盾构隧道管片病害安全评估及背后空洞注浆影响规律研究

作     者：刘炽 

作者单位：长安大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赖金星

授予年度：2014年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：盾构隧道 管片病害 安全系数 裂缝 背后空洞 应力集中系数 壁后注浆 影响规律 

摘      要：管片作为盾构隧道的主要受力构件，在施工和运营过程中承担着盾构机的顶推力、围岩压力、注浆压力和地下水压力等，是隧道防水、防火和耐久性等综合性能的保证。受施工工艺、运营荷载及所处运营环境的影响，管片可能出现空洞、裂缝、破损、错台、上浮等病害。为保证隧道的安全性，总结空洞及注浆对隧道结构的影响规律，本文通过理论推导、数值分析和现场监测等方法，对病害管片的安全性进行验算，并建立地层—结构模型，分别对管片背后空洞及壁后注浆的四种不同工况进行分析，结合工程实例，得出如下结论： 1对隧道的力学状态进行模拟，得出结构的轴力、弯矩等参数，并编写安全系数计算程序，计算管片各截面安全系数，根据安全系数、承载能力和裂缝宽度评判结构的安全性。而后采用solid65单元对管片裂缝的开展规律进行了研究，研究表明：当荷载大小处于2.5倍设计荷载和4倍设计荷载之间时，裂缝数量与荷载的关系接近S曲线。 2对不同工况的空洞进行模拟，分析空洞对隧道结构的影响，得出：对于相同尺寸不同位置的空洞，当其位于隧道中部附近时，对结构的力学状态影响最大;对于相同位置不同尺寸的空洞，当空洞尺寸大于0.5*0.5m时，安全系数低于规范要求，且此后安全系数降低较快，当空洞大于1.5*1.5m时，结构破坏。 3基于修正的达西定律推导了粘性土中浆液的半球面扩散公式，结合数值模拟，得出：对于相同压力不同部位的注浆，管片顶部与底部的注浆对管片力学形态影响较大;对于相同位置不同压力的注浆，随着注浆压力的减小，轴力、弯矩和管片上浮位移量均减小，当注浆压力为0.3MPa时，管片的轴力、弯矩与设计工况相当，仅控制截面发生小角度的旋转。 4通过现场监测成果与模拟结果的对比分析得出：地表位移的模拟结果与工程实际相差较大，而管片位移与模拟结果一致，仅量值存在较小差异。而后改变模拟方法，获得较好效果。