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摘 要

本文根据中石油管道局提出的小半径盾构隧道施工安全性数值模拟分析要求，分析小半径曲线盾构隧道施工中的防水性能安全性和施工受力安全性。主要采用理论分析法和有限元数值模拟方法，理论分析为基础，通过有限元模拟的方法进行分析。考虑隧道施工中可能存在的多种因素，分析其对盾构隧道管片接缝防水材性能的影响，研究所提供的橡胶弹性密封垫结构的防水性能，给出防水指标的确定以及数值模拟分析结果。根据提供的不同参数的地质情况进行模拟，建立盾构常用埋深以及最大埋深的隧道模型，对管片在不同地质条件下的稳定性进行验算。为了体现小半径隧道与直线隧道的区别，分别建立直线盾构隧道和曲线盾构隧道，选取适合描述不同地层特性的参数及本构模型,通过数值模拟分析曲线隧道和直线隧道在不同地层中受力和变形的区别。通过本文的研究，发现小半径曲线隧道的防水性能分析与常规直线隧道相同，因此采用传统的止水带表面接触应力作为防水指标，数值模拟结果发现止水垫的防水效果能够满足；在小半径曲线隧道中，水平顶进力的作用对管片所受的最大拉压应力有一定影响，但是比直线隧道的影响大。地层条件对管片受力的影响较大，砂土地层存在破坏的可能，黏土地层未出现塑性区，不同参数对于受力结果的影响较小，重度的影响最大。

关键词：小半径隧道，防水性能，施工安全，数值模拟

ABSTRACT

The safety of waterproof performance and construction stress safety in small radius curve shield tunnel construction are analyzed in this paper,. Theoretical analysis and finite element numerical simulation are adopted. Considering the various factors that may exist in tunnel construction, the paper analyzes its influence on the properties of the joint of Shield tunnel segment, the waterproof performance of sealing gasket structure, the determination of waterproof index and the result of numerical simulation analysis. According to the geological conditions of the different parameters provided, the tunnel models of the shield with different depths are established, and the stability of the tubes under different geological conditions is calculated. In order to research on the difference between the small radius tunnel and the regular straight tunnel, the regular shield tunnel model and the curve shield tunnel model are set up respectively based on suitable parameters and constitutive models. According to the results of this paper, it is found that the waterproof performance of the small radius curve tunnel is the same as that of the conventional straight tunnel. Therefore, the surface contact stress of the traditional sealing gasket is used as the waterproof index. The numerical simulation results show that the waterproof effect of the sealing gasket is satisfied. In the small radius curve tunnel, the horizontal jacking force has a certain effect on the maximum tension and compression stress of segments, but it is larger than that of straight tunnel. The formation conditions have great influence on the force of the linear. The sand soil layer may be destroyed. There is no plastic zone in the clay layer. And the different parameters have little influence on the stress result, whereas the influence of the soil unit weight is the greatest.

KEY WORDS: shield tunnel, small radius, waterproof, construction safety, numerical simulation

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 项目研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 小曲率半径盾构隧道防水设计研究 1

1.2.2 小曲率半径盾构隧道施工安全研究 3

1.3 项目主要研究内容 4

第二章 小曲率半径盾构隧道密封防水研究 5

2.1 密封垫防水指标的确定 5

2.2 密封垫止水带失效模式 5

2.3 密封垫防水性能数值分析 5

2.3.1 数值分析 6

2.3.2 计算工况 7

2.3.3 数值模拟结果分析 8

2.4 小结 16

第三章 不同地层条件下小曲率半径盾构隧道施工受力分析 17

3.1 盾构隧道施工有限元数值分析理论 18

3.2 盾构隧道施工有限元数值计算模型 19

3.2.1 线弹性模型本构模型 19

3.2.2 Mohr-Coulomb（摩尔库伦）模型 19

3.2.3 扩展的Drucker-Prager模型 19

3.2.4 盾构施工过程的模拟 19

3.2.5 有限元模型及参数 20

3.3 不同地层条件下盾构隧道管片受力分析 22

3.3.1 黏土地层衬砌受力结果 22

3.3.2 砂土地层衬砌受力结果 27

3.3.3 花岗片麻岩（硬岩）地层衬砌受力结果 32

3.4 模拟管片受力结果分析 36

3.5 小结 37

第四章 结论与展望 39

4.1 主要结论 39

4.2 展望 39

致谢 41

参考文献 42

绪论

项目研究背景和意义

自20世纪80年代以来，城市发展迅速，城市空间逐渐压缩，为了解决城市地面空间有限的问题，我国隧道及地下工程相应也快速发展。盾构隧道在城市的隧道、市政管线中运用的非常普遍。传统的地铁线路一般与道路主干线的线性一致，所以盾构隧道相对曲线半径很大，施工中不需要特别的纠偏和盾构姿态调整处理。对于石油输油管道盾构隧道来说，由于直径较小，而且所占空间较小，很多时候输油管线的线路由于周围管线和建筑物的存在以及周围建筑红线的限制，不得不进行曲线设计，甚至是小曲线半径的设计。这对于盾构设计和施工都是一个考验，需要在施工中进行控制调整来达到小半径曲线转弯要求，考虑到城市空间的利用率越来越高，在未来小半径盾构隧道的运用一定会越来越多。

在盾构施工中，有时候不可避免的要进行盾构掘进姿态的调整，来确保掘进方向的正确。但是小半径曲线隧道需要在施工中不断的调整姿态，不断地调整管片环的布置，而且为了实现曲线转弯，不可避免的要进行超挖。姿态调整会使得管片和地层的受力调整，超挖会造成地表沉降的增大。这些问题都是不可避免的，需要通过施工时的控制、管片环的设计、管片的选型、超挖注浆等来解决，而这些问题都是目前研究的重点，这些问题直接影响工程的安全性、经济性、稳定性，需要更多的试验研究来解决这些问题，为设计施工提供可靠的依据。

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