盾构隧道衬砌结构的横向变形加固分析与试验研究

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1、盾构隧道衬砌结构的横向变形加固分析与试验研究第一章绪论1.1研究背景随着社会经济的持续高速发展，城市化进程的不断加速，大量的人口、资源日益向区域中心城市集中，城市规模不断扩大，城市人口急剧膨胀，从而引发了交通堵塞、环境污染、建筑空间拥挤、基础设施落后等一系列问题，这些都严重制约了城市经济和社会的进一步发展，成为现代城市可持续发展的障碍。因此，合理的开发和利用地下空间已成为解决城市人口、环境、资源三大危机的重要举措。地铁轨道交通因其具有能有效解决城市交通问题、促进城市建设、繁荣城市经济和加速实现城市的现代化的特

2、点，已成为21世纪城市地下空间开发的重点。根据相关统计[1]：截至2014年底，我国已有25座城市开通运营了地铁轨道交通线路，其中内地22座，港台地区3座。我国现有的地铁轨道交通运营线路总长度达到了3055.6km，运营车站达2027座。其中内地运营线路83条，运营线路总长度为2699.6km，运营车站共计1770座；港台地区运营线路17条，运营线路总长度为356.0km，运营车站共计257座。经有关预测和分析，本世纪将开创我国城市轨道交通的新纪元，地铁工程将进入越来越多的城市，因而对地铁隧道结构相关问题的研

3、究也越来越重要和紧迫。近年来，盾构隧道已成为地铁轨道交通的主要结构形式。随着隧道运营时间的延长，由于隧道衬砌结构所处环境复杂，受到周围地质变化、隧道两侧卸载、顶部堆载、行车动载等外界条件以及设计、施工、运营过程中各种因素的影响[2]，盾构隧道衬砌结构可能产生较大的横向变形，进而诱发管片开裂、管片错台、接缝张开、渗漏水和螺栓断裂等隧道病害[3]，如图1-1所示。隧道病害的产生会使运营隧道的可靠度降低，影响到盾构隧道的正常运营，若继续发展将带来严重的安全隐患，甚至酿成安全事故，隧道结构的过大变形将对盾构隧道的安全

4、运营和结构的安全可靠度造成极大影响。......1.2国内外研究现状隧道衬砌结构计算模型的选取，直接关系到对其进行相关力学分析时结论是否合理。长期以来各国学者对衬砌结构的计算模型进行了大量的研究。1922年，Hedash;采用GFRP管混凝土部件加固。GFRP因具有强度高、耐腐蚀、质量轻、不导电、材料可设计性强、成型方便以及价格低廉等优点正越来越多地被用于结构加固领域[55]。为了解GFRP管部件加固后，盾构隧道衬砌结构的横向变形的变化规律和加固效率，本章采用有限元软件ABAQUS建立盾构隧道三维有限元模型，

5、通过对GFRP管混凝土部件加固盾构隧道衬砌结构的数值模拟分析，探讨GFRP管厚度、截面高度和混凝土强度对其加固效率的影响规律，以期揭示GFRP管混凝土加固机理和加固效率，为工程实践提供理论支持。.....2.2隧道限界要求隧道是埋于地下的隐蔽性结构工程，其内部空间相对有限，为保证其正常运营，对内部的各构件尺寸都有严格的限制。根据地铁限界标准（CJJ96-2003）[56]中的强制性条文规定：在隧道的新建或续建工程中，任何沿线永久性固定建筑物，包括施工误差值，测量误差值及结构永久变形量在内，均不得向内侵入建筑限

6、界线。该标准中对地铁A型和B型车辆的建筑限界的规定分别如图2-1～图2-3所示。由图2-1～图2-3可知，隧道建筑限界最大为5200mm，而已建成的上海轨道交通隧道内径通常为5500m，外径为6200m，根据我国《GB50175-2013地铁设计规范》[57]要求隧道拼装成环后在外部荷载作用下，直径累计变化量小于0.5%D（D为盾构隧道外径），即变形控制限值为31mm。根据隧道限界标准，假定隧道横向变形超过变形控制值时对其进行加固，并考虑到加固后一定的安全储备，则地铁隧道内的加固支撑高度不宜超过100mm。.

7、....第三章隧道衬砌结构采用槽钢部件进行加固......363.1引言.....363.2数值分析模型.......363.3传统钢板环加固的影响因素分析.........383.4槽钢部件加固的影响因素及钢材节省率分析.....433.5局部加强型槽钢部件加固的影响因素..........533.6本章小结.......59第四章隧道管片接头采用槽钢部件进行加固......614.1概述.....61.2试件设计及组装....614.3测点布置与试验步骤....654.4试验结果与分析....734.5本

8、章小结.......79第四章隧道管片接头采用槽钢部件进行加固的试验研究4.1概述根据前文的数值模拟分析结果可知，本文提出了GFRP管混凝土部件和槽钢部件加固盾构隧道衬砌结构的方法，相对传统的钢板环加固法在加固效率和经济效益等方面均有较明显的优势。为了进一步验证其可行性，有必要对其开展相关的试验研究。因市场上流通GFRP管多为直管，若加工成加固所用弧形管，需重新开模，造价高昂；而槽钢不仅取材容易，且