模式

3.5.2 弯矩和轴力

3.5.3 裂缝发展过程

3.5.4 塑性铰形成

3.5.5 结构刚度变化

3.6 小结

第4章盾构隧道纵向环间剪切变形特性分析

4.1 引言

4.2 有限元模型建立

4.3 计算结果

4.3.1 环间剪力

4.3.2 最大错台量

4.3.3 螺栓应力

4.3.4 混凝土应变

4.4 环间剪切特性分析

4.4.1 纵向剪切刚度

4.4.2 纵向剪切刚度修正系数

4.5 小结

第5章上方长距离基坑开挖引起的共线盾构隧道变形

5.1 引言

5.2 上方基坑开挖引起隧道变形解析模型

5.2.1 基坑开挖引起的隧道附加应力

5.2.2 土-隧道相互作用模型

5.3 工程实例分析

5.3.1 工程概况

5.3.2 结果分析

5.4 小结

结论与展望

本研究的主要结论

创新点

进一步研究的建议

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文及科研情况