地表突发堆载作用下地铁盾构隧道变形机制三维精细化数值模拟研究

随着临近地铁盾构隧道施工项目的不断增多,地铁盾构隧道上方地表突发堆载事件日益频发,易诱发不均匀沉降、管片破损、渗漏水等一系列病害,严重威胁着地铁的运营安全。目前提出的地表突发堆载作用下地铁盾构隧道有限元模型大多基于连续结构分析,忽视了管片间接头的影响。通过构建管片间接头受力模型,建立了地铁盾构隧道结构三维精细化数值计算模型,研究了地表突发堆载作用下地铁盾构隧道的受力变形机制。结果表明:地铁盾构隧道整体在纵向上出现高斯分布的不均匀沉降,管片环在横向上被压扁成“横鸭蛋”形;管片环内接头张开和错台均集中于堆载宽度范围内,管片环间接头张开和错台分别集中于堆载中心和堆载宽度边缘;地铁盾构隧道沿纵向的沉降大部分由管片环间错台累积贡献,最大累加错台量占最大沉降量的73%;管片环在横向上呈现非协同变形,拱顶沉降量是拱底沉降量的1.5倍,管片环间接头的剪切力由拱顶向拱底逐渐递减;管片环收敛率在堆载中心正下方最大达4.1‰,收敛变形导致拱顶处和拱腰处管片环内接头分别向管片环内部、外部张开,以及拱顶处、拱腰处管片应力集中;堆载中心正下方管片环间截面上的应力分布以29°的中性轴为界,中性轴以上管片受压,中性轴以下管片与螺栓同时受拉。本文所提出的地铁盾构隧道结构变形三维精细化数值模拟方法能够高效、准确地模拟地铁盾构隧道结构和管片间接头部位的受力和变形特点,具有一定的工程应用价值。