盾构隧道管片衬砌结构漂移机理及力学行为分析研究

As a complex assembly structure, segmental lining always has partial or integral movement in horizontal or vertical direction during construction and operation period, because of the influences of uneven load or deformation, and the interaction between segmental lining and surrounding soil, grouting layer and adjacent structures. This kind of movement would endanger the structural integrity and safety operation, as it can bring about cracking, leakage, dislocation, local damage, or even transverse and longitudinal deformation to the segmental structure. In view of the above problem, taking theoretical analysis and similar model test as main methods, literature review, field investigations and numerical experiments as assistant methods, this project will deeply analyze the movement mechanism, deformation features, deformation models and interactive influences of various factors on shield tunnel segmental lining structure during construction and operation, and in turn, give the local, transverse and longitudinal indexes for the deformation control of segmental lining structure. The research results can provide theoretical guidance for the design, construction control and operation monitor of shield structure, meanwhile offer theoretical basis for the formation of related specifications.

管片衬砌这种复杂的拼装结构，在盾构隧道施工和运营中因受各种不均匀荷载或不均匀变形效应的影响，以及管片结构与周围土体、注浆层及临近构造物等之间复杂的相互作用，经常会发生沿管片衬砌结构水平或竖直方向的局部或整体漂移，进而造成管片结构开裂、渗漏、错台和局部损坏，以及各种横向及纵向变形，常常危及结构的完整性及运营安全。针对此问题，本项目拟采用理论分析、相似模型试验为主，查阅文献、现场调研、数值试验相结合的研究手段，系统深入研究施工及运营期盾构隧道管片衬砌结构的漂移机理，以及由此产生的变形特征、变形模式及变形机理，探讨各种因素的交叉影响，进而在分析施工期及运营期各类（可能）导致隧道结构漂移因素的基础上，给出管片衬砌结构局部、横向及纵向的变形控制指标。研究成果可为盾构结构设计计算、施工控制及运营监控提供理论指导，并为相关规范的制订提供理论依据。

盾构隧道修建过程中衬砌管片会出现管片漂移、螺栓受剪、管片渗漏水、管片局部破损等问题。其中螺栓受剪与管片渗漏水主要因管片漂移量过大，致使螺栓剪力过大、止水圈失效所致。因此，基于现场实测数据，针对盾构隧道管片衬砌结构的漂移机理及力学行为展开研究。在分析盾构隧道施工对周边地层扰动和影响漂移扰动因素的基础上，首先针对盾构隧道施工上行、下行及左右行驶时千斤顶推力偏角对管片的位移及应力影响进行分析，千斤顶偏角对于管片底部竖向位移影响程度与管片顶部竖向位移的影响程度相接近，对管片水平位移的影响远大于对管片竖直位移的影响，对管片最大主应力的影响远大于对管片最小主应力的影响。其次，建立压密（压滤）模型就浆液颗粒相较土体颗粒较大，浆液颗粒在渗透边界上沉积进而堵塞渗透通道，但浆液中的水体依然透过土体的现象进行理论分析；在假定管片主要受力为浆液泡压力和周围土体压力的前提下分析同步注浆作用下管片结构的受力机理，考虑浆液的加固效果（浆液的注浆范围）确定注浆压力的下限值，而考虑管片的螺栓抗剪强度或者单环管片螺栓抗剪强度的基础上得出注浆压力上限值；为合理选取浆液配合比，基于分形理论开展更加深入的理论分析，设计一维盾构隧道注浆模型试验研究了注浆浆液与地层之间的关系。最后，研究了深埋盾构隧道管片漂移对周边地层和建筑结构的影响，由于管片上浮、下沉和横向移动的诸多相似性，其分析方法和结论也有雷同，本项目分别就求解建筑结构位置与管片相距较远或较近的均布荷载和集中力对管片上浮问题的求解达到了管中窥豹的效果。