盾构区间隧道与连接通道连接处的三维受力分析

从盾构隧道管片衬砌结构和接缝接头的变形特点、衬砌结构与土层相互作用的模式出发,考虑盾构区间隧道和连接通道的施工工艺特点、结构的对称形状等,研制了适用于此种特殊受力结构体系的三维广义协调平板壳-弹性铰-地基系统计算模型,该模型可以考虑盾构隧道管片衬砌结构的错缝拼装或通缝拼装情况、衬砌结构和接缝之间的不连续性、接缝接头能承受一定弯矩的特点以及衬砌结构和土层的相互作用等。并对某越江盾构隧道工程进行了计算分析,为工程初步设计方案优化提供了较好的参考。     

盾构隧道管片衬砌受力分析力学模式探讨

以铰接圆环、匀质圆环和梁-弹簧模型三种力学模式对盾构隧道管片衬砌的内力进行了计算分析,得出用梁-弹簧模型计算的弯矩值介于铰接圆环和匀质圆环的内力值之间.梁-弹簧模型直接考虑接头的抗弯刚度,能够真实地模拟管片衬砌的力学行为,因此在盾构隧道管片衬砌设计中,具有推广意义.     

裂缝数量对盾构隧道管片结构力学性能的影响

盾构隧道管片在制作、养护、运输及拼装过程中,常会出现裂缝,裂缝的存在在一定程度上会影响管片衬砌结构的整体受力。以中国某地铁越江盾构隧道为工程背景,采用相似模型试验的方法,基于盾构隧道管片的位移、内力及声发射数据,系统分析裂缝数量对管片衬砌结构力学特性的影响规律,并通过管片破坏过程示意图分析管片结构的破坏模式。研究结果表明：管片衬砌结构承载阶段可划分为弹性承载、塑性承载和破坏失稳3个阶段;裂缝的存在降低了管片衬砌结构的整体刚度,随裂缝数量增加,管片衬砌结构的弹性承载范围增加,塑性承载阶段范围减小,损伤破坏的空间影响范围呈增大趋势,结构的失稳破坏趋于突发性破坏,相同荷载下的变形增大,结构的极限承载力降低;裂缝的存在使得管片在预制裂缝位置产生纵向贯通裂缝,随裂缝数量增加,纵向贯通裂缝数量增加,破坏区域由某一位置发展为条带状分布,当拱腰预制裂缝数量达到3条时,裂缝之间管片的相互挤压导致网状裂缝产生,结构局部出现压溃区。     

软土地基大直径地铁盾构隧道衬砌结构受力特性数值分析研究

为得到能真实反应软土地基大直径盾构隧道结构受力特点又能保证衬砌结构安全的设计模型,结合广州轨道交通4号线南延段大直径地铁盾构隧道结构现场实测结果,采用ANSYS软件研究适用于软土地基大直径盾构隧道衬砌结构设计的计算模型。基于反分析得到的设计模型,对水平侧压力系数、地基弹簧刚度、管片厚度、管片接头位置、管片分块数量等影响大直径盾构隧道衬砌结构受力特性的因素进行敏感性分析。结果表明： 1）采用地基弹簧模拟底部反力并通过调整弹簧的范围可得到既能真实反映衬砌结构受力特性又能保证结构安全性的计算模型; 2）衬砌结构受力对侧压力系数和管片厚度敏感,对地基刚度不敏感; 3）接头位置变化和管片分块数量主要影响布置地基弹簧范围内的管片受力。     

考虑衬砌渗透性的盾构下穿既有隧道纵向结构错台变形研究

目前针对盾构开挖下穿既有隧道的解析理论研究一般基于Winkler地基模型,且未考虑既有隧道衬砌渗透特性,常常忽视地基剪切变形和既有隧道渗漏水的影响。基于体现土体剪切特性的Pasternak地基模型,首先计算了既有隧道渗漏水影响下盾构开挖在既有隧道轴线处产生的附加荷载。在此基础上,通过能量变分法建立由抗拉弹簧及剪切弹簧共同连接相邻管片环的既有隧道变形模型,获取隧道纵向结构剪切错台响应规律。选取多个工程实例,将理论解析结果与现场实测数据进行对比后发现,考虑地基剪切变形及既有隧道渗漏影响的理论解析结果更加贴近实测数据。此外,针对既有隧道异常渗漏区间渗漏程度、异常渗漏范围、异常渗漏位置进行了影响因素分析,并依据环间错台量及环间转角对既有隧道进行安全等级评估。通过参数分析发现：随着异常渗漏区间衬砌渗漏程度的增大,既有隧道纵向结构变形显著增大,当异常渗漏区间衬砌-土体相对渗透系数为0.1时,已有小范围环间错台量及转角被纳入安全评估等级Ⅲ;随着异常渗漏范围的扩大,既有隧道纵向结构变形增大,更大范围的环间错台量及转角达到安全评估等级Ⅲ;异常渗漏位置向远离新建隧道中心轴线方向发生偏移,既有隧道纵向变形逐渐减小,纵向结构变形峰值沿异常渗漏位置偏移方向发生偏移。     

湛江湾跨海盾构隧道管片变形与受力分析

以湛江湾跨海盾构隧道工程为背景,应用数值分析方法,建立了单环衬砌结构的三维有限元精细模型,研究了在不同水头作用下单环管片结构以及接缝部位的变形情况。采用修正惯用法得出在最大水头作用下管片结构的内力分布,由此推算出管片内、外侧的环向钢筋应力,并与现场的应力监测数据进行对比。研究表明： 1）高水压作用下,单环管片衬砌的变形呈现“横鸭蛋形”,且管片结构变形和接缝张开量均与外水压力变化呈线性关系; 2）作用水头每增加10 m,衬砌结构中各接缝张开量绝对值约增加0.5 mm; 3）采用修正惯用法计算得到的钢筋应力与实测结果较为吻合,较好地反映了隧道管片的实际受力状态。     

类矩形盾构隧道结构整体安全性试验与分析

为研究类矩形盾构隧道结构在意外堆载工况下的整体安全性,针对2环纵向接缝构造相同,管片配筋不同的衬砌结构进行整环足尺加载试验。试验通过30点集中荷载模拟类矩形盾构衬砌结构在意外堆载工况下的实际受力,利用位移计和电阻应变片等传感器得到类矩形盾构隧道结构在意外堆载工况下的破坏过程、结构变形、接缝变形及螺栓应变等试验结果,对其进行分析得到了类矩形盾构隧道结构在意外堆载工况下的破坏机理;并对比分析了2环试验结构试验结果,探究了不同管片配筋量对结构受力性能的影响。最后,从结构鲁棒性角度出发,分析了意外堆载工况下类矩形盾构隧道结构的鲁棒性指标,对类矩形盾构隧道结构整体安全性进行评价,并通过对比分析2环试验结构的鲁棒性指标,为提高类矩形盾构隧道结构整体安全性提出管片优化设计的建议。研究结果表明:类矩形盾构隧道衬砌结构的薄弱环节为管片间的纵向接缝及T块与中柱连接处;纵向接缝构造形式相同前提下,管片配筋量增加对纵向接缝受力影响不明显,不能使类矩形盾构隧道结构的鲁棒性明显提升;管片截面抗剪不足导致结构局部破坏而失去承载力不利于结构的鲁棒性,可通过优化管片本体截面的抗剪承载力提高类矩形盾构隧道结构的整体安全性。     

地铁盾构隧道弯矩和变形控制值研究

为评估紧邻基坑施工对地铁盾构隧道结构安全和运营安全的影响,需确定盾构隧道结构的弯矩和变形控制值。以广州地铁一号线黄沙车站地铁上盖基坑工程为背景,首先,根据盾构管片尺寸、配筋和接头螺栓情况,计算盾构隧道管片的弯矩控制值,评估依托工程盾构隧道结构的应力水平;其次,通过等效轴向刚度模型理论和简易接缝张开量计算方法,分析盾构隧道纵向变形曲率与管片环缝接头张开量的关系;然后,结合地铁盾构隧道保护经验和管片环模型试验结果,提出盾构隧道变形的控制值;最后,通过依托工程地铁盾构隧道结构的三维变形实测数据分析,评估目前盾构隧道结构的安全现状,并对隧道变形的监测工作提出建议。研究成果可为今后类似工程地铁盾构隧道的安全保护提供指导。     

下穿铁路的盾构隧道纵向力学行为研究

采用梁-地层弹簧模型,进行了在铁路列车荷载作用下盾构隧道纵向力学行为有限元分析。结果表明:当等效的管片环数较多时,环数的变化对其纵向刚度的影响很小,两侧计算边界取1倍上部荷载作用长度;当盾构隧道的埋深大于2倍隧道外径时,纵向内力和变形很小,满足强度和刚度要求,其纵向设计不需特殊考虑;随着埋深的增加,列车荷载所产生的管片纵向附加内力和变形减小。     

双车道高速公路越江盾构隧道管片结构开发与力学分析

针对双车道高速公路越江盾构隧道,开发了一种10块等分管片结构,并进行了力学分析.结果表明:通缝拼装管片结构的变形较大,弯矩和剪力最小,纵向螺栓的剪力为零;而错缝拼装的变形较小,弯矩和剪力最大,纵向螺栓剪力较大;两种拼装条件下轴力变化不大;水土分算情况下管片结构的内力和变形比水土合算的要小.10块等分管片在特定的错缝拼装条件下,每一环管片的内力和变形是相同的,可改善管片结构的受力特征、减少配筋量.管片一环10块等分有利于优化配置运输能力和管片拼装机械手的拼装能力,同时减少管片的接头数量、增加隧道衬砌的防水能力,值得在我国双车道高速公路越江盾构隧道中推广应用.     

围压对错缝拼装管片衬砌结构力学性能的影响

为了探明围压对盾构隧道错缝拼装管片衬砌结构力学性能的影响,以苏通GIL电力管廊隧道为工程背景,采用"多功能盾构隧道结构体试验系统"对3种不同围压下的错缝拼装的管片衬砌结构进行了原型加载试验,从管片衬砌结构的内力、变形、纵缝张开、螺栓应变和主筋应变等方面研究了围压对管片衬砌结构的影响。研究结果表明：①围压变化对管片衬砌结构弯矩的大小和分布影响较小,而对轴力大小和分布影响较大,围压增大,管片衬砌结构的轴力分布更为均匀;②管片衬砌结构的形变呈现不规则的"椭圆形",围压增大可显著降低管片衬砌结构的整体形变,提高管片衬砌结构的稳定性;③围压增大有利于控制管片纵缝张开量,减小螺栓的应变;④围压的增大能够降低管片内侧主筋拉应变,但管片外侧主筋的压应力会随围压的增大而增大,使得正常使用阶段管片外侧主筋应力由压应力控制;⑤围压增大能够有效延长管片衬砌结构单点位移、纵缝张开、螺栓应变线性变化过程,延缓了管片衬砌结构进入塑性变形的时间;⑥高围压条件下管片结构处于高轴压受力状态,使得管片结构外侧受压钢筋应力增大,易造成钢筋屈服先于混凝土压溃发生,使管片结构抗压强度降低。在进行工程设计时,建议对高围压下管片结构的外侧受压钢筋进行加强设计。     

盾构施工阶段管片衬砌结构受力分析研究

为了解盾构管片衬砌结构的受力特性,解决盾构衬砌结构受力的数值分析难点,首先采用ANSYS分析系统对衬砌管片接头力学建立计算模型,通过模拟载荷试验确定管片接头刚度系数,进而利用销钉单元对衬砌管片按梁-弹簧计算模型进行分析,根据管片接头力学处理方式不同,与惯用计算方法和修正惯用计算方法的结果进行对比,最后对盾构在辅助油缸推力作用下管片的纵向受力进行三维模拟,对均匀施加油缸推力和偏心施加油缸推力进行分析对比,研究成果可对盾构衬砌管片设计提供依据。     

盾构管片接头三维数值模拟与研究

盾构管片接头作为管片分块的连接部分,是盾构管片结构中的重要且薄弱的局部结构,其力学性能直接影响盾构管片正常运营的安全性。利用三维有限元方法建立了精细化的三维数值模型,采用实体单元模拟了铸铁件管片接头、螺栓、垫片等结构,计算了螺栓表面荷载下管片接头的力学性能和锚筋支座反力,通过3组螺栓位置情况讨论分析了锚筋位置对管片接头结构力学性能以及锚筋支座反力的影响。数值计算结果说明三维有限元法能有效的计算和分析盾构管片接头的力学性能,锚筋位置的改变能明显的影响锚筋支座反力。     

考虑注浆填充率的大直径盾构管片上浮解析解与应用

大直径盾构隧道管片上浮问题是目前隧道建设难点。以大直径盾构隧道施工阶段管片上浮问题为背景,研究硬岩地层大直径盾构管片上浮影响因素,并考虑管片壁后同步注浆的填充效果,深入探究大直径管片上浮规律,为盾构施工速度和注浆效果的控制提供参考依据。根据硬岩地层大直径盾构注浆填充率不足的特点,从管片横向受力角度建立单环管片上浮计算公式。基于弹性地基梁理论建立隧道纵向上浮分析模型,通过梁的挠曲线微分方程并结合边界条件与变形协调方程,推导出考虑浆液填充率和时效性的管片上浮变形及内力的简易解析解,进而采用总量法获得了隧道纵向多环累计上浮量。结合工程实例进行了参数敏感性分析,研究结果表明：隧道管片上浮解析解的计算结果与实际工程监测数据吻合良好,能够有效揭示隧道上浮过程中的变形规律、管片弯矩和剪力变化特征;上浮规律表现为激增段、缓降段和平稳段;浆液填充率、时效性和地基基床系数对大直径盾构上浮比较敏感,盾体间隙的增大易导致填充率不足,同步注浆应严格控制注浆压力和注浆量;浆液初凝时间和掘进速度直接决定单次注浆影响范围和上浮力大小。研究结果可用于盾构隧道管片上浮及变形预测,在掘进过程中可根据影响因素与上浮关系进一步调整施工参数,对大直径盾构隧道设计与施工具有一定指导意义。     

单侧基坑施工对邻近轨道交通隧道结构安全影响分析

以邻近苏州轨道交通1号线隧道某基坑项目为背景,利用有限元方法,分析了单侧基坑施工对既有隧道受力和变形的影响。计算结果表明:在轨道交通隧道单侧进行基坑施工时,隧道的变形跟基坑与隧道间距、基坑开挖深度以及隧道埋深有关;当基坑与隧道水平间距大于30 m时,单侧基坑施工对隧道结构变形影响较小,而当基坑开挖深度增大时,对邻近隧道结构变形影响也增大;隧道与基坑水平距离、基坑开挖深度对隧道衬砌轴力值影响不大;水平间距大于30 m后,基坑施工对隧道弯矩值影响较小。     

桩基施工及承载阶段对运营盾构隧道的影响

针对合肥某立交桥上跨既有盾构隧道工程，通过有限元数值模拟方法对单桩邻近隧道施工进行参数敏感性分析，并进一步研究立交桥单桥墩桩基础与双桥墩桩基础在施工及承载阶段对盾构隧道管片变形与内力的影响；通过对比分析2种立交桥跨越既有盾构隧道方式下的地表沉降、盾构隧道管片及铁轨变形，探讨2种跨越方式在工程应用中的优劣。研究结果表明： 1）单桩对邻近隧道结构的影响，随着桩长、桩径的增加而增大；随着桩隧净间距的增大而近似呈指数函数形式降低。2）当桩长与隧道埋深比值大于1时，增加桩长是减小隧道结构变形的有效途径。3）单桥墩桩基础施工阶段对盾构隧道的影响效应小于承载阶段，管片位移以沉降为主。承载阶段随着荷载的增加，横向轴力与弯矩在靠桩一侧拱腰位置变化最大，纵向轴力与弯矩在拱顶位置变化最大。4）双桥墩桩基施工及承受上部荷载时，较单桥墩而言同一管片处的沉降增大0.3 mm，水平向位移减小0.56 mm。经比较，中间无桩的跨越隧道方式更优。     

盾构隧道管片接缝密封垫区域平衡优化方法

当前中国盾构隧道接缝密封垫设计多采用工程经验及类比方法，常需借助防水试验及大量的数值仿真进行优化设计，缺乏理论支撑。为提高密封垫的防水性能，同时降低密封垫的压缩反力以提高盾构隧道的拼装效率，提出了基于功能区划的盾构隧道管片接缝弹性密封垫设计方法，该方法通过力学分析，将单个密封垫横断面划分为3个功能区块，对其进行数学离散，并在几何边界条件的规定下，建立了单个密封垫力学平衡模型及考虑正常压缩与错位压缩情况下的密封垫简化力学模型。依据模型对密封垫进行优化设计，针对2种密封垫采用有限元方法进行数值分析，通过对压缩反力曲线、接触面应力等对比，分析2种形式密封垫的差异，并结合在最不利工况下进行的试验，通过对比两者的防水水压，验证设计方法的可行性。结果表明：通过调整接缝密封垫孔型能达到在不影响接触应力的条件下改变密封垫闭合压力的目的，开孔率及材料硬度对接缝密封垫受力影响较为一致；该设计法理论能够实现较好的优化效果，优化后的密封垫能够平衡各渗水路径的接触面应力及在不影响密封垫防水能力的前提下降低密封垫压缩反力。所提出的方法通过了数值分析及试验验证，可用于密封垫的初步选型与分析。