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盾构隧道的环境效应及结构性能研究

齐静静  
【摘要】: 盾构隧道在施工过程中不可避免地对周围土体产生扰动,进而危及周围邻近建(构)筑物及其基础和地下管线等的安全和正常使用。另一方面,基坑开挖、地表加卸载及隧道近距离穿越等工程建设会引起邻近地铁隧道的附加变形,过大的纵向变形会使隧道环缝张开过大而漏水或管片纵向受拉破坏。因此,较准确地预测隧道盾构法施工所引起的环境效应,并对隧道纵向变形性态进行准确预测具有较大的工程实际意义。本文首先较详尽地叙述、分析了有关这两方面问题的研究现状,指出它们的优缺点,并在此基础上做了如下工作: (1)引入源汇法对盾构施工中土体削减引起的周围土体位移和附加应力进行研究。通过分析四种不同的土体位移模式对位移计算的影响,利用更加符合实际的椭圆形非等量径向土体位移模式,推导出半无限空间中三维土体变形计算公式;在位移计算公式基础上利用弹性理论推导出土体削减引起的附加应力计算公式,并通过算例对其分布规律进行探讨。 (2)对随机介质理论计算中参数的取值进行研究,提出适用于不同土层的参数计算公式;引入椭圆形非等量径向土体移动模型,对随机介质理论进行改进,改进后的公式可较准确地计算土体内部各点的三维变形。 (3)利用弹性力学Mindlin解对正面附加推力和盾壳与周围土体之间摩擦力引起的土体三维变形和附加应力进行分析;假定土体不排水固结,基于盾构横截面位置的变化,提出盾构偏航引起的土体位移计算解析公式;把注浆过程看作土体削减作用的逆过程,推导出注浆引起的周围土体位移和附加应力计算公式,并结合工程实例,通过实测数据和有限元分析结果进行对比验证。 (4)把盾构隧道等效为具有相同刚度和结构特性的均质连续梁,考虑环缝影响范围和横向刚度有效率的影响,推导出不同环缝影响范围下隧道的纵向等效弯曲刚度、纵向等效拉压刚度的计算公式,建立起改进的纵向等效连续化计算模型。 (5)以盾构隧道所属的无限长梁,结合等效弯曲刚度的计算公式,考虑地基的剪切效应和隧道-土体之间的相互作用,推导出隧道纵向变形问题的连续弹性解的解析公式。 (6)根据弹性力学Mindlin解推导出上部加(卸)载引起的隧道附加荷载计算公式,并对其分布规律和影响因素进行研究;利用Mindlin解推导出加(卸)载引起隧道轴线处土体的变形计算公式,在此基础上,结合连续弹性解,对隧道纵向变形进行求解。通过某工程实例,将本文方法的计算结果与Winkler弹性地基梁模型和有限元方法的结果进行对比验证。 (7)应用源汇法基本原理,通过数值积分的方法得到了单桩压入时桩周土体的位移场和应力场计算公式;以挤土产生的位移场为基础,利用连续弹性解对静压桩施工引起的隧道纵向变形进行分析;通过算例对本文理论方法的计算结果和三维有限元软件MIDAS/GTS的结果进行对比验证。 (8)利用土体削减引起周围土体附加应力的源汇法计算公式,分别研究平行隧道和垂直交叉隧道施工引起的相邻隧道上附加荷载的分布规律及其影响因素;结合连续弹性解对隧道的纵向变形特性进行求解,通过算例对不同情况下,隧道纵向变形的分布规律及其影响因素进行分析。


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