深圳地铁7m盾构管片及螺栓受力现场测试及分析

摘要

盾构法修建地铁隧道是目前国内乃至世界运用最广泛的一种方法。盾构管片作为盾构隧道的最主要组成结构，是抵抗地层水、土压力以及一些特殊荷载的最重要屏障。盾构管片质量直接关系到隧道的整体质量和安全，但国内盾构管片接缝受力及连接方式设计的确定仍然处于过分依赖工程经验的阶段，对盾构管片实际接触力及连接螺栓受力变化的研究在国内相对较少。因此，盾构管片接缝力学行为的研究成为该领域的重要课题，盾构管片接触力及连接螺栓内力为管片接缝处最直接的反映，对其研究相当紧迫。
　　文章依托深圳城市轨道交通11号线南山～前海湾区间盾构隧道工程，开展盾构管片接缝受力及连接螺栓受力变形的研究，主要研究内容如下:
　　(1)介绍光纤光栅监测技术的原理及光纤光栅传感器在土木工程中埋设的技术难点，利用光纤光栅监测技术设计了满足盾构隧道施工现场实施条件的光纤光栅盾构管片接缝现场监测试验方案，并成功实施，收集到实际工程中盾构管片接缝受力的实际数据并进行分析。
　　(2)对盾构管片接缝及连接螺栓现场监测数据进行分析，分别对环向接缝、纵向接缝、环向螺栓、纵向螺栓应变变化规律进行对比分析，并运用胡克定律计算出管片接缝及连接螺栓的应力状态。基于数值模拟方法，运用MIDAS有限元软件，建立模拟盾构管片环在实际安装后的力学模型，并将模拟计算结果与现场实测数据及连接螺栓理论分析结果数据进行对比，吻合性较好。
　　(3)建立了盾构管片接缝受力的力学模型及连接螺栓在受主要影响因素下受力变形的力学模型，盾构管片接缝力学模型给出了接缝处受力与管片应力、应变的计算公式。针对管片接缝连接螺栓，运用结构力学的方法，分别推导了连接螺栓在承受管片接缝处剪切力、错台量以及管片接缝张开量的影响下，连接螺栓杆件所受弯矩的大小关系。
　　(4)运用MIDAS有限元软件，建立管片与管片之间通过弯螺栓连接的三维模型，分别在管片剪切力、错台量及接缝张开角三个因素情况下，计算螺栓的应力状态，得出以螺栓极限拉应力状态下，上述三种影响因素的极限值。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究的目的和意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 光纤光栅监测技术的国内外研究现状

1．3．2 盾构管片接缝的力学状态研究现状

1．4 研究依托工程概况

1．4．1 工程背景

1．4．2 盾构管片设计

1．4．3 连接螺栓设计

1．5 本文主要研究方法和内容

1．5．1 研究方法

1．5．2 研究内容

2 基于光纤监测技术的盾构管片受力监测方案设计

2．1 光纤传感技术基本理论

2．1．1 光纤结构及传输原理

2．1．2 布拉格光栅传感器测量原理

2．1．3 光纤光栅传感器的主要技术指标

2，1．4 光纤光棚传感器与其他传感器的比较

2．2 光纤传感器埋设技术研究

2．2．1 光纤传感器埋设的难点

2．2．2 光纤光栅传感器埋设方式

2．2．3 光纤光栅传感器埋设注意事项

2．3 盾构管片现场监测试验方案设计

2．3．1 监测试验的原理

2．3．2 现场监测试验的内容

2．3．3 监测断面的选择

2．3．4 监测项目传感器的布置方案

2．4 现场试验的实施过程

2．4．1 现场试验的准备工作

2．4．2 现场试验元器件的安装

2．4．3 盾构管片的现场安装过程

2．4．4 现场监测系统的连接及数据的收集

2．5 本章小结

3 盾构管片接缝及连接螺栓应力状态分析

3．1 盾构管片应力状态分析

3．1．1 盾构管片环缝应变变化分析

3．1．2 盾构管片纵缝应变变化分析

3．1．3 盾构管片接缝应力分析

3．2 连接螺栓应力状态分析

3．2．1 环缝连接螺栓应变变化分析

3．2．2 纵缝连接螺栓应变变化分析

3．2．3 连接螺栓应力分析

3．3 盾构管片接缝受力的数值模拟

3．3．1 计算模型的建立

3．3．2 计算参数的选取

3．4 数值模型的计算结果分析

3．4．1 盾构管片变形分析

3．4．2 盾构管片应力分析

3．4．3 盾构管片纵缝连接螺栓位移分析

3．4．4 盾构管片纵缝连接螺栓应力分析

3．5 本章小结

4 管片接缝力学模型研究

4．1 盾构管片接头结构分类

4．2 盾构管片接缝的力学模型

4．2．1 管片接缝力学模型建立的基本假设

4．2．2 管片接缝力学模型的建立

4．3 连接螺栓的力学模型

4．3．1 连接螺栓受力破坏因素分析

4．3．2 连接螺栓力学模型建立的基本假设

4．3．3 连接螺栓力学模型的建立

4．3．4 连接螺栓力学模型公式推导

4．3．5 连接螺栓初始拧紧状态力学模型

4．4 算例分析

4．5 本章小结

5 盾构管片连接螺栓受力数值分析

5．1 连接螺栓的受力影响因素分析

5．2 接缝处剪切力大小对连接螺栓影响分析

5．2．1 计算模型建立

5．2．2 计算结果分析

5．3 接缝处错台对连接螺栓影响分析

5．3．1 错台量的确定

5．3．2 计算模型的建立

5．3．3 计算结果分析

5．4 接缝处张开角对连接螺栓影响分析

5．4．1 接缝处张开角大小的产生

5．4．2 计算模型的建立

5．4．3 计算结果分析

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

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