西安地裂缝对地铁盾构隧道衬砌影响的模型试验研究

论文摘要

随着西安城市规模的快速发展,交通问题日益突出,地下铁道的建设已逐步展开。但由于自然和人为等因素的作用和影响,自70年代后期以来,西安市区地裂缝普遍发育,目前由北向南已发现14条地裂缝带,对西安的城市建设已造成了重大危害和经济损失,而正在修建中的西安地铁无可避免的要穿越这些地裂缝带。在地裂缝带上修建地铁,这在国内外尚属首次。地裂缝对地铁结构究竟是什么样的影响机制,地铁隧道衬砌在地裂缝作用下的破坏变形特征又是什么样的,结构上应该采取什么样的措施才能避免地裂缝对地铁的破坏等,这一系列的重要问题亟待解决。通过地铁盾构隧道穿过地裂缝的大型(1:5)结构模型试验,得出地铁盾构隧道衬砌在地裂缝带影响下的应力应变特征、衬砌周边土体受力情况和沉降特征等,研究西安典型地层埋深20.0m范围内地裂缝活动对盾构隧道衬砌的影响机制,包括衬砌的受力及变形破坏情况、衬砌附近土体的应力和变形情况等,确定盾构隧道衬砌的受力模式,为地铁穿过地裂缝地段采取的结构措施提供科学依据。在模型试验的基础上,用MARC有限元软件建立了地裂缝与地铁隧道的数值模型,通过数值计算,分析衬砌在地裂缝影响下的受力及变形情况、衬砌附近土体的变形情况等,并与模型试验所得结果进行对比,为地铁二号线穿过地裂缝地段采用盾构法施工的地铁结构设计提供科学依据,并对盾构隧道穿越地裂缝的结构措施给出了建议。本文研究工作得到国家自然科学基金重点项目(40534021)的资助。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 西安地裂缝的特征及其危害
• 2.1 地裂缝的基本特征及空间分布规律
• 2.2 地裂缝的活动特征
• 2.3 西安地裂缝的工程危害
• 2.3.1 西安地裂缝对城市建设的危害及灾害特征
• 2.3.2 西安地裂缝可能引起的地铁病害分析
• 第三章 结构模型试验
• 3.1 模型试验目的
• 3.2 试验装置与原理
• 3.2.1 试验平台
• 3.2.2 试验原理
• 3.3 模型试验设计
• 3.3.1 模型的定义
• 3.3.2 相似原理
• 3.3.3 试验模型设计
• 3.4 数据采集
• 3.4.1 沉降的观测
• 3.4.2 土压力的测量
• 3.4.3 应变片的布设及测量
• 3.4.4 衬砌收敛位移的测量
• 3.5 试验步骤
• 第四章 模型试验数据分析
• 4.1 土体沉降分析
• 4.2 地表裂缝扩展特征
• 4.3 竖向土压力分析
• 4.4 衬砌收敛变形分析
• 4.4.1 纵向分析
• 4.4.2 环向分析
• 4.5 接头受力分析
• 4.6 衬砌环变形破坏过程
• 4.7 衬砌变形破坏模式
• 4.8 关于地铁穿越地裂缝带结构措施的思考
• 第五章 有限元模拟
• 5.1 MARC 有限元程序简介
• 5.2 有限元分析计算
• 5.2.1 本构关系的确定
• 5.2.2 计算模型的建立
• 5.2.3 计算结果分析
• 5.3 有限元模拟结果与模型试验结果对比分析
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢