盾构隧道衬砌结构的壳-接头模型研究

提出了一种新型的盾构隧道衬砌结构计算模型——壳-接头模型。该模型中采用壳单元模拟衬砌管片,管片和管片环之间通过接头联接单元相连。基于对盾构隧道衬砌结构接头力学特性的分析,建立了接头联接单元的刚度矩阵和计算流程,定义了弯曲、剪切和拉压刚度的计算方法,使之能准确模拟接头的力学行为。最后利用壳-接头模型模拟盾构隧道接头原型试验,计算结果与试验较为吻合,验证了壳-接头模型模拟盾构隧道衬砌结构力学行为的准确性和适用性。     

大直径越江盾构隧道结构受力现场实测分析

以南京地铁3号线越江隧道为依托,通过对大直径越江盾构隧道3环管片周边荷载、钢筋应力进行监测,并对实测数据进行统计分析,探讨越江盾构隧道施工期以及施工后一段时间,盾构隧道荷载、受力变化特征,并根据现场实测应力计算盾构管片内力,采用修正惯用法和梁-弹簧法计算隧道衬砌内力,并与实测值进行比较.研究结果表明:盾构掘进过程会引起...     

石家庄地铁盾构隧道管片结构设计计算研究

管片是盾构法施工中隧道的重要组成构件,是控制隧道工程造价和隧道结构安全的重要因素。以石家庄地铁1号线某盾构区间为例,通过运用目前国内外地铁盾构区间管片设计中常用的计算理论——修正惯用法和梁-弹簧模型法,进行盾构管片的内力分析。结果表明:结构配筋数量主要受裂缝宽度的控制;修正惯用法计算结果受整体折减系数影响较大,其计算结果偏保守。     

北京地铁盾构隧道管片设计合理性探讨

介绍了管片衬砌内力计算理论——修正惯用法和梁-弹簧模型法，并分别用其计算北京盾构地铁隧道的两个工程实例，通过比较分析得出梁-弹簧模型更符合北京地铁隧道工程实际。最后，通过理论分析，推荐使用梁-弹簧模型法对北京地铁隧道管片进行设计优化，可减少其配筋量，为北京地铁工程创造更高的经济效益和社会效益。     

盾构隧道管片衬砌壳-弹簧计算模型研究

针对现有盾构隧道管片衬砌计算模型存在的问题,对管片接头的力学特性进行了分析。认为管片的接头实际应包括管片接缝和对应手孔间的管片部分,采用点弹簧模拟管片接头力学特性实际上是夸大了端部管片的刚度。提出了基于壳-弹簧模式的管片结构的整体环-纵向非连续计算模型,改进了接头的模拟方法。该模型将管片接缝以及对应手孔间管片部分视为一个受力整体,其宽度约为对应手孔之间的弧长,并提出了该接头抗弯刚度的定义方式。由于该模型考虑了管片接头的整体性,计算得到的内力值比梁-弹簧模型计算结果更加准确,且可反映管片结构纵向的受力特征。     

盾构隧道衬砌结构内力计算方法的对比分析研究

在对目前国内外盾构隧道衬砌结构设计中普遍采用的惯用法、修正惯用法、多铰圆环法和梁-弹簧模型计算法进行详细介绍的基础上,以南京地铁南北线为研究对象,运用不同设计方法对盾构隧道在不同埋深下的管片环最大变形量、轴力、弯矩、剪力、螺栓剪力等的大小、分布规律及影响因素进行了系统研究,深入探讨了设计方法对盾构隧道衬砌结构设计所造成的影响.     

盾构隧道双层衬砌结构三维力学分析模型及验证

在已有双层衬砌梁–弹簧模型的基础上,提出了改进的双层衬砌盾构隧道三维壳–弹簧力学分析模型。该模型采用压杆–弹簧组合方式模拟双层衬砌的结合面力学相互作用,并充分考虑了由盾构隧道管片接缝引起的结构刚度沿环、纵向分布不连续效应。依托武汉地铁8号线越江隧道工程进行建模计算分析,将计算得出的内力数据与现场实测的内力数据进行对比,两者具有一定的一致性,验证了该模型模拟双层衬砌盾构隧道结构三维力学行为的准确性和适用性。研究结果表明:(1)管片内力分布受到环缝和纵缝的影响呈现明显的不连续性,且由于地层岩性不均,管片上部与下部的弯矩亦有较大差异;(2)管片受力稳定后施作二衬,管片自身的内力量值变化较小,二衬主要受到自重作用,内力分布呈现"上小下大"分布规律,其量值与管片相比较小,在建设初期仅起到辅助承载作用。     

错缝拼装下管片宽度对盾构隧道力学行为的影响

采用可以考虑管片接头力学性能的壳-弹簧计算模型,对错缝拼装下具有不同管片宽度厚度的盾构隧道的力学性能进行了模拟分析。根据管片接头的受力平衡条件与变形,推导了管片接头转动弹簧刚度与轴向弹簧刚度的关系。基于环向接头的无量纲转动弹簧系数对计算模型的参数进行了统一,从而使各个数值分析模型的结果具有可比性。对壳-弹簧模型的计算结果与传统梁－弹簧模型的结果进行了对比分析,分析结果表明随着管片宽度的增加,二者解析结果的差呈现出递增趋势。依据壳-弹簧模型的计算结果,将弯矩在管片方向上进行精细化分析,研究表明弯矩在管片宽度方向上的分布是非均匀的,在管片端部有集中的现象。根据管片宽度与弯矩分布的关系,建立了弯矩集中度的概念,提出了管片边部强梁的优化配筋方案。     

基于有限元模拟盾构隧道管片加载的研究综述

运营期间地铁盾构隧道受到各种复杂因素影响,容易导致管片破损和开裂,影响隧道的正常运营。采用有限元模拟盾构隧道衬砌受力与变形是一种常见的研究方法。对国内外采用有限元模拟盾构隧道管片的研究现状进行了阐述,根据研究方法将其分为地层-结构模型法(二维和三维计算模型)和荷载-结构模型法(多铰圆环法、梁-弹簧模型法、壳-弹簧模型法和三维实体精细化模型法)两大类,对研究进展进行了综述,指出目前研究存在的不足并作进一步的展望。     

大断面水下盾构隧道原型结构加载试验系统的研发与应用

 针对大断面水下盾构隧道衬砌结构特点,提出管片结构(包括接缝结构及整环衬砌结构)的原型试验加载方法,并自主研发多功能盾构隧道结构加载试验系统,该系统可根据不同需求进行组装和拆卸,既可进行管片接头力学试验,又可成功将水压与土压分离,进行管片衬砌结构的加载试验。随后,采用该试验系统对南京长江隧道及珠江狮子洋隧道管片衬砌结构进行原型加载试验,包括错缝拼装、通缝拼装结构的加载试验,接头抗弯、抗剪试验等,并选取部分试验结果与数值计算对比,验证该试验加载方法对大断面盾构隧道结构体系进行系统研究的正确性及可靠性,为科研、设计和生产提供可靠的试验手段。     

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。     

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。     

地铁盾构隧道纵向接缝承载能力试验研究与解析分析

当前地铁运营实践和研究表明管片接缝是盾构隧道衬砌结构的薄弱环节,接缝的受力性能直接决定了隧道结构的承载能力。依托于整环试验研究结论,以盾构隧道管片纵缝接缝为研究对象,对不同运营工况下管片接缝的承载性能进行了足尺试验研究,获得不同工况下构件挠度、接缝转角等变化规律,得到转角刚度。分析得到了纵缝接缝的破坏链条,推导了可模拟接缝受力全过程的解析模型分析了纵缝接缝的全过程受力性能及其极限承载力。并借此模型对接缝截面与全截面受力变形进行对比分析,通过试验数据与解析模型数据的对比分析验证解析模型的合理性。     

青草沙水源地原水工程输水隧道单层衬砌管片接头荷载试验研究

纵缝转角刚度、纵缝（环缝）剪切刚度和弯矩传递系数是盾构隧道衬砌结构计算模型中的关键参数，历来是本领域研究的重点和热点。结合青草沙水源地原水工程，通过管片接头 原型荷载试验 ，对上述关键计算参数进行研究。试验结果表明正弯矩作用下接头转角刚度符合双直线模型，负弯矩作用下转角刚度近似成线性，而且不同的接头构造情况下纵缝转角刚度值和其变化规律不同。在纵缝和环缝剪切试验中，管片间的错动随荷载变化过程分为 3 个阶段，其中错动主要发生在第二阶段。弯矩传递试验表明弯矩传递系数随着荷载的增大而减小。并且当纵缝转角刚度较大时，弯矩传递系数较小，反之亦然。最后结合试验结果，给出了盾构隧道衬砌结构计算模型关键参数具体取值范围和一些 有益 的结论，以供盾构隧道衬砌结构设计计算参考。     

盾构隧道在可液化场地中的地震响应分析

盾构隧道的装配式管片是其显著的结构特点,目前的抗震研究主要采用简化方法,少有能有效反映管片和接头细部特征的动力反应分析方法,对其在可液化场地中的地震响应规律也需要进一步研究。本文建立了一种精细化装配式管片结构计算模型,并基于砂土液化大变形统一本构模型,采用弹塑性有限元动力时程分析,分析了盾构隧道在可液化场地中的地震响应特征及规律。结果表明接头处响应是盾构隧道抗震的重要考虑因素。装配式管片结构相比于整体式结构柔度更大,受力较小,变形较大。在可液化场地中盾构隧道由于水平向作用力显著增加,在水平向被挤压,受力分布和抗震不利位置相比非液化场地有明显区别。     

2D numerical investigation of segmental tunnel lining behavior

The application field of shield tunneling has extended in recent years. Most shield-driven tunnels are supported by segmental concrete linings. Although many well documented experimental, numerical and analytical results exist in literature concerning the functioning of segmental tunnel linings, their behavior under the influence of joints is still not clear.This paper presents a numerical study that has been performed to investigate the factors that affect segmental tunnel lining behavior. Analyses have been carried out using a two-dimensional finite difference element model. The longitudinal joint between segments in a ring has been simulated through double node connections, with six degrees of freedom, represented by six springs. The proposed model allows the effect of not only the rotational stiffness but also the radial stiffness and the axial stiffness of the longitudinal joints to be taken into consideration. The numerical results show a significant reduction in the bending moment induced in the tunnel lining as the joint number increases. The tunnel behavior in terms of the bending moment considering the effect of joint distribution, when the lateral earth pressure factor K₀ is equal to 0.5, 1.5 and 2, is almost similar and differs when K₀ is equal to unity. It has been seen that the influence of joint rotational stiffness, the reduction in joint rotation stiffness under the negative bending moment, the lateral earth pressure factor and Young’s modulus of ground surrounding the tunnel should not be neglected. On the other hand, the results have also shown an insignificant influence of the axial and radial stiffness of the joints on segmental tunnel lining behavior.     

Discontinuous mechanical behaviors of existing shield tunnel with stiffness reduction at longitudinal joints

An analytical model is proposed to estimate the discontinuous mechanical behavior of an existing shield tunnel above a new tunnel. The existing shield tunnel is regarded as a Timoshenko beam with longitudinal joints. The opening and relative dislocation of the longitudinal joints can be calculated using Dirac delta functions. Compared with other approaches, our method yields results that are consistent with centrifugation test data. The effects of the stiffness reduction at the longitudinal joints (α and β), the shearing stiffness of the Timoshenko beam GA, and different additional pressure profiles on the responses of the shield tunnel are investigated. The results indicate that our proposed method is suitable for simulating the discontinuous mechanical behaviors of existing shield tunnels with longitudinal joints. The deformation and internal forces decrease as α, β, and GA increase. The bending moment and shear force are discontinuous despite slight discontinuities in the deflection, opening, and dislocation. The deflection curve is consistent with the additional pressure profile. Extensive opening, dislocation, and internal forces are induced at the location of mutation pressures. In addition, the joints allow rigid structures to behave flexibly in general, as well as allow flexible structures to exhibit locally rigid characteristics. Owing to the discontinuous characteristics, the internal forces and their abrupt changes at vulnerable sections must be monitored to ensure the structural safety of existing shield tunnels.     

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。