广义的隧道塑性等效连续化模型研究

本文在传统纵向等效连续化模型基础之上,通过引入横向刚度有效率来考虑横向刚度的变化,对塑性状态下纵向等效连续化模型进行理论推导,得出考虑横向刚度有效率的塑性状态纵向等效抗弯刚度计算式,从而将盾构隧道横向刚度的变化与纵向等效刚度分析在塑性领域结合起来。结果表明,塑性状态下,随横向刚度减小,截面受压区面积增大,隧道纵向等效抗弯刚度有效率减小。传统纵向等效连续化模型可以看作是该模型的特例。本文的研究成果对于盾构隧道纵向变形分析具有一定的参考价值。     

类矩形盾构隧道纵向抗弯刚度分析

类矩形盾构隧道的等效抗弯刚度是分析其纵向受力变形的重要参数。基于等效连续化模型的基本原理,建立类矩形盾构隧道纵向等效连续化模型,推导得到类矩形盾构隧道的等效抗弯刚度解析解。通过参数分析,研究螺栓、管片宽度、厚度和截面形状等参数对类矩形盾构隧道纵向抗弯刚度有效率的影响。研究表明,由于类矩形盾构隧道截面的特殊性,在建立等效抗弯刚度模型时,需分别对中性轴在隧道腰部和拱底两种不同的情况进行讨论;增加螺栓数量和加大管片宽度可提高类矩形盾构隧道的等效抗弯刚度有效率,中性轴位置随着上移,环缝受拉张开区域减小;增加管片厚度可增加隧道绝对等效抗弯刚度,但是等效抗弯刚度有效率下降,中性轴位置下移;中性轴位置随着宽高比增大而快速下移,当中性轴位置角度与小圆弧圆心角相等时,中心轴下移曲线发生转折;当宽高比为1时,所得解析解退化为圆形盾构隧道等效抗弯刚度解。     

考虑横向性能的盾构隧道纵向等效刚度分析

盾构隧道作为一个三维问题,其横向性能与纵向性能是密切联系的,将其横向和纵向割裂为两个平面问题,虽然可使问题简单化,但无法考虑纵横向性能的匹配关系。在横向修正惯用法的基础上,将横向弯曲刚度有效率引入到纵向等效连续化模型的推导中,对考虑横向刚度影响的盾构隧道纵向等效抗弯刚度进行理论推导,得到了考虑横向刚度有效率的纵向等效抗弯刚度计算式,从而初步将纵向刚度的分析与横向刚度的变化统一起来,进而也说明了盾构隧道纵、横向抗弯刚度的相关性和匹配性。实例分析表明：盾构隧道横向抗弯刚度的大小与纵向等效抗弯刚度关系密切,表现为同方向、近线性关系变化,即纵向抗弯刚度随横向抗弯刚度的增大而增大。     

类矩形盾构隧道纵向抗弯刚度分析

类矩形盾构隧道的等效抗弯刚度是分析其纵向受力变形的重要参数。基于等效连续化模型的基本原理,建立类矩形盾构隧道纵向等效连续化模型,推导得到类矩形盾构隧道的等效抗弯刚度解析解。通过参数分析,研究螺栓、管片宽度、厚度和截面形状等参数对类矩形盾构隧道纵向抗弯刚度有效率的影响。研究表明,由于类矩形盾构隧道截面的特殊性,在建立等效抗弯刚度模型时,需分别对中性轴在隧道腰部和拱底两种不同的情况进行讨论;增加螺栓数量和加大管片宽度可提高类矩形盾构隧道的等效抗弯刚度有效率,中性轴位置随着上移,环缝受拉张开区域减小;增加管片厚度可增加隧道绝对等效抗弯刚度,但是等效抗弯刚度有效率下降,中性轴位置下移;中性轴位置随着宽高比增大而快速下移,当中性轴位置角度与小圆弧圆心角相等时,中心轴下移曲线发生转折;当宽高比为1时,所得解析解退化为圆形盾构隧道等效抗弯刚度解。     

基于修正纵向等效连续化模型的隧道变形受力研究

及时掌握隧道结构变形受力情况对于保证地铁运营安全意义重大。通过增加考虑横向刚度、环缝作用范围和螺栓预应力的影响,建立了新型的盾构隧道修正纵向等效连续化模型,据此提出了弹、塑性状态下隧道纵向等效抗弯刚度、极限弯矩以及最大环缝张开量的计算方程；以上海地铁二号线为工程背景,分析了横向刚度和环缝作用范围对隧道等效抗弯刚度的影响规律；之后建立了5类隧道结构临界状态下隧道纵向曲率半径、接缝张开值、管片应力、螺栓拉力的求解公式,并求得了对应的界限指标,所得指标值可作为隧道健康状态诊断的依据。     

壁后注浆引起盾构隧道上浮对结构的影响

壁后注浆作为盾构隧道施工中必备和关键工序,其质量的好坏不仅影响地层变形,还可能引起隧道在施工期的上浮,对结构产生较大影响。基于等效连续化模型和弹性地基梁理论,建立盾构隧道纵向分析模型,通过有限元数值模拟,求得最大上浮变形出现在盾尾后10环附近。借助环缝最大张开量这一参数,分析土层反力系数、环缝连接螺栓数量、隧道掘进速度及管片环宽度的影响,得到如下结论:(1)环缝最大张开量随土层反力系数、环缝连接螺栓数量的增大而减小,随隧道掘进速度、管片环宽度的增大而增大,且较为显著;(2)当隧道周围地层反力系数较小时,通过适当的地基处理方法来提高反力系数效果显著。     

类矩形盾构隧道纵向等效抗弯刚度解析解

结合类矩形盾构隧道截面特点,分别对中性轴位于截面上部边缘(环缝完全闭合)、截面上拱部、截面腰部和截面下拱部4种情况进行分析,并进一步考虑螺栓预紧力和环缝影响范围,推导得到类矩形盾构隧道的纵向等效抗弯刚度解析解,并对影响纵向等效刚度的相关因素进行探究.研究表明:当施加弯矩小于环缝启动弯矩时,环缝全部闭合,等效纵向抗弯刚度...     

考虑盾构隧道纵向应力松弛的环缝渗漏水计算分析

为揭示盾构隧道环缝渗漏水演变过程及其影响因素,基于裂缝渗流模型推导盾构隧道管片环缝渗流量计算公式,进一步考虑隧道纵向应力松弛的影响,建立环缝渗漏水演变的时变状态模型,结合算例进行环缝渗漏水演变规律探讨和参数敏感性分析。结果表明,盾构隧道渗漏水量随着环间张开量增大或者外部水头高度的提高而增大,随着环间接头刚度的增大而减小。张开量对环间渗漏水的影响较为敏感,隧道顶部的渗流量始终小于底部。盾构隧道纵向应力越低,隧道渗漏水现象越明显。当纵向应力由3.2MPa衰减为1.2MPa时,渗流量增长为原来的12倍,且不同部位的环间渗流量差距逐渐扩大,隧道底部的渗流量约为顶部的2倍。在隧道纵向应力松弛后,纵向连接螺栓复紧将极大地降低环缝渗漏水量,螺栓复紧导致环缝渗漏量减小为原来的80%,导致纵向应力达到稳定状态后的环缝渗漏量减小至原来的20%以下。工程实践中,应重视盾构隧道纵向应力松弛对衬砌环间防水性能的影响。     

轴力和弯矩共同作用下盾构隧道纵向非线性等效抗弯刚度研究

实际工程中,盾构隧道纵向弯矩和轴力可能同时存在,若按传统的纯弯等效抗弯刚度计算可能会带来较大误差。考虑轴力和弯矩共同作用对纵向弯曲变形的影响,提出5种弯曲模式,在经典的志波模型的基础上,建立盾构隧道纵向等效抗弯刚度计算模型,基于该模型开发了计算程序,以成都地铁3号线盾构隧道为实例,对其纵向等效抗弯刚度和管环张开量随轴力和弯矩的发展规律进行分析,并讨论弯曲模式的实用判别方法,求出变形过程的临界弯矩,最后给出纵向弯曲变形为线性和非线性的内力条件。研究发现:盾构隧道纵向变形随弯矩的发展过程可按轴力分为4类,各过程下管环张开量和等效抗弯刚度随弯矩的发展规律十分不同;轴力对等效抗弯刚度有显著影响,一般呈现压弯纯弯拉弯的规律。研究成果可应用于盾构隧道结构纵向力学分析、抗弯刚度分析等方面。     

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。     

盾构法隧道的纵向刚度计算方法

为进行盾构法隧道的纵向变形与内力分析 ,对“等效连续梁模型”进行了深化 ,提出了盾构法隧道纵向拉压刚度与弯曲刚度的计算方法。并将此方法应用于上海市地铁二号线区间隧道的计算 ,为设计提供理论依据。     

地表超载作用下盾构隧道劣化机理与特性

对某软土地区地铁盾构隧道进行了调研与分析,发现盾构隧道在现有计算理论所允许的地表超载作用下极易发生横向变形超限,并引发管片纵缝接头破损与渗漏水,对此展开了模型试验、数值仿真及理论分析。研究表明:地表均布超载导致的隧道附加竖向土压力并不是均匀分布,且在隧道中心正上方一定范围内要大于地表均布超载;隧道的穿越土层越软弱,地表超载导致的隧道周围附加土压力对隧道结构抵抗横向变形越不利;隧道发生横椭圆变形过程中,管片纵缝接头是管片环中的最薄弱部位。最后提出了软土地区盾构隧道采用"刚性衬砌"的设计理念,并给出了加大管片纵缝接头强度与刚度的建议。     

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。     

模型盾构隧道管片纵缝接头设计方法

考虑到拼装的缩尺模型管片环与原型管片环的纵缝接头刚度相似性难以满足要求,建议缩尺模型隧道采用开槽模型接头,并分别得到了采用两侧同时开槽、内侧开槽及外侧开槽的模型接头设计计算方法。通过开槽模型接头的管片环模型与梁—弹簧模型的计算结果比较,表明开槽模型接头的设计方法可行,开槽模型接头能很好地模拟拼装管片接头。在综合考虑开槽模型接头的开槽宽度对管片环结构内力与变形的影响与开槽模型接头的加工可行性的基础上,建议开槽模型接头对应的管片环中心角取值为3°~5°。提出的开槽模型接头设计计算理论可用于缩尺模型管片环的纵缝接头设计及在惯用法均质圆环的基础上进行局部抗弯刚度折减的数值模型隧道的建模。     

上海长江隧道的纵向受力分析及安全性评价

结合上海越江隧道工程，选取滚沙、下卧土层液化、不均匀沉降为纵向变形影响因素，运用等效轴向刚度连续模型，进行隧道纵向受力分析，以此分析盾构隧道的破坏机理，并提出安全性建议。     

盾构隧道横向刚度有效率研究

对现有国内外盾构隧道横向刚度有效率的取值进行了整理分析,认为目前通错缝隧道刚度有效率的取值常凭经验判定,缺少足够的验证。基于二环盾构隧道相似结构模型加载试验的结果以及相关研究成果,发现隧道加载时变形与荷载存在着明显的线弹性关系,隧道刚度有效率为一常数,符合修正惯用设计法的理论基础。对上海地铁盾构隧道的研究表明,通缝拼装时刚度有效率为0.67,错缝拼装时刚度有效率为0.75,软弱土体抗力对隧道有效刚度的影响可以忽略。通过与已有经验公式、结构试验结果的比较,表明相似模型结构试验具有简单、可操作性强、数据丰富、结果可信、经济的特点,可成为研究通错缝拼装盾构隧道刚度有效率的较理想方法。