第一章 绪论
1.1 选题背景和研究意义
1.1.1 选题背景
1.1.1.1 可溶岩广泛的地质分布及其工程风险
自上世纪 90 年代，随着我国改革开放进程的加快，中国经济建设驶入快车道，经济实力的迅速增强和城市规模的不断快速扩展使城市地下轨道交通建设进入繁荣发展阶段，现如今中国已成为世界上最大的地铁市场[1]。
在地下轨道交通建设规模不断发展扩大的同时，纷繁复杂的地质条件和工程地质问题不断对隧道的设计和施工提出更高要求。其中，可溶性岩层地质问题日益得到各方关注。在各种可溶性岩石当中，分布最广、与人类生活生产关系最为密切的是碳酸盐类岩石。
碳酸盐类岩石在全世界的分布十分广泛，而如图 1-1 所示[2, 3]，我国又是世界上岩溶分布最广泛的国家之一。据测量统计：我国碳酸盐岩出露面积约 91 万平方公里，加上不同埋藏深度的岩层，总面积至少 340 万平方公里，相当于国土面积的三分之一[4-9]。其中华南地区是碳酸盐岩分布的主要区域之一，单广东省范围内的碳酸盐岩地层分布面积就高达 2.9×104km2，该地区碳酸盐岩以纯灰岩为主体，岩溶发育面积共计 7239km2，在广东省范围内呈零散状分布[10]，对工程影响极大。以广州地区为例，广州市轨道交通二号线北延段、三号线机场段、五号线、六号线、八号线北延段、九号线以及广佛线均穿过可溶岩分布区域，沿线地下水丰富，岩溶洞穴十分发育，岩溶规模之大在我国城市轨道交通建设史上尚属首次，在国外也极为罕见[11-13]。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 岩溶隧道衬砌结构性能研究现状
随着国内基础设施建设的快速腾飞，大量的公路隧道、铁路隧道、地铁隧道线路不可避免地经行灰岩分布区，大量的岩溶工程问题引起各地学者日益关注。目前岩溶隧道工程的研究内容大体可以分为：岩溶勘探技术与超前预报方法研究、岩溶风险评估方法研究、岩溶灾害防治与综合处理研究、岩溶隧道围岩与地基稳定性研究、岩溶隧道衬砌结构性能研究。其中，岩溶勘探处理与施工关系最为紧密，在工程实践中累积了大量的工程经验，现今已经形成了相对系统和完善的研究成果。
隧道衬砌结构除了需要承担隧道荷载，防止围岩变形坍塌，还需要具有与隧道用途相适应的使用性能和耐久性能，在很多时候还需要承担起二次衬砌的功能，在复杂的岩溶环境中，隧道衬砌结构的性能研究具有十分重要的意义。具体的研究方法大致可以分为：理论解析法、物理模拟试验、数值模拟试验。其中较为常用的是物理模拟试验和数值模拟试验。
第三章 岩溶发育区初始地应力分析 ............................... 41..........................
1.2 国内外研究现状
1.2.1 岩溶隧道衬砌结构性能研究现状
随着国内基础设施建设的快速腾飞，大量的公路隧道、铁路隧道、地铁隧道线路不可避免地经行灰岩分布区，大量的岩溶工程问题引起各地学者日益关注。目前岩溶隧道工程的研究内容大体可以分为：岩溶勘探技术与超前预报方法研究、岩溶风险评估方法研究、岩溶灾害防治与综合处理研究、岩溶隧道围岩与地基稳定性研究、岩溶隧道衬砌结构性能研究。其中，岩溶勘探处理与施工关系最为紧密，在工程实践中累积了大量的工程经验，现今已经形成了相对系统和完善的研究成果。
隧道衬砌结构除了需要承担隧道荷载，防止围岩变形坍塌，还需要具有与隧道用途相适应的使用性能和耐久性能，在很多时候还需要承担起二次衬砌的功能，在复杂的岩溶环境中，隧道衬砌结构的性能研究具有十分重要的意义。具体的研究方法大致可以分为：理论解析法、物理模拟试验、数值模拟试验。其中较为常用的是物理模拟试验和数值模拟试验。
物理模拟试验[22]是指基本现象相同情况下的模拟试验。其要求是保持模型与原型所有物理量的一致性，不改变物理本质，而区别只在于各物理量的大小比例。
数值模拟又称为数值分析方法，是将自然界各种物理工程问题转化为数学模型并进行求解计算的方法。随着第三次科技革命的崛起，电子计算机极大地发挥了数值分析的优势，在工程应用过程中相继诞生了有限差分法、有限元法、边界元法、离散元法等数值模拟方法，如今数值模拟计算已成为当代工程分析与科学研究必不可少的主流手段，极大地推动了岩土工程等工程学科的发展并发挥着十分重要的作用。
数值模拟又称为数值分析方法，是将自然界各种物理工程问题转化为数学模型并进行求解计算的方法。随着第三次科技革命的崛起，电子计算机极大地发挥了数值分析的优势，在工程应用过程中相继诞生了有限差分法、有限元法、边界元法、离散元法等数值模拟方法，如今数值模拟计算已成为当代工程分析与科学研究必不可少的主流手段，极大地推动了岩土工程等工程学科的发展并发挥着十分重要的作用。
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2.2模型建立
Midas GTS NX 是针对岩土及隧道结构的分析和设计而开发的岩土隧道结构专用有限元分析软件，程序提供了摩尔库伦（Mohr-Coulomb）、修正摩尔库伦（ModifiedMohr-Coulomb）、邓肯-张（Duncan-Chang）等十来种本构及自定义本构模型，并支持应力分析、动力分析、渗流分析、应力-渗流耦合分析、边坡稳定分析、衬砌分析和设计功能，被广泛应用于地下结构、隧道、岩土、水工、地质、矿山等方面的科研与工程评估。本章采用 Midas GTS NX 对位于灰岩地层的盾构隧道进行三维建模，分析比较管片在各种组合形式下衬砌结构在各方面的性能。
第二章 非岩溶发育区不同拼装方案的性能研究
2.1 引言
现有管片拼装方案的研究仍局限于通缝与错缝两种接缝型式的对比，且试验模型数量比较局限，没有充分考虑封顶块位置的影响，研究结果的普适性有待考究。基于此，本章兼顾通缝与错缝两种接缝型式，并考虑封顶块的拼装点位，制定了各种拼装方案，通过岩土通用有限元软件建立地层-结构模型，对衬砌结构不同拼装方案下的应力分布、整体变形、轴线位移和接缝状况进行了对比分析。
2.1 引言
现有管片拼装方案的研究仍局限于通缝与错缝两种接缝型式的对比，且试验模型数量比较局限，没有充分考虑封顶块位置的影响，研究结果的普适性有待考究。基于此，本章兼顾通缝与错缝两种接缝型式，并考虑封顶块的拼装点位，制定了各种拼装方案，通过岩土通用有限元软件建立地层-结构模型，对衬砌结构不同拼装方案下的应力分布、整体变形、轴线位移和接缝状况进行了对比分析。
盾构隧道是在盾壳保护下，由预制管片在其内部拼接成环，逐环连接而形成的。管片类型可以依据结构层数、成环型式、制作材料、每环块数等方面进行划分，按材料划分管片主要有钢筋混凝土管片、钢管片、球墨铸铁管片和复合管片四种类型。
钢筋混凝土管片加工制作比较容易，造价低、有一定强度且耐腐蚀，是最常用的管片形式；但钢筋混凝土管片由于比较笨重，容易在运输及安装过程中损坏。
钢管片主要通过钢板或者型钢焊接加工而成，其强度高、延性好，运输和安装都比较轻便；但在施工过程中容易受施工应力作用产生变形，且耐久性能较薄弱，在地层环境中容易锈蚀。
球墨铸铁管片易铸成薄壁结构，除了同钢管片一样具有强度高、延性好、运输安装方便等优点，还具有外形准确、精度高、防水性能好等特点；但该类型管片需翻砂成型后用大型金属切削机械加工，加工设备要求高、造价大。
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钢筋混凝土管片加工制作比较容易，造价低、有一定强度且耐腐蚀，是最常用的管片形式；但钢筋混凝土管片由于比较笨重，容易在运输及安装过程中损坏。
钢管片主要通过钢板或者型钢焊接加工而成，其强度高、延性好，运输和安装都比较轻便；但在施工过程中容易受施工应力作用产生变形，且耐久性能较薄弱，在地层环境中容易锈蚀。
球墨铸铁管片易铸成薄壁结构，除了同钢管片一样具有强度高、延性好、运输安装方便等优点，还具有外形准确、精度高、防水性能好等特点；但该类型管片需翻砂成型后用大型金属切削机械加工，加工设备要求高、造价大。
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2.2模型建立
Midas GTS NX 是针对岩土及隧道结构的分析和设计而开发的岩土隧道结构专用有限元分析软件，程序提供了摩尔库伦（Mohr-Coulomb）、修正摩尔库伦（ModifiedMohr-Coulomb）、邓肯-张（Duncan-Chang）等十来种本构及自定义本构模型，并支持应力分析、动力分析、渗流分析、应力-渗流耦合分析、边坡稳定分析、衬砌分析和设计功能，被广泛应用于地下结构、隧道、岩土、水工、地质、矿山等方面的科研与工程评估。本章采用 Midas GTS NX 对位于灰岩地层的盾构隧道进行三维建模，分析比较管片在各种组合形式下衬砌结构在各方面的性能。
2.2.1工程背景
2.2.1.1工程概况
广州市轨道交通九号线呈西东走向，经广州市花都区和白云区，线路西起飞鹅岭，经花都风神汽车城、广州北站、花都区政府、机场商务区等重点地段，至三号线北延段工程高增站止。全长约 20.119km，全部为地下线，线路沿线地面高程一般在 10m～20m之间。
沿线路大部地段分布的基岩是石炭系中上统壶天群灰岩或石炭系下统大塘阶石磴子组灰岩，褶皱和断裂地质构造发育，灰岩中岩溶（溶洞、土洞、溶沟、溶槽等）发育，人类建设活动降低地下水或地下工程活动扰动岩溶的静态平衡引起地面塌陷是本线路的主要不良地质作用和地质灾害现象。
根据勘察钻孔揭露，本标段不良地质作用有：断层和岩溶（溶洞、土洞、溶沟、溶槽）；特殊性岩土有：填土、软土、砂土、残积土、风化岩、煤、破碎岩带和风化深槽、溶洞、土洞的填充物。
2.2.1.1工程概况
广州市轨道交通九号线呈西东走向，经广州市花都区和白云区，线路西起飞鹅岭，经花都风神汽车城、广州北站、花都区政府、机场商务区等重点地段，至三号线北延段工程高增站止。全长约 20.119km，全部为地下线，线路沿线地面高程一般在 10m～20m之间。
沿线路大部地段分布的基岩是石炭系中上统壶天群灰岩或石炭系下统大塘阶石磴子组灰岩，褶皱和断裂地质构造发育，灰岩中岩溶（溶洞、土洞、溶沟、溶槽等）发育，人类建设活动降低地下水或地下工程活动扰动岩溶的静态平衡引起地面塌陷是本线路的主要不良地质作用和地质灾害现象。
根据勘察钻孔揭露，本标段不良地质作用有：断层和岩溶（溶洞、土洞、溶沟、溶槽）；特殊性岩土有：填土、软土、砂土、残积土、风化岩、煤、破碎岩带和风化深槽、溶洞、土洞的填充物。
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3.1 引言 .................................... 41
3.2 广州地区岩溶发育特征概述 ................................... 41
3.3 岩溶工况模拟方案 .................................. 42
第四章 岩溶发育区不同拼装方案的性能研究 ........................................... 51
4.1 引言 ................................... 51
4.2 模型建立 ............................... 51
第四章 岩溶发育区不同拼装方案的性能研究
4.1 引言
通过第三章不同岩溶条件的初始地应力分析可知，溶洞位于隧道下方或侧边时，隧道所在位置及其周边岩土体的初始应力会受到不同方式的影响。针对两者初始地应力的主要特征，分别制定不同的拼装试验方案，并通过岩土通用有限元软件建立地层-结构模型，对衬砌结构在不同岩溶工况下不同拼装方案的整体变形、轴线位移和接缝状况进行了对比分析。
4.1 引言
通过第三章不同岩溶条件的初始地应力分析可知，溶洞位于隧道下方或侧边时，隧道所在位置及其周边岩土体的初始应力会受到不同方式的影响。针对两者初始地应力的主要特征，分别制定不同的拼装试验方案，并通过岩土通用有限元软件建立地层-结构模型，对衬砌结构在不同岩溶工况下不同拼装方案的整体变形、轴线位移和接缝状况进行了对比分析。
本章节采用三维有限元建模，研究不同拼装方案下盾构隧道的性能表现，为合理利用计算机资源、简化计算工作，做出如下假定条件：
（1）参考相关文献[90-92]，假定溶洞为圆形断面。
（2）将包括管片衬砌、螺栓在内的隧道结构视为弹性材料，将岩土体视为均匀、各向同性材料。
（3）忽略手孔、注浆孔及螺栓套管，且不考虑螺栓与混凝土管片之间的接触作用，将两者关系简化为节点耦合。
（1）参考相关文献[90-92]，假定溶洞为圆形断面。
（2）将包括管片衬砌、螺栓在内的隧道结构视为弹性材料，将岩土体视为均匀、各向同性材料。
（3）忽略手孔、注浆孔及螺栓套管，且不考虑螺栓与混凝土管片之间的接触作用，将两者关系简化为节点耦合。
（4）不考虑管片内部钢筋的作用，忽略管片接缝处的软木衬垫、橡胶密封垫及密封垫沟槽。
（5）视隧道壁后注浆均匀包裹隧道衬砌，注浆厚度为盾构机外圆半径与隧道衬砌外圆半径之差。
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结论与展望
5.1 结论
参考文献（略）
（5）视隧道壁后注浆均匀包裹隧道衬砌，注浆厚度为盾构机外圆半径与隧道衬砌外圆半径之差。
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结论与展望
5.1 结论
参考文献（略）