狮子洋水下盾构隧道错缝式拼装管片衬砌结构的原型试验

论文摘要

论文以狮子洋高速铁路水下盾构隧道工程为依托背景,结合铁道部重大科技研究开发计划,以大型水下盾构隧道管片环衬砌结构力学特征为研究对象,通过采用原型加载试验,数值模拟分析等多种分析手段,研究了错缝拼装方式下的管片衬砌结构在不同土压和水压,不同荷载模式下,以及各种拼装条件下的结构力学行为特征（包括结构的内力,变形,承载能力及破坏特征）,并求解了管片环的弯曲刚度有效率和弯矩提高率等结构关键参数,得出了一系列的研究成果,可为狮子洋高速铁路水下盾构隧道管片衬砌结构设计提供重要的参考。主要内容如下：1,试验中采用西南交通大学研制的“多功能盾构隧道结构体试验系统”对错缝式拼装管片衬砌结构进行了原型加载试验,以环箍导入轴力模拟水压的作用,以对拉导入弯矩,实现对盾构隧道管片衬砌结构在施工与运营期间实际水土压力的真实加载,正确反映水土压单独变化时对管片衬砌结构的作用特性。2,通过对错缝式拼装方式下的盾构隧道管片衬砌环的1：1原型加载试验,研究了在不同的荷载模式下,不同水压和不同土压的荷载作用下管片环结构内力的变化规律,以及各计算断面的内力状况；检测了结构在弹性阶段的内力,变形,纵缝张开量及承载能力,为管片配筋,接头形态,内衬等关键结构参数的优化提供了充分的依据；最后通过在高水压状态下管片衬砌环的破坏试验,研究了结构裂缝的发展状况及破坏特征,验证了管片衬砌结构的可靠性。3,通过有限元计算分析,并结合原型试验结果,对两者进行了对比分析,说明了目前采用梁-弹簧模型对管片衬砌结构进行内力计算,结果具备一定的安全储备,是合理有效的；然后还研究了盾构隧道各种拼装条件下的管片衬砌结构内力及变形,并对通缝与错缝进行了对比分析,明确了造成通缝与错缝出现最不利拼装方式的原因；并以“梁-弹簧模型”计算结果为基础,求解了管片环的弯曲刚度有效率和弯矩提高率等结构关键参数的合理取值范围。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 水下盾构隧道的发展状况
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 衬砌结构分析理论
• 1.2.2 衬砌结构计算模型
• 1.3 依托的工程背景及研究对象
• 1.3.1 工程概况
• 1.3.2 研究对象
• 1.4 本文研究目的,方法和意义
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究方法
• 1.4.3 研究的意义
• 第二章 管片衬砌结构错缝式拼装原型加载试验
• 2.1 试验装置及水土压实现的方案
• 2.1.1 试验装置
• 2.1.2 水压力的模拟
• 2.1.3 土压力的模拟
• 2.1.4 地层抗力的模拟
• 2.2 量测项目和测点的布置
• 2.2.1 管片环内力
• 2.2.2 管片环位移
• 2.2.3 接缝张开量
• 2.3 试验准备
• 2.3.1 测试元件预埋
• 2.3.2 试验场地的地基处理
• 2.3.3 管片切割与拼装
• 2.3.4 管片钻孔
• 2.3.5 环箍与对拉张拉
• 2.3.6 测试系统的布置和校验
• 2.4 原型管片组合环（错缝）试验
• 2.4.1 衬砌形式与加载过程
• 2.4.2 加载方案
• 2.4.3 试验保证措施
• 2.5 本章小结
• 第三章 管片衬砌结构错缝式拼装原型加载试验成果分析
• 3.1 试验内力分析
• 3.1.1 不同水压力的影响分析
• 3.1.2 不同土压力的影响分析
• 3.1.3 计算断面的试验内力分析
• 3.2 位移及纵缝张开量分析
• 3.3 高水压条件下管片衬砌结构破坏荷载及破坏特征分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 管片衬砌结构有限元分析计算
• 4.1 数值模拟内力计算值与试验值对比分析
• 4.2 不同拼装方式的影响分析
• 4.2.1 通缝和错缝对比分析研究
• 4.2.2 通缝和错缝最不利拼装方式
• 4.3 管片环弯曲刚度有效率和弯矩提高率研究
• 4.3.1 理论解析
• 4.3.2 梁-弹簧模型计算弯曲刚度有效率和弯矩提高率
• 4.3.3 不同拼装方式的影响
• 4.3.4 不同水土压力的影响
• 4.3.5 与现有研究的比较
• 4.4 本章小结
• 结论及展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文
• 攻读硕士学位期间参加科研项目