盾构掘进姿态对隧道管片衬砌结构受力特性的影响及机理研究

During shield tunneling, jack thrust force, shield contact force, et al. acting on segment are named as construction loads usually. Many shield tunnel sites showed that construction loads influence the tunnel segment linings greatly. When shield driving especially under deflection of shield attitude, too large construction loads may damage the erected segment linings. Therefore, it is important for the design of segment to investigate the influence due to construction loads in detail. Present researches usually focused on the influence of fixed construction loads to segment lining. However, shield driving is a dynamical process influenced by shield attitude. Shield construction loads also change shield driving. To clear the influence of the changing construction loads, the shield-segment interaction model is proposed. This model is composed of two parts. The first part is used to simulate the shield attitude under shield operation. When the shield attitude is solved, the shield contact force can be estimated. To combine with jack thrust force, shield construction loads are input to the segment model in FEM. Then the mechanical characteristics of segment lining can be calculated. Furthermore, since the extended finite element method (XFEM) is a new and effective method for analyzing discontinuity problem such as fracture problem, the capability of the shield-segment interaction model is improved by integrating with the XFEM modular. Based on the improved model, the mechanism of crack growth process in the segment under too large construction loads can be analyzed. Finally, a simple but practical segment lining model which consider the influence of construction loads will be proposed.

众多盾构隧道工程实践表明，盾构姿态控制不良导致的千斤顶偏心推力、盾尾挤压管片的作用力等施工荷载是引起管片衬砌结构破损的主要原因，有必要对其影响展开定量的研究。然而，施工荷载是动态变化的，现有的研究假定荷载固定不变的做法不能全面反映其对管片结构受力特性的影响。为此，本项目基于盾构姿态动力学模型及有限元法，建立盾构-管片环相互作用模型，将无法直接量测的盾尾作用力通过盾构姿态动态模拟得到，和千斤顶推力一起作为已知荷载施加到管片衬砌结构模型上，动态计算管片衬砌结构的应力及变形特性。进一步地，考虑纠偏等非常态工况，在盾构-管片环相互作用模型中引入扩展有限元理论，研究千斤顶大偏心推进等情况下管片结构裂缝开展的机理。此外，针对实际的盾构施工现场，进行盾构施工参数、姿态参数和衬砌结构变形的现场监测，为模型验证和计算结果的可靠性提供依据。最后，提出考虑施工荷载影响的管片结构实用化计算模型。

大量隧道衬砌管片在施工期间出现破损、错台等问题，严重影响了地铁隧道的使用寿命，众多工程实践表明，盾构姿态控制不良导致的千斤顶偏心推力、盾尾挤压管片、注浆压力等施工荷载是引起管片衬砌结构破损的主要原因，定量研究施工荷载下盾构隧道管片的力学响应已经成为一个亟待解决的问题。.本课题主要从以下三个方面对盾构隧道衬砌管片在施工期间的力学响应进行分析：.（1）施工荷载现场监测。依托重庆轨道交通环线一期上桥站～凤鸣山区间隧道工程，选择典型监测断面和监测点，分别布设土压力计、钢筋应力计、收敛计、沉降标，全站仪等，对盾构掘进过程中的千斤顶推力等施工荷载及管片受力变形进行了现场监测。通过对现场监测数据的整理分析，得到施工过程中施工荷载和管片受力变形的变化规律。.（2）考虑施工荷载的管片-地层相互作用有限元模型开发。基于ANSYS的二次开发APDL语言，考虑施工荷载变化规律，管片间接头及环间接头效应，管片与地层的相互作用，建立三维有限元模型，为定量分析施工荷载对管片力学响应的影响奠定基础。.（3）不同施工荷载对管片力学响应的影响分析。运用考虑施工荷载的管片-地层相互作用有限元模型，对工程中可能遇到的小曲率半径施工工况进行模拟分析，通过改变单一施工荷载量值的参数敏感性分析，得到不同施工荷载对管片力学响应的影响规律。.根据施工期间管片力学响应的现场监测结果及有限元分析结果，总结出盾构施工荷载对管片结构力学响应的影响规律，主要结论为：.（1）千斤顶推力的变化对管片的轴力会产生巨大的影响，当管片环在纵向接头处存在错台时，千斤顶推力会使管片边缘出现应力集中。另一方面，千斤顶推力可以提高隧道在纵向的整体刚度，使得管片环变形量减小。.（2）千斤顶偏心推力会使管片承受一定的力矩，当力矩较大时，管片在隧道轴向的受力将发生巨大变化，同时管片环在力矩的作用下会发生错移，使得管片与管片之间以及环与环之间都会产生错台；另外，千斤顶偏心推力容易在管片与管片接头的角部产生应力集中现象，导致管片的破坏。.（3）均匀的注浆压力会影响隧道的整体变形，使得管片轴力增大。不均匀的注浆压力对管片的影响要比均匀注浆时大，不均匀注浆会导致管片接头张开、管片与管片之间产生错台以及管片上浮现象。.（4）在盾壳的挤压下，管片局部承受巨大的压力，产生应力集中现象，导致管片内侧受拉。当盾壳挤压变形达到一定数值时，管片的拉应力超过混凝土的抗拉强