盾构隧道横向地震响应规律研究

盾构隧道衬砌是典型的装配式衬砌,各种类型接头的存在使得它与整体式衬砌的力学特性存在较大差异。将管片横向接头考虑为旋转弹簧、管片环间接头考虑为剪切弹簧的梁–弹簧模型能够真实地反映管片衬砌的力学行为,但该模型目前仅应用于静力及拟静力分析。将动力有限元方法和梁–弹簧结合起来,提出一种盾构隧道横断面地震响应分析的动力有限元计算模型和方法,这种方法能够有效地模拟地基与结构之间的动力相互作用,能够模拟不同管片接头形式及纵向拼装方式的影响,并且具有很高的计算精度和效率。随后利用该方法对武汉长江隧道工程盾构段典型横断面进行了隧道地震响应分析,研究了不同的结构及接头参数对结构受力与变形的影响规律以及地基加固的减振效果。分析结果表明,管片横向、纵向接头刚度以及管片厚度的改变对衬砌整体变形的大小影响较小,但对衬砌内力尤其是剪力和弯矩的影响显著,三者的增大都会增大结构的内力,而对盾构隧道周围的土体采取适当方法进行地基加固处理,能有效降低结构的内力和变形,减震效果显著。     

盾构隧道管片环纵向接头抗弯刚度值的不动点迭代确定方法

 盾构隧道管片环纵向接头构造复杂,偏压荷载作用下,其变形具有明显的非线性特征,合理的接头抗弯刚度值是运用梁–弹簧模型进行盾构隧道管片环断面设计、计算的前提,而该抗弯刚度值与接头截面处内力组合情况密切相关。针对双衬垫式管片环纵向接头,利用已有简化力学模型,提出一定轴压作用下,接头各变形模式及各模式下的抗弯刚度解析式,并将已有管片接头各工况加载试验的转角实测值与对应变形模式的理论计算值进行对比,验证了其工程设计适用性。根据接头各变形模式下抗弯刚度解析式,结合基于梁–弹簧模型考虑接头刚度差异性的管片环内各纵向接头处截面内力解析式,构造关于管片环内各纵向接头抗弯刚度值的非线性方程组,由数值计算软件Maple编写该接头刚度非线性方程组的不动点迭代求解程序,多次试算最终得到合理的管片环内各纵向接头抗弯刚度值。     

盾构隧道结构刚度不连续性对衬砌内力及变形影响分析

盾构隧道衬砌是由若干管片装配而成,管片接头的存在是盾构装配式衬砌的主要特征,管片间接头处的刚度的折减造成了隧道结构整体刚度的降低。笔者根据管片接头双直线型力学模型,提出一种可以真实反映接头转角和弯矩耦合轴力非线性关系的有限元分析方法。结合某采用盾构法施工的输水管道工程,对施工开挖和运行充水工况进行二维数值模拟,计算结果表明,该有限元方法能有效模拟管片接头的力学特点,盾构隧道管片间接头的存在降低了衬砌的刚度,使管片环变形增大。     

盾构管片接头简化数值模拟方法

由管片组装的盾构隧道衬砌环刚度分布不均,其薄弱环节为管片接头处。管片接头刚度的合理确定对于盾构隧道施工全过程模拟的合理性、地表沉降槽的确定以及土体损失的准确估算至关重要。根据管片接头受力特点及其构造,考虑对管片接头及其附近区域进行刚度修正,而管片其余区域保持原刚度不变,提出管片接头简化数值模拟方法——局部刚度修正法。基于圣维南原理和变刚度梁理论,推导了确定接头刚度的公式,并给出了相关参数的确定方法。结合室内盾构管片接头足尺试验成果,对不同荷载作用下管片接头的变形情况进行了数值模拟及对比分析。研究成果为盾构三维施工全过程的精细化数值模拟分析奠定了基础。     

管片接头刚度对盾构隧道衬砌结构应力与变形的影响研究

基于杭州市地铁8号线盾构隧道某区间衬砌结构工程,采用有限元法研究了管片接头刚度对盾构隧道衬砌结构应力与变形的影响。研究结果表明：地表最大位移值随着管片接头刚度折减系数的增加而减小;盾构隧道衬砌结构内、外环顶部的环向位移与拱顶、拱底和拱腰处的环向应力均随着管片接头刚度折减系数的增加而增大;管片接头刚度对盾构隧道衬砌结构变形和地表位移均有较大影响,可采用提高管片接头刚度的方法减小盾构隧道衬砌结构变形,并采用注浆的方法抬升地表,进而降低地层损失率。该研究成果可为类似工程提供参考。     

梁单元模拟管片接头的盾构衬砌计算模型

目前考虑接头刚度的盾构非均质衬砌模型需要借助专业有限元软件计算,本文提出了用通用有限元软件来实现该功能的计算方法,即用普通梁单元模拟盾构衬砌管片接头。本文研究了实现该模型的关键问题,即建立起管片接头刚度、环间接头刚度与梁单元的几何参数、物理参数之间的关系。理论推导与数值计算表明:在模拟管片之间的接头时,Timoshenko梁能同时模拟接头的转动刚度、轴向刚度和剪切刚度,而Euler-Bernoulli梁只能模拟接头的转动刚度和轴向刚度;在模拟管片环之间的接头时,Timoshenko梁与Euler-Bernoulli梁均可以实现环间接头刚度的模拟,采用后者时求解梁单元截面参数比前者更简便。该模型能实现专业盾构隧道计算软件的主要功能,从而为盾构衬砌计算提供了一种简单、实用的方法。     

盾构管片接头刚度衰减系数(ACS)的影响

以盾构隧道衬砌三环原型加载破坏试验为基础,通过严格按照足尺试验尺寸、试验条件建立分析模型并消除环间作用的方法建立了单环加载破坏分析模型,着重就某局部管片接头转动刚度衰减对整环内力(弯矩)的影响进行分析,研究表明:(1)在盾构隧道管片整环破坏历程中,管片接头转动刚度的变化历程可通过转动刚度衰减系数这一特征变量进行追踪;(2)特定位置管片接头转动刚度衰减时,可导致其他位置管片弯矩发生增加或降低,且增减幅度并不一致;(3)在整环外加荷载增量保持不变的条件下,特定位置管片接头转动刚度的衰减(破坏)可导致管片环其它位置的弯矩迅速增加,从而引起或加速整环管片的破坏。     

考虑管片环间接头弱化的新建隧道上穿引起既有盾构隧道纵向变形分析

探究新建隧道上穿引起既有盾构隧道的纵向变形规律,对进一步评估并减少新建隧道施工对既有盾构隧道的不利影响具有重要的现实意义。现有解析方法多是将既有盾构隧道简化为搁置于线弹性地基上的等效连续梁,不能考虑隧道管片环间接头的弱化和土体非线性变形特征。首先,引入接头非连续盾构隧道模型和非线性Pasternak地基模型来考虑隧道管片环间接头的弱化及隧道–地基的非线性作用,推导得到新建隧道上穿开挖下既有盾构隧道纵向变形控制微分方程;其次通过有限差分法和牛顿迭代法求解得到既有盾构隧道纵向变形的数值解答;最后,对2个工程案例及常用等效连续梁模型对比验证。研究结果表明：等效连续梁模型计算得到的隧道纵向变形表现为连续特征,而所提方法考虑了隧道接头弱化作用,得到的隧道纵向变形表现为非连续特征,隧道纵向位移和弯矩在接头处会发生突变。通过参数分析可知,增加新旧隧道间净距可有效减少既有盾构隧道的隆起变形、弯矩和环间接头张开量;随着管片长度增加,既有盾构隧道的隆起位移略有减少,但是管片间环间张开量及弯矩随之增大;增加环间接头的刚度可有效减少既有盾构隧道的竖向位移和张开量,但是会导致隧道弯矩增加。     

地铁盾构隧道管片受力分析

盾构管片接头刚度系数一直是影响盾构管片设计计算结果正确性的直接影响因素。通过建立盾构管片及弯曲螺栓的三维非连续介质模型,以及设置合理的管片接头接触模型,消除了接头刚度系数对计算结果的影响。对盾构管片在实际荷载作用下的受力与变形情况进行研究。研究表明:管片拱顶与拱底接头向内侧张开,两侧拱腰接头向外侧张开。非连续介质模型中,盾构管片的分块拼装形式以及管片间连接螺栓单元的设置改变了管片环的整体刚度,管片接头附近出现了不均匀的波浪形云图。相对于惯用法模型,三维非连续介质模型的轴力值在接头处有明显突变,并且其最大正弯矩值小于惯用法模型计算结果。两种计算方法得出的最大负弯矩值相差不大,本次研究取得的成果对盾构管片设计工作有一定的参考价值。     

拉锚式管片接头的力学特性与优化研究

拉锚式盾构隧道管片接头是一种新型的管片接头形式,其构造与力学特征均有别于常规的管片接头形式。针对某类矩形盾构隧道管片试验采用的拉锚式接头,借助三维非线性弹塑性数值模拟对其抗弯力学特性进行了研究。讨论了工作状态及极限状态下拉锚式接头的计算模型的适用性、接头张角及转动刚度的变化规律以及拉锚破坏过程,并分析了不同螺栓预紧力、锚筋板刚度对接头变形特性的影响,提出了优化接头力学特性的一般方法,研究成果可供类似管片的设计与优化。     

软土盾构隧道横向大变形侧向注浆控制机理研究

注浆是治理软土盾构隧道横向变形等隧道病害经常采用的方法。提出了采用注浆引起的土体体积应变模拟隧道注浆效果的方法,并利用上海地铁隧道注浆加固实践验证了该方法的合理性。利用该方法,以注浆引起的隧道横向收敛、接头张开和错台变化为指标,分析了隧道侧向注浆对隧道横向变形的影响规律,揭示了注浆对隧道横向变形的作用机理;研究了注浆量和注浆范围对注浆加固效果的影响规律。研究发现,注浆能有效改善隧道横向收敛、减小接头张开量。在注浆初期,注浆对隧道横向变形的影响以管片转动为主,该阶段隧道接头张开量减小显著,而隧道收敛减小则相对缓慢;随注浆量的增加,注浆引起的管片运动以刚体平动位移为主,该阶段隧道横向收敛显著减小,但注浆引起的接头错台量和隧道侧向位移则不断增加。最后,以上海地铁隧道为背景,对注浆量和注浆加固范围提出了优化建议。     

管片衬砌梁–弹簧广义模型及接头转动非线性模拟

梁–弹簧模型法在盾构管片衬砌设计计算中逐渐得到广泛应用,但现有的梁–弹簧模型无法模拟盾构衬砌管片接头的不连续变形及接头转动刚度的非线性特性。基于此,开展了梁–弹簧模型在衬砌设计中的适用性及非线性接头转动刚度在梁–弹簧模型中的应用研究。研究表明:根据对相邻管片在接头位置结点位移处理的不同,可将梁–弹簧模型分为梁–弹簧连续模型和梁–弹簧不连续模型,后者又称为梁–接头模型,可准确分析盾构管片衬砌的内力及变形。采用梁–弹簧不连续模型求解衬砌内力及变形时:对于线性接头转动刚度模型,可基于卡氏第二定理求解;对于多段线性模型,可基于卡氏第一定理或克–恩定理求解;对于非线性模型,可采用增量–迭代法数值求解。     

光纤Bragg光栅传感技术在隧道监测中的应用

在阐述光纤Bragg光栅（FBG）传感技术的工作原理和优点的基础上,以昆明白泥井3#隧道为实例,提出FBG传感器在隧道内的铺设方案及温度补偿技术。经过对隧道断面的24h连续监测,讨论隧道内最大温差对Bragg反射中心波长变化的影响,并对隧道每一监测断面上温度传感系统所取得的Bragg波长值进行可靠性的估计,验证FBG监测系统的可靠性。对隧道进行8个月的定期监测,并对隧道断面的应变变化情况进行分析,分析结果表明：干湿季节交替是导致测点应变波动的重要因素,而雨季是致使测点应变变化增大的主要原因。目前隧道二次衬砌结构稳定;同时,研究结果表明,FBG可准确地测出隧道的应变分布,将其应用于隧道变形监测中是可行和有效的。     

地表堆载对既有盾构隧道纵向变形影响

临时基坑开挖弃土和建筑垃圾引起的地表堆载将对盾构隧道产生不利影响,威胁盾构隧道运营安全,因此有必要评估地表堆载作用下盾构隧道的变形。利用非线性Pasternak地基模型,考虑地基非线性变形特点,通过接头非连续盾构隧道计算模型反映盾构隧道环间接头的影响,利用两阶段法,推导得到地表堆载作用下盾构隧道纵向变形简化计算方法。首先,通过Boussineq解求得地表堆载下盾构隧道所受附加荷载; 其次,将附加荷载作用于盾构隧道,结合接头非连续盾构隧道模型推导得到盾构隧道在地表堆载作用下的纵向变形方程,并使用有限差分法对方程进行求解,最后结合2个工程案例验证了所提方法的合理性。结果表明:增加盾构隧道环间接头的转动刚度对减小隧道沉降的作用较小,但可以有效减小接头张开量; 增加堆载长度会同时增大盾构隧道沉降量和沉降范围,而增加堆载宽度只会导致隧道沉降量缓慢增加,但不会引起隧道沉降范围增大; 增大堆载边界线到隧道轴线的距离会有效减少堆载引起的沉降量。     

超载作用下软土盾构隧道横向变形机理及控制指标研究

隧道横向变形直接关系到结构安全,首先采用数值模拟方法研究了地面压载、土体侧向压力系数和土体抗力系数对隧道横向变形发展的影响,研究了隧道横向变形随压载的变化发展规律,建立了隧道直径变化和混凝土受力、螺栓受力以及接头张开量之间的关系,提出了以隧道直径变化作为隧道横向结构性态发展的判定指标;根据隧道横向变形发展规律,利用隧道结构变形发展过程中的结构几何特征,建立了隧道变形量发展的几何简易分析方法,利用该方法直接测量隧道直径变化就可以判定隧道变形状态,为隧道结构安全评价提供了十分简单有效的手段。     

壳-矩阵-弹簧模型衬砌结构受力性能研究

提出了壳-矩阵-弹簧系统模型,模型以平板壳单元模拟衬砌管片,以矩阵单元模拟衬砌拼装的螺栓,以土弹簧单元模拟衬砌与地层之间的相互作用。采用该模型对衬砌管片错缝拼装下的受力状态进行了分析,解决了采用传统的梁-弹簧模型平面应力-应变方法无法准确把握研究区域应力和变形的问题,可真实地反映衬砌管片结构的力学性态。采用壳-矩阵-弹簧模型分析了影响衬砌管片结构受力性能的不同因素,得出了一些有益的结论,以供盾构隧道衬砌结构设计计算参考。     

热力盾构隧道先盾后井施工衬砌接头变形机理与控制

先盾后井是热力盾构隧道建设中一种高效经济的施工工法。结合中国首例大断面热力盾构隧道工程,基于纵向等效连续化模型和弹性地基梁理论,对施工过程中衬砌接头受力特征和变形机理进行了分析,并提出控制措施;然后建立了衬砌接头全断面接触面单元数值模型,对控制效果进行分析和评价;最后通过现场监测,得到了不同施工阶段管片纵向轴力及接缝变形规律。研究结果表明:先盾后井工法施工中,衬砌接头变形分为两个阶段:基坑开挖及管片拆除,其中管片拆除为接头变形的主因,基坑施工中,基底卸荷产生的负弯矩作用于隧道上,导致邻近竖井管片底部轴力减小、环缝张开,拆除基坑内管片时,作用于端头管片的残余盾构推力和螺栓预紧力消失,导致管片纵向轴力进一步衰减,环缝二次张开;根据现场监测结果,提出的对邻近竖井的管片纵向拉紧并复紧连接螺栓,进行混凝土铺底及衬砌背后二次注浆的控制措施能够有效控制轴力损失,减小接头变形,施工中环向接缝最大张开量3.51 mm,满足隧道防水要求;采用全断面接触面单元建立的数值模型可以较为精确地模拟施工中管片接头力学行为,其结果可作为控制效果评价参考依据。     

水压作用对通缝拼装管片结构力学性能的影响研究

以苏通GIL综合管廊工程为背景开展了通缝拼装方式下的原型试验,从水压对管片环的受力、形变及抗裂性方面着手,对通缝拼装条件下水压力对管片结构力学性能影响进行了研究。试验结果表明：①通缝拼装管片结构在拱顶位置出现较大的位移,水压力的增大对管片结构拱顶形变和整体椭圆变形的控制有良好的效果,但管片最大单点位移相比椭圆度更易达到限值;②通缝拼装管片结构建议取单点最大形变率2‰~2.5‰作为形变控制标准;③在高水压作用下通缝拼装管片结构的纵缝张开主要发生在封顶块附近,由于该处纵缝密集、结构刚度最小、变形最大所致,水压力的增大对该处纵缝张开有明显的限制作用,且可减小相应连接螺栓的受力;④水压力的增大会较大幅度地提升管片的抗裂性能,并减小管片主筋的拉应力,但也会使主筋的压应力和箍筋应力有较大幅度的升高;⑤水压力的升高在一定程度上提高了管片结构的受力性能,但高水压使管片结构处于高轴压受力状态,易发生纵缝处的压剪破坏,该破坏具突发性。研究成果对水下盾构隧道的设计具有重要的指导意义。     

光纤传感技术在边坡模型试验中的应用

 关于边坡模型的坡体变形监测较为困难,将光纤传感技术应用于边坡模型试验尝试解决这一问题。构建边坡模型进行人工降雨试验,采用光纤布里渊散射光时域反射测量技术(BOTDR)监测坡体变形和光纤光栅(FBG)传感技术监测坡面变形。将BOTDR光纤分层埋入坡体不同位置,以边坡后缘模型箱为固定的参照点,监测坡体内不同位置的应变变化;将光纤光栅传感器铺设在坡面的不同位置,以坡面后缘为固定参照点,监测坡面各位置处位移变化。根据降雨前、降雨过程中及降雨后变形记录资料,得到边坡在降雨作用下的变形规律：在降雨初始一段时间内,边坡并没有明显变形,随着降雨时间的发展,坡体和坡面位移会出现突发性的大幅度增长,并且距坡面较近的土体产生较大的变形,坡体底部变形较小。总体规律是随着坡体深度的增大,坡体变形受降雨入渗的影响越来越不明显,这解释了降雨诱发的均质土坡破坏容易出现在浅层的原因。在坡面上,后缘产生较大位移,而坡体前端位移较小。降雨停止后,部分变形值会变小。试验结果表明,用光纤BOTDR和FBG传感技术监测有众多的优点,且光纤传感技术在岩土模型试验中具有良好的应用价值和前景。     

盾构管片横向大变形TRC控制方法及作用机制研究

 为有效控制盾构管片的横向变形,分析盾构隧道的加固特点和常用内表面加固方法存在的不足,提出纤维编织网增强混凝土(textile-reinforced concrete,TRC)控制方法。建立TRC加固层及界面模拟方法,并利用试验结果验证该方法的合理性,进一步采用数值手段研究隧道横向变形和顶拱接头张开量在不同地层刚度系数、加固时机、纤维编织网用量和加固层布置范围下的响应规律。在此基础上,结合管片的变形和内力规律,揭示TRC控制管片横向变形的作用机制。研究表明：TRC能有效控制隧道横向变形和顶拱接头张开量,地层刚度系数越小,控制效果越优异;加固前隧道已有变形会造成纤维编织网产生损失应变,已有变形越小,损失应变越小,控制效果越好;纤维编织网用量提高,控制效果增强,但纤维编织网利用率降低,因此增强趋势减弱;TRC加固层合理布置范围建议在顶拱反弯点间的受拉部位,在该范围内,加固层越长,控制效果越好。研究结果丰富了管片内表面加固方法,深化了内表面加固机制的认识,可为工程实践提供理论指导和技术支持。