壁后空洞致盾构隧道变形及破损机理

摘要

为探究壁后空洞对盾构隧道性能劣化的影响机理，本文建立了考虑螺栓和接头的精细化地层结构三维有限元模型．首先通过室内足尺试验验证了模拟方法的准确性．在此基础上，以盾构隧道存在腰部空洞作为典型工况分析了地应力分布、隧道变形、隧道内力和隧道损伤随着空洞尺寸扩展的变化规律．研究结果表明：壁后空洞的存在使盾构隧道周围的土层应力发生了改变，产生了卸荷区和土拱区，二者的影响范围和土拱区内最大应力随着空洞尺寸的增加而增大．土层应力的不均匀变化使盾构隧道产生了向空洞侧的挤出变形，具体体现为环内挤压椭变和环间错台．其中空洞范围内管环的环内椭变大于空洞范围外的管环，最大错台位置出现在空洞边界附近．盾构隧道横截面形状的变化导致管环的弯矩增加、轴力减少，增大了管环偏心距，盾构隧道纵向形状的变化导致环间剪力激增．上述变化使得盾构隧道承受不利受力而产生破损，其中破损主要集中在空洞侧腰部及其T形接缝附近，值得注意的是累计损伤体积最大的管环并非总是最大塑性应变的管环，即裂缝数量多并不意味最大裂缝宽度大．此外，T形接缝处相邻环的刚度存在差异进而造成奇偶环损伤严重程度不同．本文研究成果可为盾构隧道壁后空洞病害的治理提供参考．

关键词

壁后空洞 / 盾构隧道 / 地层结构响应 / 数值模拟