全断面灰岩盾构隧道不同拼装方案的性能研究

发布时间：2020-10-09 21:53

　　据统计,我国碳酸盐岩分布面积高达国土面积的三分之一,在城市化全面而迅速发展的背景下,灰岩地区城市轨道交通建设的工程问题日益凸显。由于灰岩地层岩溶状况复杂多样,加上地铁建设中广泛应用的盾构技术在封顶块位置的设置上仍缺乏规范和依据,对于全断面位于灰岩地层的盾构隧道,很难在设计阶段凭借勘察资料通过计算制定出一整套完备的管片拼装方案。因而,对于施工过程中如何针对实际地质状况合理调整管片拼装方案的问题,盾构隧道不同拼装方案的衬砌性能研究具有十分重要的意义。鉴于此,本文开展了如下的研究工作:关于灰岩地层非岩溶发育区不同拼装方案的性能研究,本文按照“左右对称、两环一循环”的原则,通过拼装点位的控制制定各种拼装方案,再利用岩土通用有限元软件Midas GTS NX建立三维有限元模型进行模拟分析。研究结果显示:衬砌管片在接头位置都会出现一定程度的应力集中,与错缝拼装相比,通缝拼装在接头处的应力集中程度更高;对于衬砌管片接缝处的径向错台,错缝拼装在各试验方案中的性能差异相对较小,而通缝拼装则很大程度上受拼装点位影响,但错缝拼装条件下临近隧道拱底或拱腰的T形接缝容易出现较大的径向错台,是接缝防水工程需要关注的薄弱区。关于灰岩地层岩溶发育区不同拼装方案的性能研究,本文先对隧道下方或侧边较为可能出现的岩溶工况进行初始地应力分析,根据初始应力分析结果制定岩溶区管片拼装试验方案,对不同岩溶工况下的不同拼装方案进行研究。研究结果显示:溶洞尺寸增大或距离减小都加剧其对隧道围岩初始应力的影响,且两者对隧道衬砌结构变形、位移及接缝状况的影响都很相似;溶洞的发育会导致上部岩土体发生卸载,两侧岩体则发生应力集中,因而当溶洞位于隧道下方时,隧道围岩初始应力受到溶洞的影响越大,隧道整体变形越小,而当溶洞位于隧道侧边时情况则刚好相反;溶洞的发育影响隧道上下或左右两侧围岩的初始应力差,因而对隧道整体位移也有所影响;衬砌管片不同的拼装方式影响衬砌结构各部位与围岩的刚度分配,具体不同岩溶条件下各方案在变形、位移、接缝等方面的性能文中也做了详细的对比。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U455.43
【部分图文】：

分布图,分布图,突涌,岩溶水

（b）中国岩溶环境地质分布图 1-1 国内外岩溶地质分布图溶岩分布地区修建隧道工程，常见工程问题有：1）岩溶发育复杂，溶洞及暗河上下交错迂回、通道发达，或是遇到大型溶洞厅长宽可达百米、高达几十米），使施工艰巨、处理异常困难。2）溶洞发育区岩石节理、裂隙发育易于破碎，或溶洞填充物松软，在施工塌。3）施工过程中遭遇水囊或者暗河造成岩溶水突涌或泥沙涌流，淹没坑道、响隧道施工进度，严重时甚至造成重大人员伤亡。中，岩溶水突涌是施工过程中最常见、最严重的一种地质灾害和安全隐患成人员伤亡，还可能引起地面塌陷和地面沉降、造成水资源流失和枯竭、等。即使是已经投入运营的隧道，岩溶水渗漏和突涌也时有发生[14, 15]。

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图 2-1 盾构隧道管片拼装效果图2.3 模型建立Midas GTS NX 是针对岩土及隧道结构的分析和设计而开发的岩土隧道结构专用有限元分析软件，程序提供了摩尔库伦（Mohr-Coulomb）、修正摩尔库伦（ModifiedMohr-Coulomb）、邓肯-张（Duncan-Chang）等十来种本构及自定义本构模型，并支持应力分析、动力分析、渗流分析、应力-渗流耦合分析、边坡稳定分析、衬砌分析和设计功能，被广泛应用于地下结构、隧道、岩土、水工、地质、矿山等方面的科研与工程评估。本章采用 Midas GTS NX 对位于灰岩地层的盾构隧道进行三维建模，分析比较管片在各种组合形式下衬砌结构在各方面的性能。2.3.1 工程背景2.3.1.1 工程概况

应力空间,屈服面,模型,岩土材料

（a）（b）图 2-4 Mohr-Coulomb 模型在应力空间的屈服面2.3.3.2 材料计算参数根据广州地铁九号线某一区段的勘察报告及设计资料，本文所建模型的岩土材料及盾构隧道结构材料参数见表 2-2：表 2-2 岩土材料及盾构隧道结构参数表名称天然重度（ēN ）层厚（m）粘聚力（kPa）内摩擦角（°）泊松比弹性模量（MPa）素填土 20.7 3.2 18 14 0.33 19细砂 20.4 3.3 0 28 0.25 25粉质黏土 18.9 2.1 20.4 9.7 0.32 19中砂 20 3.5 0 31 0.23 37

【参考文献】