地层变异条件下盾构隧道衬砌受力性能研究文献综述

 2022-10-24 10:10
  1. 文献综述（或调研报告）：
  2. 地层变异性研究

实际地层往往表现出变异性，材料分类模型能够对地层变异性进行有效地描述，目前常用的材料分类模型有主要有耦合马尔可夫链和广义耦合马尔可夫链。Hu和Huang[1]采用Markov随机场对上海长江隧道的地层变异性进行分析，并采用Monte-Carlo方法对地层变化导致的施工风险进行分析。邓志平等[2]以香港地区某场地地层为例，比较了两种材料分类模型，结果表明，广义耦合马尔可夫链模型模拟所对应的不确那我定性范围要大于耦合马尔可夫链模型模拟的结果，广义耦合马尔可夫链模拟所得的地层分布更为合理。于正等[3]基于耦合Markov链模型模拟地层分布，并通过Monte-Carlo方法分析隧道围岩变形的不确定性。利用青岛轨道交通某斜井的地质钻孔数据，探讨了地层变异特征一致性对地层分布和变形模拟精度的影响，提出了提高围岩变形不确定性分析的准确性的建议方法。

同济大学胡群芳[4]以上海长江隧道工程为研究对象，重点分析了其土层的随机变异性，讨论了江底长大隧道工程的地层随机分布和土体变异特征，提出了相应的分析理论和计算方法，并以此为基础研究超大直径跨江隧道衬砌结构和超大直径泥水盾构施工的风险。

华南理工大学雷凯[5]通过建立三维有限元模型，对上软下硬变异地层中盾构隧道衬砌管片的施工阶段的受力变形、运营阶段的动态响应和地震作用下的受力性态开展了数值模拟分析，给出了地层复合比对盾构隧道衬砌管片受力性能的影响。

  1. 衬砌横断面管片受力计算理论

对于盾构隧道装配式衬砌管片与接头力学模型的计算方法，目前国内外常用的有：惯用法、修正惯用法、多铰圆环模型、梁-弹簧模型、梁-接头模型等。

惯用法提出于20世纪60年代，在对盾构隧道管片进行内力分析时忽略接头部分刚度的折减，认为衬砌的刚度沿衬砌环向均匀分布。例如，在饱和含水软土地层中，由于工程的防水要求，衬砌圆环接缝必须具有一定的刚度，以减少接缝变形量。由于相邻环间接错缝拼装，并设置一定数量的纵向螺栓或在环缝上设有凹凸榫槽，使纵缝刚度有了一定的提高，此时将衬砌圆环近似认为是一均质刚性圆环较为合理[6]。

修正惯用法考虑到了接头处刚度的折减对于衬砌环变形的影响而将整个衬砌环的整体弯曲刚度进行折减，并且引入衬砌环刚度折减系数和管片弯矩传递系数来体现管片接缝造成的衬砌环刚度降低和衬砌错缝拼装的影响[7]。

多铰圆环法在计算中假设接头为铰结构，仅传递衬砌环轴向的拉压力和径向的剪力，不传递弯矩，由于其自身不具有稳定性，只能在围岩压力下才能保持结构稳定，主要适用于围岩状况较好且地层抗力作用明显的情况下。因此荷载和围岩压力的选取对于多铰圆环法设计非常重要。

梁-弹簧模型将管片模拟为直线或曲线梁，接头用旋转弹簧和剪切弹簧替代，改模型可以对不同的衬砌拼装方式下衬砌接头、螺栓的变形和内力进行计算。管片接头处的刚度折减和衬砌的错缝拼装效应可以通过引入接头抗弯、抗剪刚度等接头力学参数来实现。这些参数目前可以通过接头试验嘲和数值计算得到。

梁-接头模型从隧道衬砌结构的非线性出发，引进了非连续介质力学数值分析古德曼单元的思想，并且认为接头单元具有拉伸作用。相较于梁-弹簧模型，梁-接头模型可以得到相邻管片之间的不连续变形量和螺栓内力，并且接头的非线性特征可以得到很好的模拟。

除了上述的计算模型，随着计算机和有限元软件的发展，更为复杂的块体模型被建立起来，盾构衬砌的结构模型越来越精细化，越来越接近真实的情况，计算结果也越发精确[15]。

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