TBM隧道回填层-管片受力特征模型试验研究

回填层作为围岩和管片之间的连接部分,起到稳定衬砌、传递荷载、吸收变形等作用。护盾式TBM隧道施工过程中,回填层存在未注浆松散、注浆固结两个主要状态。回填层状态不同,回填层作用及管片受力特点也不同。研究采用相似模型试验分析不同状态下的回填层作用机制,通过研究得到了以下结论:回填层未注浆松散状态下,由于碎石的径向压缩与环向移动,围岩传递到管片上的荷载量值降低且分布较为均匀,此时回填层作为"可压缩层",具有让压和均匀荷载的作用,能明显降低管片的受力和变形;回填层注浆固结后,回填层虽然能够承担少量的荷载与变形,但承载能力有限,主要作为围岩与管片之间的"传递层",传递荷载与变形;对于挤压性围岩护盾式TBM隧道施工可适当应用回填层未注浆时的"可压缩性",减小施工过程中管片受力与变形;对于浅埋及地铁隧道则应尽早注浆,使衬砌与围岩形成稳定的受力体系;回填层弹性模量的增加可提高回填层-管片组合体系支护刚度,但增加效果不明显。

回填层与管片组合结构的支护性能及模型试验研究

双护盾隧道掘进机倒梯形设计及管片拼装特点使得管片与围岩之间存在一定的空隙,常采用碎石回填并注浆形成回填层。将回填层与管片视为组合结构,采用弹性力学中厚壁圆筒理论,推导组合结构支护刚度计算公式,分析回填层对组合结构支护性能的影响及回填层的承载能力、吸收变形能力,并设计相似模型试验进行验证。结果表明:回填层可以承担少量的荷载并吸收部分围岩变形,其承载能力与吸收变形的能力与回填层的弹性模量有关;回填层存在1个临界弹性模量,当回填层实际弹性模量小于临界弹性模量时组合结构的支护刚度小于管片支护刚度,当大于临界弹性模量时组合结构的支护刚度大于管片支护刚度。实际工程中,注浆固结后的回填层弹性模量处于0.8~1.5GPa之间,此时回填层的主要作用是在围岩与管片之间传递荷载。

护盾式TBM隧道回填层对管片受力的影响

为了探明回填层对护盾式TBM隧道运营阶段管片受力的影响,建立考虑回填层的围岩抗力系数计算方法,为隧道设计中地层抗力系数的确定提供理论基础,设计相应的模型试验,对比了有回填层和无回填层时管片的受力特点,并采用厚壁圆筒理论推导了围岩-回填层等效弹性抗力系数的计算方法。研究结果表明:有回填层和无回填层时,管片运营阶段的弯矩、轴力、变形具有较大的差别,回填层的作用不可忽略;回填层厚度、泊松比、弹性模量、管片外半径均对围岩-回填层等效弹性抗力系数产生影响,其中回填层弹性模量为主要影响因素;回填层存在一个临界弹性模量,当回填层弹性模量大于临界弹性模量时,计算得出的围岩-回填层等效弹性抗力系数大于围岩弹性抗力系数,回填层对围岩起到增强作用,研究给出了回填层临界弹性模量计算公式,并得出回填层临界弹性模量取值与围岩弹性模量密切相关;考虑回填层的数值计算结果更接近模型试验结果,验证了围岩-回填层等效弹性抗力系数计算方法的准确性。