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盾构隧道管片衬砌结构稳定性问题研究

郭瑞  
【摘要】:伴随着大批城市地铁盾构隧道和水下大型铁路、公路盾构隧道的建成,盾构隧道的长期安全稳定问题随之而来。目前盾构隧道衬砌结构设计理论主要从局部的管片混凝土的强度、混凝土的开裂以及接缝面的强度、接头的张开等方面进行检算,而对盾构隧道的整体失稳破坏问题缺乏考虑。实际工程中,软弱地层条件,管片结构材料性能退化以及人类活动的影响,比如近接建筑物的施工、抽取地下水等因素都会对整个盾构隧道的稳定性产生不良影响,而目前缺乏相关的理论判据,并且目前的相关研究甚少。论文结合国家重点基础研究发展计划(973计划)课题“复杂环境作用下地下结构的长期安全性及其预测方法”和国家自然科学基金青年基金“大断面盾构隧道管片接头力学行为研究”,主要采用理论分析、相似模型试验和数值分析等研究手段,对盾构隧道管片衬砌结构的稳定性问题进行研究,旨在揭示盾构隧道管片衬砌结构的失稳性态,探明盾构隧道管片衬砌结构的失稳破坏判定标准,主要工作和研究成果如下:1、针对目前我国存在的典型盾构隧道,即一般城市地铁盾构隧道和水下公路或铁路盾构隧道,采用数值分析的手段,对外直径分别为6m级、10m级、15m级的盾构隧道管片接头的抗弯性能进行了研究,给出了其盾构隧道管片接头的抗弯刚度设计建议取值范围。2、以外径10.8m的狮子洋水下铁路盾构隧道为研究对象,采用数值分析的手段,探讨了接头抗弯刚度对管片衬砌结构变形和内力的影响规律,建立了基于接头抗弯刚度-弯矩-轴力非线性关系的壳-弹簧管片衬砌力学计算模型,探明了与管片结构受力一致的管片接头抗弯刚度,对管片接头的工作性态有了较准确的把握,有利于优化设计3、采用非线性有限元稳定性分析方法,分析不同地层条件、不同接头抗弯刚度、不同拼装方式下的管片衬砌结构失稳力学特征,探讨了不同因素对盾构隧道结构稳定性的影响程度和影响规律。4、采用“盾构隧道-土层复合体模拟试验系统”,针对标准贯入度≤5的软弱粘土地层条件,开展了盾构隧道管片衬砌结构稳定性相似模型试验,揭示了接头抗弯刚度、拼装方式、管片刚度、地层空洞等不同因素对管片结构稳定性的影响规律,探明了盾构隧道管片结构的失稳性态。通过比较模型试验和数值分析的结果,提出了盾构隧道管片结构失稳破坏判断的建议。5、采用非线性有限元稳定性分析方法,研究特殊条件下的管片衬砌结构稳定性,包括局部地层抗力削弱情况、复合地层条件、地下水位变化以及长期地下环境作用引起的结构性能退化等,揭示了不同条件下管片结构的失稳机理和失稳性态。


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