复杂工况条件下错缝拼装盾构管片变形性能试验与仿真分析研究

摘要

现今，采用错缝拼装的通用管片形式已经在国内取得了广泛的应用，同时由于诸多的原因，某些采用此种管片形式的盾构隧道出现了结构及耐久性损伤。结构损伤会影响地铁线路的正常运营，尤其是整体变形不仅会影响到盾构隧道各项行车指标的变化，也会降低盾构管片结构的整体承载力，对盾构隧道的安全性和可靠度产生威胁。因此，通用管片的安全和使用性能受到了社会的广泛关注和运营单位的高度重视，通用管片隧道的变形机理和影响因素需要进行更深入的研究。
　　由于地铁隧道周边城市开发的滞后性，在地铁保护区范围内进行后期施工建设不可避免，尤其是紧邻隧道的深基坑施工会对盾构结构的安全性产生较为严重的影响。深圳1号线前鲤区间在国内较早地采用了通用管片结构，并且由于周边历史堆载和降水原因，管片结构已经产生了较为严重的收敛变形和损伤。同时，深圳前海交易广场深基坑工程上跨区间盾构隧道，其基坑施工活动会对该段区间盾构隧道的运营和结构安全产生较大的影响。该现状区间隧道能否承受后续的施工荷载变化需要验证和研究。
　　本文针对上述工程和研究需要，进行了如下方面的工作:
　　(1)错缝拼装整环足尺试验研究
　　结合前鲤区间历史原因造成的已有损伤，设计了包含前鲤区间200环及其邻近环的三环错缝拼装整环足尺承载力试验，确定了管片环正常使用和承载力极限受力变形状态，验证了盾构隧道在后续施工工况下的安全性和可靠性。
　　(2)三维非线性接触有限元仿真计算
　　同步建立了与管片试验一致的仿真模型，采用仿真重演方式进行了模型验证，通过对比分析阐述了试验管片结构的变形机理，明确了接缝位置形成塑性铰和管片环间作用对中环腰部收敛变形和破坏分布的决定性影响。对环间摩擦系数的敏感性进行了参数分析，并以此明确了管片结构的传力路径。
　　(3)盾构隧道变形影响分析
　　在试验仿真模型的基础上，分析了隧道顶部超载、侧向卸载、周边降水等不同工况以及封顶块不同拼装角度对盾构隧道的影响，明确了管片环顶侧加载力差值对收敛变形发展的控制性作用，以及封顶块的拼装方式对管片环变形性能的显著性影响。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究课题的提出

1．2 研究目的

1．3 国内外研究现状

1．3．1 国内外盾构隧道管片试验研究现状

1．3．2国内外盾构隧道管片计算模型研究现状

1．4 本文主要研究内容与创新点

1．4．2 本文主要研究内容

1．4．3 本文创新点

1．5 本文研究技术路线

2 盾构隧道管片错缝拼装整环足尺试验

2．1 试验背景

2．1．1 前海交易广场项目

2．1．2 前鲤区间概况

2．2 试验系统

2．2．1 试验管片

2．2．2 加载系统

2．2．1 测试系统

2．2．2 数据采集系统

2．3 试验荷载

2．3．1 水土荷载计算

2．3．2 试验荷载计算

2．3．3 荷载控制

2．3．4 试验荷载工况

2．4 试验结果及分析

2．4．1 管片收敛变形

2．4．2 管片内力

2．4．3 表面裂缝及破坏

2．4．4 纵缝张开及破坏

2．4．5 环缝错台及破坏

2．5 本章小结

3 非线性接触有限元仿真模型

3．1 非线性接触理论

3．1．1 接触计算理论

3．1．2 接触模式

3．1．3 接触性质

3．2 准静态计算

3．2．1 有限元计算概述

3．2．2 准静态计算

3．3 盾构隧道管片非线性接触模型建立

3．3．1 试验管片环几何模型

3．3．2 主筋与螺栓简化

3．3．3 混凝土本构模型

3．3．4 接触设置

3．3．5 加载方式

3．3．6 边界条件

3．3．7 网格划分

3．4 本章小结

4 足尺试验与仿真计算对比分析

4．1 仿真计算

4．1．1 荷载设置

4．1．2 分析控制

4．2 计算结果验证分析

4．2．1 整体变形趋势对比分析

4．2．2 腰部收敛变形对比分析

4．2．3 应力分布对比分析

4．2．4 接缝张角对比分析

4．2．5 环缝错台对比分析

4．3 变形破坏机理分析

4．3．1 接缝机理影响分析

4．3．2 环间作用影响分析

4．3．3 本节小结

4．4 本章小结

5 盾构隧道变形影响因素分析

5．1 周边工程施工影响分析

5．1．1 顶部超载工况

5．1．2 侧向开挖工况

5．1．3 周边降水工况

5．2 拼装方式影响分析

5．3 本章小结

6 结论及展望

6．1 本文主要结论

6．2 研究展望

参考文献

作者简历及科研成果