软弱地层快速轨道交通盾构隧道通用环封顶块位置优选研究

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随着我国经济快速发展,国家中心城市人口大量涌入,交通压力急剧增加,交通拥堵问题越发严重,市域快速轨道交通作为一种快速发展的交通运输方式,加强了中心城市和卫星城的联系,能大大区域之间文化经济活力,快速轨道交通具有旅客运输量大、速度快、占用地面空间小、节能环保等突出优点,成为缓解大城市交通压力的必然选择;快速轨道交通将迎来更加快速的发展。快速轨道交通建设为地下工程,地基变形对地下工程有较大影响,尤其在软土地区影响更加显著。对许多城市已开通运行的多条地铁线路病害调查发现早期运营的许多地铁线路均出现了不同程度的不均匀沉降、裂缝、坍塌变形、管片上浮等病害,严重影响了旅客的舒适度,甚至可能对地铁安全运行构成严重威胁。本文在国内外已有盾构隧道衬砌结构研究基础上,对软土地区盾构隧道通用环管片封顶块拼装位置进行研究;研究主要依托天津市轨道交通Z2号线工程进行,利用有限元软件ABAQUS建立壳-弹簧模型,研究了天津软土地区盾构隧道通用环管片在不同埋深,不同软土中封顶块不同拼装位置对通用管环结构力学特性,结果表明:同种软土中,通用管片整体结构弯矩随着埋深增加,弯矩增大;同种埋深下,随着软土由坚硬到软弱,弯矩逐渐增大。通用环封顶块在拱顶和拱底时,结构弯矩最大,对结构安全最不利;其次为两侧拱肩位置;封顶块在两侧拱腰以上,拱肩以下时结构弯矩值最小,对结构安全最有利,其次为两侧拱腰偏下位置。在此基础上又利用有限元软件ABAQUS建立三维实体模型对软弱地层不同封顶块拼装点位在地震作用下对衬砌结构内力和接头螺栓内力进行分析,结果表明:地震作用下不同封顶块拼装点位通用环结构弯矩分布仍然符合一般规律:隧道拱顶、拱底一般为最大正弯矩,两侧拱腰一般为最大负弯矩,地震和封顶块位置对于弯矩分布规律几乎没有影响,不同封顶块位置对管环结构最大弯矩值变化影响显著,对管环结构最大轴力值变化影响较小,封顶块选择应尽量避免拱底位置拼装,优先选择两侧拱腰偏上点位。最后又研究了交互地层中不同封顶块位置选择对管环结构内力的影响,结果表明:(1)管环衬砌结构最大正弯矩值出现在拱顶和拱底,最大负弯矩值出现在管环两侧拱腰位置,弯矩值分布特点受交互地层影响较小,弯矩值分布仍然符合一般分布规律;地震动对管环衬砌弯矩值变化会产生影响,在地震作用下管环衬砌结构弯矩值会变大;(2)交互地层“上软下硬”地层中管环弯矩值上部弯矩值略大于下部弯矩值;对于封顶块拼装在拱顶、拱底、两侧拱腰时,管环结构弯矩值变大,不利于管环结构安全,应尽量避免。
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