【硕士】盾构隧道衬砌结构设计计算模型研究与优化【2005】

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内容简介

　　学科专业：结构工程　　授予学位：工学硕士　　学位授予单位：同济大学土木工程学院　　学位年度： 2005年　　盾构法已在许多国家的隧道建设中得到广泛运用，为适应规模化建设的需要，盾构法隧道不论在施工工艺还是设计手段上正不断趋于程式化，大多数国家在盾构隧道衬砌结构的设计方面都已形成较为固定的方法。但是对于不同土层条件下计算模型以及荷载计算方法的选用并没有明确的规定，一般都依靠设计者的经验判断，或者在缺乏经验的情况下仅借助有限元方法进行数值模拟。本文着眼于盾构隧道设计的这一现状进行了计算模型对地层条件的适应性分析和优化设计研究。　　本文在总结世界范围内盾构隧道衬砌结构常用计算模型的基础上，对匀质圆环模型、弹性铰模型和双环梁弹簧模型这三种不同衬砌结构模型在计算结果上作了比较研究，并针对结构模型中重要的要素——接头，研究了接头刚度对结构模型计算结果的影响。发现通缝拼装情况下弹性铰模型的计算弯矩小于匀质圆环计算结果而结构轴力和变形的情况则相反，且随着接头刚度的提高各种计算结果均逐渐趋近于匀质圆环情况；而错缝拼装情况下结构轴力和弯矩均比匀质圆环情况大，且随着接头弯曲刚度提高内力呈现逐渐减小的规律。　　本文针对国内盾构隧道衬砌结构设计中最常用匀质圆环模型简化计算的设计现状在不同地层条件和接头刚度条件下作了适应性分析，发现并不是所有情况下采用匀质圆环模型都能够得到可靠的计算结果。在一种地层条件、接头形式和刚度情况下，采用匀质圆环模型对衬砌结构进行设计会过于保守，而在另一种地层和接头刚度条件下该模型的计算结果还可能尚不满足实际承载要求。　　对荷载结构模型来说，地层荷载模式也是计算模型种非常重要的组成部分，因此本文进一步研究了不同的荷载模式，尤其是不同的主动地层荷载模式，对衬砌结构设计计算的影响。作者根据经验模型和地铁隧道工程的实测数据总结了传统荷载模式之外的两种地层荷载模式——正余弦模式和抛物线模式，并通过计算讨论了的它们适应性。研究发现在特定条件下上述两种主动地层荷载模式比传统模式更符合实测结果。虽然作者未能从规律上得到各种不同的地层条件下主动地层荷载模的分布特点，但本文对包括传统模式在内的三种主动地层荷载模式的比较研究可以对工程设计计算以及该领域的进一步研究提供有益的参考。　　在结构模型和荷载模式适应性研究的基础上，作者对盾构隧道衬砌设计的进一步优化进行了探讨，以结构受力状态最优为目标，建立了盾构隧道衬砌结构的优化设计模型，该模型可采用遗传算法进行寻优计算。为了考虑对施工成本的控制，在约束项中加入了相关限制条件，使优化后的结构具有较高的性价比。　　

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