高水压下大直径泥水盾构隧道结构响应特征与安全性评价

作     者：耿哲 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李树忱

授予年度：2019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：越江盾构隧道 大直径 双层衬砌结构 响应特征 安全性评价 

摘      要：现今,随着我国轨道交通建设的蓬勃发展和盾构隧道技术的不断完善,穿江越海隧道开始大量兴建,凭借其不受气候条件影响,抵抗战争破坏强以及不影响航运等特点,日益成为地区甚至国家间的交通命脉。由于穿江越海隧道存在高水压、长距离、大直径以及地质条件复杂等问题,单层衬砌已无法满足工程需求,双层衬砌结构开始被采用,同时隧道衬砌结构的载荷状态也更加难以判别,研究高水压下盾构隧道双层衬砌结构的受力特性和位移响应,对评估结构的安全性十分重要。本文依托武汉地铁8号线越江盾构隧道工程,建立了双层衬砌的壳-连接器模型,对双层衬砌结构的受力情况和位移响应展开研究。本文主要研究内容和成果如下:1.针对该工程特有的高水压、大直径和上软下硬地层等工程难点,提出了与实际工况更为符合的荷载取值方法。该方法根据地层土体性质,结合开挖不均匀地层造成的影响宽度,优化了复合地层条件下土压力的计算公式;基于渗流理论对高水压条件下的水压力计算公式进行了改进,提高了计算水土压力的精准性。依据所得水土压力,建立了简化的盾构顶推力计算模型,推导了大直径泥水盾构顶推力的非线性动力计算公式,对比实测数据,验证了计算公式的正确性,进而确定了荷载取值方法的可靠性。2.对现有的盾构隧道衬砌结构计算方法进行深度剖析,建立了一种改进的壳-连接器模型,该模型采用连接器单元模拟层间作用机理和管片接头,连接器单元可设置不同方向的非线性刚度和位移失效准则,大大提高模拟的准确性。将典型断面的地层参数和衬砌参数赋予模型,对其进行数值模拟和计算分析,对比分析施作二次衬砌前后管片衬砌受力特性和位移响应的变化情况,确定了二次衬砌对管片衬砌的影响,将模拟结果与现场监测数据对比,验证模型的可靠性和精准性。3.在已建立数值模型的基础上,分别以衬砌参与承载比、二次衬砌厚度和二次衬砌混凝土等级为单一变量,阐明了二次衬砌联合承载的必要性,验证了二次衬砌的安全储备功能,总结了衬砌参与承载比、二次衬砌厚度和二次衬砌混凝土等级对衬砌结构受力特性和位移响应的作用机理和影响规律,并对该工程二次衬砌的设计参数提出了安全性评价。