河海大学大学生创新训练计划.doc

河海大学大学生创新训练计划项目申请表项目名称盾构隧道管片环模型试验研究项目编号项目所属一级专业门类土木工程项目所属二级专业类岩土工程项目实施时间起始时间：2011年6月 完成时间：2012年5月申请人或申请团队姓名年级学校所在院系、专业联系电话E-mail主持人陈喜坤大二河海大学土木与交通学院土木工程15252489968326259120王强大二河海大学土木与交通学院土木工成 员李响大二河海大学土木与交通学院土木工程15161469118471908892邓树成大二河海大学土木与交通学院土木工程15651938075875814654谢伟大二河海大学土木与交通学院土木工程15151830060546250454指导教师姓名钟小春年龄单位行政职务/专业技术职务一、课题论证（1.本课题国内外研究现状述评及研究意义。2本课题研究的主要内容、基本思路、研究方法、重点难点、基本观点和创新之处。3前期相关研究成果和主要参考文献。）研究意义：盾构是一种钢制的活动防护装置或活动支撑。在它的掩护下，头部可以安全地开挖地层，尾部可以装配预制管片、砌块或现浇钢筋混凝土，迅速地形成隧道的永久衬砌。它借助于支撑在已经完成的衬砌上的千斤顶的顶力不断前进。如果采用装配式衬砌，当盾构推进时，要将衬砌与土层之间的空隙用浆液填充，防止周围地层的继续变形和围岩压力增长。用盾构法修建隧道开始于1818年，至今已有170多年的历史，当时由法国工程师布鲁诺尔研究，并取得了发明隧道盾构的专利。1825年在英国泰晤士河下首次用矩形盾构修建隧道，实际上它是一个活动的施工防护装置。1869年英国人格雷脱海特工程师成功应用了.PW.Barolw式盾构修建英国伦敦泰晤士河下Tower水底隧道后，盾构得了到普遍承认。2874年在英国伦敦城南线的修建Vymwy隧道时，格雷脱海特创造了比较完整的用压缩空气来防水的气压盾构施工工艺，使水底隧道有了惊人的发展，并为现代化盾构奠定了基础。二十世纪初，盾构施工法己在美、英、德、苏、法等国开始推广。3040年代在这些国家己经成功地使用盾构建成了内径3.0一9.Om的多条地下铁道及水底隧道。从二十世纪60年代起，盾构法在日本得到迅速发展，用途越来越广。从正面挖土形式来分，盾构己从手掘式发展成机械式。从维持开挖面稳定方法来看，目前己发展了气压盾构、挤压式盾构、网格盾构、泥水加压盾构、局部气压盾构、土压平衡盾构等多种盾构类型。同时为了适应多种需求，盾构的断面形式有矩形、马蹄形、椭圆形、圆形、双圆形、三圆形等多种形式。盾构法在我国起步较晚，但近年来发展很快。在我国地第一个五年计划期间，东北负心煤矿就采用了直径为2.6m的盾构以及小型混凝土预制块修建输水巷道。1957年，在北京的下水道也曾用过.26m的盾构。1963年后，在上海第四纪软弱含水层中，先后用了外径为4.2m、5.8m、IOm、3.6m、4.3m、3m等不同直径的八台盾构修建包括江河排水、取水、水底公路等多种形式的隧道。近年来，黄浦江越江隧道、合流污水工程，尤其是地铁隧道的建设，使盾构法在技术上得到飞快的发展。盾构法除竖井施工外，大部分均在地下进行，既不影响地面交通，也减小了对附近居民的噪音和振动影响。盾构法施工不受季节气候的影响，在穿越河道时不影响航运。在施工中，其推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环，施工易于管理，施工人员较少;其土方进行，施工易于管理，施工人员较少;其土方量也较少。量也较少。实践证明，它在地质差水位高的地方建设埋深大的隧道具有较高的技术经济优越性。在具有以上诸多优点的同时，盾构法也存在一些问题，比如在城市市区推进时，会带来地表沉降问题;在饱和含水地层中，若盾构法施工采用的是装配式衬砌，由于接头的存在，对防水技术要求较高。随着我国城市经济建设的持续稳定发展，城市的环境问题如大气污染、噪声污染和交通拥挤等日渐突出。为了改善城市环境，实现城市的可持续发展，发展大容量轨道交通成为许多城市的选择。地铁作为实现大容量轨道交通的一个重要方式，已在北京、天津、上海、广州、香港等地修建。此外、深圳、青岛、南京、沈阳等地也在规划和修建中。城市地铁隧道的发展，尤其象在上海这种土层比较软弱的地区的大量修建隧道，对盾构法技术的要求越来越高，有许多课题值得进一步深入研究。盾构隧道工程中的主要技术问题有以下四类:(l)隧道管片设计问题;(2)开挖面的稳定问题;(3)盾构姿态和线路控制问题;(4)盾构施工对环境的影响问题。本小组研究的问题属于第一类问题范畴。在盾构施工法中，衬砌管片的投资一般占工程投资的3040%，是影响施工经济性和结构安全性的重要因素。虽然我国的一些地区性规范中己涉及到一些盾构隧道管片的设计方法，但目前尚无完整的盾构隧道管片设计规范。而各地区在盾构隧道管片设计中采用的方法不管是使用的结构模型还是何在系统都是借用其它国家的经验，对于这种方法是否适合我国各地区的条件，尚无进行理论性总结和探讨。因此，系统地进行盾构隧道管片设计理论的研究就成为当务之急。管片设计研究的国内外现状：圆形衬砌作为地下结构中的一种，由于其形状的规则性及适用场合，在计算理论上有其自己的特点。本节试图按出现顺序对圆形衬砌考虑地层作用的计算理论进行简介。1922年Hewett和Jhoason最早提出圆形衬砌应考虑弹性抗力，根据圆形衬砌水平直径处位移等于零的条件来计算地层给予衬砌的抗力。这个建议的缺点，在于不正确地考虑了衬砌变形情况。1926年Schmdi提出按弹性介质分析并考虑地层与衬砌间的相互作用，该方法适用于相当厚的衬砌。1936年波德洛夫根据苏联地下铁道实践的经验，应用Wnikler假设以三角级数表示衬砌的径向位移值，并应用量小功能原理来确定级数各项的系数。1939年波德洛夫及马捷里，提出了著名的链杆法，以刚性链杆替代衬砌结构与地层间的直接接触作用，地层受力与变形的关系按Wnikle:假设。1944年Bull提出对圆衬砌合理考虑弹性抗力的建议，拱顶部分的受拉约束忽略不计。该法采用叠加原理，求得各种集中荷载下，沿衬砌各等分点的径向位移。1957年Engeblerht根据连续介质模型理论，退到了平面应变下衬砌应力和变形的封闭解。1960年日本土木工程协会(JsCE)提出惯用设计法，这种方法不考虑管片接头柔性特征，地层抗力假设仅在水平方向正负45“范围内按三角形规律分布。1961年Morgna根据直觉假定，圆形衬砌变形成为椭圆，并忽略切向应力和与之相应的切向变形，由此得到了封闭解。此法所得弯矩在理论上是偏小的。1964年sehulze和Duddek提出了浅埋隧道模型的通解和封闭解。1968年久保(Kubo)提出了模拟圆形装配式衬砌接头效应的梁一弹簧模型。该法将管片用梁替代，接头用弹簧代替。1972年MuirWood改进了Morgan的方法，考虑了切向地层应力，初始地应力的影响及由于接头导致的衬砌刚度降低。1976年eurtis发展了Muirwood的方法，计入了切向地层应力引起的径向变形及刚度比随时间的变化(蠕变)。1975年村上博智(Murakami)和小泉(Koizumi)等进一步发展了梁一弹簧模型，该模型除了考虑管片接头转动刚度，还考虑接头的剪切刚度。1982年，我国侯学渊教授运用弹塑性理论和位移协调方程，解出了可考虑衬砌刚度的地层压力值，该方法将地层自重理想化为无限远的荷载。我国近几年在衬砌结构理论方面也开展了研究，如同济大学朱合华教授等对梁一弹簧模型进行了一系列研究，长江水利委员会过池等对双层圆形衬砌提出了新的模型。本课题研究的主要内容：通过盾构管片的模型试验，模拟不同接头形式下管片的受力特征，进而得出一种最优解的方案；模拟管片环的拼装形式（错缝拼装和顺缝拼装）的管片受力特征。根据现有的接头形式，通过改进和组合现有的接头方式，得出新型的管片连接，再根据现有的知识推演出管片的受力，应力应变情况。接下来制作模型，借助学校的实验设施进行模型试验，得出管片的实际应力应变情况，将理论结果与实际结果进行比较，对理论推演所选用的模型进行修正，通过这样反复的推理论证过程，达到一个实际的最优解，使管片的应力达到最理想的状态，为设计管片结构和节省工程材料提供理论依据。管片环的连接采用相似的方法处理，得出相应的结论。研究方法和重点难点：我们采取模型试验的研究方法，通过假说演绎的的方法，论证自己理论的科学性和可行性。本研究的重点是管片接头的受力分析和模型试验的实际操作；难点在于有限元的分析和实验数据的处理。基本观点和创新之处：我们基于当前盾构施工的广泛应用，各种管片接头和管片环的拼装方式存在很大差异，结构的成本和安全性也不进相同。为了进一步提高结构的安全性和降低施工的成本，我们决定综合国内外研究成果，加以改进创新，对已有的接头进行组合和优化，提出一种更加合理的接头方式，达到增加安全性和节约材料的目的。二、项目方案（包括项目的训练目标、前期准备、组织实施、过程管理、实践环节、教师指导、项目结题等）三、完成项目研究的条件和保障（1申请人或团队情况，包括自身具备的知识条件、自己的特长、兴趣、已有的实践创新成果等；2.学校提供条件，包括项目开展所需的实验实训情况、配套经费、相关扶持政