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软土地区运营地铁盾构隧道结构变形及健康诊断方法研究

叶耀东  
【摘要】: 盾构隧道是由单块管片通过纵向和环向螺栓连接起来的装配式结构,软土地区的地铁盾构隧道在运营以后,由于地质条件、地面超载、邻近工程施工、大面积地面沉降等多种因素的共同作用,隧道结构纵向发生大范围较为明显的不均匀沉降,横向产生收敛变形。这种纵向不均匀沉降和横向收敛变形导致隧道环缝和纵缝张开、螺栓应力增大、接缝渗漏水等现象,对盾构隧道的承载能力和使用功能产生不良影响,使隧道结构健康状况恶化。如果局部接缝处的螺栓应力超过其极限抗拉或抗剪强度时螺栓将被拉断或剪断,可能造成整个盾构区间隧道的破坏。 如何选取适于软土地区的、能够全面反映盾构隧道受力特点的、并综合考虑使用功能的健康参数和诊断模型,进而对运营阶段地铁盾构隧道的健康状况作出较为准确的评价,是本论文研究的主要目的。 本文的主要内容有: 1.综合运用实测数据和有限元软件,对软土地铁隧道纵向不均匀沉降原因进行了系统总结和分析; 2.选取三次B样条方法对隧道纵向累计沉降曲线进行拟合,利用三次B样条曲线二阶导矢连续的特性,解决了拟合曲线在曲线连接点处曲率的连续性问题,克服了以往人工计算隧道曲率半径在效率和准确性方面的缺陷;并在此基础上,推导了隧道纵向变形曲率与纵向螺栓拉应力、相对弯曲与纵向螺栓剪应力之间的关系; 3.对隧道横断面收敛变形曲线运用三次B样条曲线进行拟合,提出隧道横向弯曲率的概念,运用变形前后断面测点的曲率半径对隧道的横向变形程度进行标定;并在此基础上,推导了隧道横向弯曲率与环向螺栓拉应力之间的关系; 4.根据力学分析结果,提出基于曲率的软土盾构隧道损伤识别方法,对软土地铁盾构隧道的损伤等级进行划分;在此基础上,综合运用模糊综合评判、层次分析法和模式识别理论,从隧道结构的承载力极限状态和正常使用极限状态出发,给出了盾构隧道的健康诊断参数,划分了隧道的健康等级,提出了软土运营地铁盾构隧道的健康诊断模型; 5.结合上海地铁2号线工程,运用本文提出的健康诊断模型对盾构隧道结构进行健康诊断,工程应用的结果表明,本论文提出的模型对软土地区运营地铁盾构隧道的健康状况评价提供了一种有效的方法。


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