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复杂地质环境下盾构隧道荷载作用模式研究

张杰  
【摘要】:我国人口较多,经济发展迅速,城市交通对居民生活和城市发展有着重要影响,而轨道交通是解决城市交通拥堵的有效方法。城市地铁隧道处于复杂的水土环境下,如果隧道上覆土层性质较差,那么全土柱法与实际结果就会存在较大差异。此外,由于风化以及水体软化作用,隧道上覆土层的成拱能力较差,因此包括太沙基理论以及普氏理论的适用性就值得思考;当盾构隧道穿越复杂多变地层时,隧道所受的水土压力也因地质条件过于复杂而无法准确计算。由于盾构隧道所处的复杂水土环境,如果按照既有的经典理论进行隧道设计时,理论与实际情况存在着较大的差异。本文以济南地铁R2线为依托工程,选取2个具有代表性的复杂断面,实测作用在管片上的水土压力。分析了复杂地质环境下盾构隧道管片水土压力的大小、变化规律和分布特征;对比分析了常用理论计算方法与实测值的差异,评价了复杂多变地层隧道竖向土压力与侧向土压力的取值方法;提出了基于极限状态理论的滑移线场法求解隧底土压力的方法,分析了复杂地质环境对荷载作用模式的影响;采用数值模拟的方法分析了内力计算值与实测值的差异。具体研究内容如下:1.根据济南地铁R2线的实际工程地质条件,选取2个复杂断面,采用柔性土压力计和孔隙水压力计来监测现场水土压力,通过预浇筑的方法将测试元件固定在管片外表面。通过分析监测得到的数据,可以为今后的盾构隧道管片水土压力现场实测提供参考。2.将现场实测数据与全土柱法、太沙基松动土压力法的计算结果进行对比分析,结果表明:(1)隧道上覆土层为软黏土或者粉质黏土时,当覆土厚度大于2.57D(D为管片外径)时,已经产生土拱效应,应当采用太沙基松动土压力计算;而对于覆土厚度小于1.59D的隧道来说,采用全土柱法较为合适;(2)实测表明,盾构隧道衬砌结构两侧的土压力并不对称,以目前应用最为广泛的修正惯用法为例,此法计算的土压力值明显偏大,与实测值的最大差值出现在隧道底部;(3)断面1(H=2.57D)与断面2(H=1.59D)的实测水压力大小与理论静止水压力大小基本一致,断面1的实测水压力与理论静水压力大小更为接近,但是在隧道底部相较于其他位置偏差略大。3.针对隧底土压力的求解,提出了基于极限状态理论的滑移线场法。将此计算方法与修正惯用法以及实测值进行对比分析,结果表明,本文所提出的计算方法得到的土压力值与实测土压力的大小较为一致,相较于隧顶垂直土压力与侧向土压力,基底土压明显偏小。纵观所有测点,断面1土压力计算值与土压力实测值的最小误差仅为1.0%,平均误差为9.9%。断面2土压力计算值与土压力实测值的最小误差仅为1.2%,平均误差为6.1%,可见,本文提出的荷载计算方法更符合隧道的实际受力。此外,从竖向土压力、侧向土压力和隧底土压力3个方面分析了复杂地质环境对荷载作用模式的影响。4.通过Flac3D软件进行数值分析,采用两种不同的荷载分布模式,分别建立断面1和断面2的数值模型,通过比较分析模型内力计算值与实测值后发现:采用分布模式一计算时,断面1平均误差为12.6%,断面2平均误差为14.5%;采用分布模式二计算时,断面1平均误差为10.1%;断面2的平均误差为8.2%,故采用荷载分布模式二进行设计时较为合理。


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