衬砌—砂卵石地层随动塌落伞拱力学模式研究

郭璇，邹翠荣，刘保国，等

摘要：目的：衬砌作为地铁的主体支护结构，围岩作用的过程压力及荷载效应是设计的主要难题。城市地铁环境敏感、注浆及地层扰动重复交叉，水文地质条件复杂，土性参数变化显著，衬砌结构设计不可避免偏保守；同时伴随管网不断扩容，空间有限等客观制约，其精细化设计的研究也不断深入。衬砌—砂卵石地层随动塌落伞拱力学模式研究为其提供一种基础理论方法和参考。方法：针对北京地铁既有线穿越松散砂卵石、大颗粒粗砂、粉土互层交替、软硬不均复合区间段的典型工程特点，开展浅埋衬砌1～3倍洞径覆土的开挖破坏模型实验，建立衬砌—砂卵石地层相互作用的随动塌落伞拱结构力学模型，观测衬砌周边随动滑移区的压力拱特征，给出砂卵石复合地层地铁衬砌土压分布的分区分析。对比理论解、模型试验及有限元模拟，细化浅埋地铁衬砌随动塌落伞拱的应力传递过程及主被动土压作用模式。使用FLAC3D摩擦界面元模拟扰动地层的土压分区分布、变形及应力传递，对比北京地铁 5号线天坛东门站等拱顶土压实际监测值，对其临界滑移松动土压及荷载模式进行验证。结果：模型可较好描述滑裂区附近的局部成拱效应及分区土压折减特征，涵括衬砌—土相互作用的地层拟成拱、渐进塌沉、瞬间塌穿等破坏过程。模型试验结果表明，随土体黏聚力和内摩擦角增大，衬砌结构的松动土压力整体随之减小，滑切面摩擦力垂直分量增大的微观特征明显，隧洞周边土压力呈非线性减小。……