航道开挖卸载及岸壁构筑加载对跨海盾构隧道的影响研究

摘要

随着我国水下隧道不断的修建，部分早期修建的隧道由于当时技术条件或设计水平的限制，加上运营期内面临的各种施工活动或者不可预测的自然灾害，都开始出现了各种各样的问题。因此在隧道建造之前就关注隧道未来在运营期内可能遇到的状况并将其考虑到隧道的设计当中是非常必要也是亟待解决的问题。
　　本文的依托工程妈湾隧道在建成后运营期内将面临复杂的、大规模的航道开挖卸载以及岸壁构筑加载等扰动作用，在这样复杂的加卸载活动中应力传递机理难明，对运营隧道结构本身的结构变位、受力性能，接缝张开、防水性能等方面带来极大威胁，因此必须明确隧道在航道开挖卸载、岸壁构筑加载影响下的变化规律，保障盾构隧道在复杂扰动条件下运营期的安全。本文通过对妈湾隧道上方航道开挖卸载与岸壁构筑加载进行离心模型试验研究与FLAC3D数值模拟研究，并基于数值模拟进一步研究开挖宽度与开挖深度对隧道受力与变形的影响，主要得到以下结论:
　　(1)航道开挖会造成隧道隆起，并且随着开挖的进行，隧道的隆起值也不断增大。其中开挖中心处下方隧道的隆起值最大，在其后岸壁构筑的加载作用中，隧道的隆起值有所恢复，但加载区域下方隧道竖向位移由隆起转变为沉降。
　　(2)离心模型试验中管片的张开量随着航道的开挖逐渐增大，其中航道开挖中心处隧道管片的张开量最大，为1.98mm，在岸壁构筑加载的作用下该处的张开量有所减小。
　　(3)隧道的弯矩在航道开挖的过程中逐渐减小，其中开挖中心处隧道拱顶弯矩受影响最大，航道开挖卸载对隧道拱顶和拱底的弯矩影响较大，岸壁构筑加载作用对隧道拱腰的弯矩影响较大。
　　(4)随着航道的开挖，隧道的纵向拉应力也逐渐增加，其中开挖中心处隧道的拉应力最大。在随后岸壁构筑的加载作用中，隧道承受的最大拉应力继续增大;航道另一端非加载区域隧道的纵向应力受影响较小，但加载区域下方的隧道最终由受拉转变为受压。
　　(5)随着开挖宽度的增加，隧道的最大隆起与最大沉降均会增加;当开挖宽度超过200m时，隧道的竖向变形就基本不受开挖宽度的影响。当宽度小于200m时，纵向应力呈现为只有单一峰值的“单峰”形态，随着开挖宽度的增加，隧道承受的最大拉应力逐渐减小，最大压应力逐渐增大;当宽度大于200m时，隧道纵向受力形态开始为“双峰”形态，隧道承受的最大拉应力随着宽度的增加而增加，最大压应力随着宽度的增加而减小。
　　(6)隧道的最大隆起与最大沉降均随着开挖深度的增加呈非线性增加。航道开挖的深度对隧道开挖后的纵向应力影响比较小，但对加载后隧道的纵向应力影响比较大。其加载后的最大拉应力与最大压应力随着开挖深度的增加均有大幅地增加。

目录

声明

致谢

摘要

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 越江跨海盾构隧道调研

1．2．2 卸载对隧道的影响研究现状

1．2．3 加载对隧道的影响研究现状

1．2．4 小结

1．3 本文研究内容及思路

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究思路

1．4 本章小结

2 盾构隧道变形理论

2．1 盾构隧道变形的影响因素

2．1．1 隧道上部地表加载的影响

2．1．2 隧道上部地层开挖的影响

2．1．3 隧道近距离穿越

2．1．4 地质条件及自然因素的影响

2．2 盾构隧道纵向变形控制措施

2．2．1 隧道结构

2．2．2 隧道外部环境

2．3 盾构隧道纵向结构计算

2．3．1 纵向梁-弹簧模型

2．3．2 等效刚度梁模型

2．4 本章小结

3 航道开挖卸载及岸壁构筑加载离心模型试验研究

3．1 工程概况

3．1．1 航道规划

3．1．2 岸壁构筑

3．2 土工离心模型试验

3．2．1 概述

3．2．2 试验原理

3．2．3 基于量纲分析法试验参数的选定

3．3．1 土工离心机

3．3．2 模型试验装置

3．4 材料选取与尺寸设定

3．4．1 隧道

3．4．2 土体

3．5 监测方案

3．5．1 竖向位移

3．5．2 环向弯矩

3．5．3 纵向应力

3．5．4 接缝张开量

3．6 试验过程

3．6．1 工况设置

3．6．2 试验流程

3．7 试验结果分析

3．7．1 隧道变形分析

3．7．2 隧道受力分析

3．8 本章小结

4 航道开挖卸载及岸壁构筑加载数值模拟研究

4．1 模型假定与边界条件

4．1．1 模型假定

4．1．2 边界条件

4．2 数值模型与参数设定

4．2．1 数值模型

4．2．2 模型参数

4．3 数值模拟流程及结果分析

4．3．1 数值模拟流程

4．3．2 数值模拟结果

4．4 与离心模型试验对比分析

4．4．1 竖向位移

4．4．2 环向弯矩

4．4．3 纵向应力

4．5 航道开挖宽度与深度影响数值模拟研究

4．5．1 开挖宽度的影响

4．5．2 开挖深度的影响

4．6 本章小结

5 结论

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

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