隐伏地裂缝作用下的盾构隧道变形破坏机制及力学模型研究
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摘要
随着西部大开发和西部经济的发展，2006年西安成为我国首次获批建设地铁的25个城市之一。西安地铁的修建是缓解城市交通压力，满足居民出行的需要；是带动西安经济实施可持续发展的需要。然而西安独特而复杂的地质灾害--地裂缝的存在对于正在大力兴修的地铁工程来讲是一个棘手的难题。西安自20世纪50年代发现第一条地裂缝至今，先后发现了14条地裂缝，有些地裂缝还在不断的活动中。西安地铁在建设过程中与这些地裂缝相互交错无法避免，而且地裂缝的活动势必会对洞室围岩的稳定性及隧道结构安全性产生破坏，从而成为地铁安全运行的隐患。所以研究地铁隧道穿越地裂缝时的结构安全问题成了西安地铁建设中的重要课题，必须而且要加倍重视地裂缝对地铁建设的影响，才能保证后期西安城市轨道交通顺利发展。
本文根据课题组所做的3组隐伏地裂缝环境下盾构隧道大型物理模型试验，结合有限元数值分析方法，对在地裂缝活动作用下，盾构隧道穿越地裂缝带的变形破坏特征进行研究，取得了以下研究结果：
1、通过物理模型试验，研究了盾构隧道与隐伏地裂缝在30°、60°及90°相交时的破坏类型及其影响区域，得到了相交角度与盾构衬砌破坏区域的宽度关系。
2、通过对不同角度隐伏地裂缝作用下盾构隧道衬砌的有限元数值模拟，对盾构衬砌拱底脱空区的分布、盾构衬砌竖向位移与相交角度之间存在的关系进行了研究。
3、对隐伏地裂缝作用下，盾构隧道与地裂缝相交角度对衬砌变形影响规律进行了研究。
4、研究了隐伏地裂缝作用下盾构管片的受力模式，提出了隐伏地裂缝作用下盾构管片计算模型。
本文对隐伏地裂缝作用下盾构隧道衬砌管片的变形破坏机理等问题进行了研究，其成果对西安地铁工程在隐伏地裂缝环境下的工程设计和运营安全具有重要的理论与实际意义。
With the development of the west in China and economic development of the westernregion, Xi’an became one of25cities where China approved of metro construction for thefirst time in2006.Metro construction in Xi’an is not only the need of alleviating the pressureof urban transportation and meeting the need of urban travel,but also the need of promotingeconomic sustainable development of Xi’an.However, ground fissures in Xi’an, the famousunique and complicated geological disasters, is a difficult problem for metro construction inXi’an.The first ground fissure in Xi’an was found in the1950s and there are in all14groundfissures till now and they are also in constant activity.Metro will inevitably interlaced withthese ground fissures during metro construction process,and then ground fissures will affectthe stability of surrounding rockmass inevitably.Thus metro will be damage which willbecome the hidden trouble for metro safety operation. Therefore, in order to guarantee thedevelopment of urban rail transit smoothly in later stage,the problem of metro tunnel goingthrough the ground fissures became an important subject in the construction of metro in Xi’an,especially the influence of ground fissure to metro construction has been attached greaterimportance.
In this dissertation, according to the deformation and failure results of three largephysical model tests for shield tunnel in buried ground fissures, combined with finite elementmethod, the deformation and failure of shield tunnel crossing through the ground fissures inthe action of ground fissures activities are studied and the following achievements have beenobtained:
1According to large physical model experiment of shield tunnel intersection withground fissures from different the angle of30°,60°and90°under the action of buriedground fissures,damage types and area of influence are basically clear and the relationshipbetween the angles and the width of shield lining failure region are determined.
2Through the finite element numerical simulation of shield tunnel lining under theaction of buried ground fissures in different angles, the distribution of shield lining soffit gapare obtained and the relationship between the angles and vertical displacement of shield liningare determined.
3Under the action of buried ground fissures activities, the influencing rules of the angleto deformation and stress of shield tunnel lining are studied.
4Under the action of buried ground fissures activities, stress model and calculationmodel of shield segment are established.
In addition, the deformation and failure mechanism of shield segment under the action ofburied ground fissures activities are studied in this dissertation, which enriches the interactiontheory between metro and ground fissures and is very important value for the design andsafety testing of xian metro engineering under the environment of buried ground fissures.
本文根据课题组所做的3组隐伏地裂缝环境下盾构隧道大型物理模型试验，结合有限元数值分析方法，对在地裂缝活动作用下，盾构隧道穿越地裂缝带的变形破坏特征进行研究，取得了以下研究结果：
1、通过物理模型试验，研究了盾构隧道与隐伏地裂缝在30°、60°及90°相交时的破坏类型及其影响区域，得到了相交角度与盾构衬砌破坏区域的宽度关系。
2、通过对不同角度隐伏地裂缝作用下盾构隧道衬砌的有限元数值模拟，对盾构衬砌拱底脱空区的分布、盾构衬砌竖向位移与相交角度之间存在的关系进行了研究。
3、对隐伏地裂缝作用下，盾构隧道与地裂缝相交角度对衬砌变形影响规律进行了研究。
4、研究了隐伏地裂缝作用下盾构管片的受力模式，提出了隐伏地裂缝作用下盾构管片计算模型。
本文对隐伏地裂缝作用下盾构隧道衬砌管片的变形破坏机理等问题进行了研究，其成果对西安地铁工程在隐伏地裂缝环境下的工程设计和运营安全具有重要的理论与实际意义。
With the development of the west in China and economic development of the westernregion, Xi’an became one of25cities where China approved of metro construction for thefirst time in2006.Metro construction in Xi’an is not only the need of alleviating the pressureof urban transportation and meeting the need of urban travel,but also the need of promotingeconomic sustainable development of Xi’an.However, ground fissures in Xi’an, the famousunique and complicated geological disasters, is a difficult problem for metro construction inXi’an.The first ground fissure in Xi’an was found in the1950s and there are in all14groundfissures till now and they are also in constant activity.Metro will inevitably interlaced withthese ground fissures during metro construction process,and then ground fissures will affectthe stability of surrounding rockmass inevitably.Thus metro will be damage which willbecome the hidden trouble for metro safety operation. Therefore, in order to guarantee thedevelopment of urban rail transit smoothly in later stage,the problem of metro tunnel goingthrough the ground fissures became an important subject in the construction of metro in Xi’an,especially the influence of ground fissure to metro construction has been attached greaterimportance.
In this dissertation, according to the deformation and failure results of three largephysical model tests for shield tunnel in buried ground fissures, combined with finite elementmethod, the deformation and failure of shield tunnel crossing through the ground fissures inthe action of ground fissures activities are studied and the following achievements have beenobtained:
1According to large physical model experiment of shield tunnel intersection withground fissures from different the angle of30°,60°and90°under the action of buriedground fissures,damage types and area of influence are basically clear and the relationshipbetween the angles and the width of shield lining failure region are determined.
2Through the finite element numerical simulation of shield tunnel lining under theaction of buried ground fissures in different angles, the distribution of shield lining soffit gapare obtained and the relationship between the angles and vertical displacement of shield liningare determined.
3Under the action of buried ground fissures activities, the influencing rules of the angleto deformation and stress of shield tunnel lining are studied.
4Under the action of buried ground fissures activities, stress model and calculationmodel of shield segment are established.
In addition, the deformation and failure mechanism of shield segment under the action ofburied ground fissures activities are studied in this dissertation, which enriches the interactiontheory between metro and ground fissures and is very important value for the design andsafety testing of xian metro engineering under the environment of buried ground fissures.
引文
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