盾构隧道结构计算分析方法研究

为了应对盾构隧道因复杂赋存环境、多元结构形式及使用功能所面临的计算模型精细化、荷载取值合理化、计算模型精准化等高要求,通过调研盾构隧道结构分析方法的发展现状,综述了当前盾构隧道结构计算分析中荷载计算方法,并结合近10年来笔者所开展的相关研究工作对盾构隧道静、动力分析方法与计算模型进行了汇总和梳理。在盾构隧道荷载取值方面,阐述了深层空间水土荷载作用机理、施工阶段流固耦合效应以及岩质地层地震荷载合理取值等方面的问题及进展;在结构分析理论及模型方面,重点论述了盾构隧道整体化分析方法的内涵及思路、盾构隧道复杂接缝面力学行为、基于接头非线性抗弯刚度计算的结构分析方法以及结构整体受力特征及破坏模式的试验与实测手段验证三方面取得的成果;综述了以地层-结构组合体系反应位移法和纵向广义反应位移法为代表的盾构隧道横、纵向抗震分析方面的研究成果,并对盾构隧道结构分析中考虑耐久性因素的研究现状做了介绍。最后,针对大深度、高水压、特殊环境等盾构隧道工程的建设形势,展望了盾构隧道结构分析方法的发展趋势。     

沉管隧道纵向静力计算问题探讨

为进一步综合分析长距离沉管隧道纵向内力和变形,保障其接头水密性,讨论了沉管隧道结构纵向静力分析计算模型和应考虑的一些问题,包括接头受力机制、GINA止水带选型和水密性检算,以及纵向沉降差与纵向弯矩和剪力的关系等。总结了简单而高效的弹性地基梁纵向计算模型及其接头模拟方法;提出使用地层-结构模式和强制位移法的三维壳体模型作进一步的补充细化分析;指出隧道纵向沉降曲线的曲率及曲率变化率分别影响着结构的纵向弯矩和剪力;给出接头的止水带选型及水密性验算工作如何与隧道结构纵向计算相互结合。     

盾构隧道纵向地震响应的多尺度分析方法

针对目前盾构隧道抗震设计仅限于横断面分析,缺乏有效的纵向地震响应分析方法的问题,提出了一种用于模拟盾构隧道纵向地震响应的宏-细观多尺度分析方法,其中宏观等效模型用于描述盾构隧道结构整体的地震响应特性,细观精细化模型用于捕捉结构关键断面接头处的变形响应。宏观等效模型采用黏弹性地基梁来模拟,即将盾构隧道沿纵向简化为作用在黏弹性地基上的三维梁单元,且充分考虑了由于环缝影响引起的梁纵向等效刚度折减以及隧道内部结构对纵向等效刚度的附加效应。基于宏观等效模型的地震响应规律分析,确定出盾构隧道沿线的最不利断面位置,从而将这些关键区段替换为考虑隧道环缝接头的细观精细化模型,即采用沿环向分布的轴向拉压弹簧和切向剪切弹簧来真实模拟地震作用下的环缝张开量和错位量等变形,克服了传统连续均质化模型无法反映环缝变形量的不足。最后,将该多尺度分析方法成功应用于世界首个特高压GIL电力盾构隧道,为实际重大工程的结构纵向抗震设计和安全性评价提供了科学依据和技术手段。     

深圳填海区软硬交互地层中盾构隧道设计控制要素研究

深圳填海区的地层差异较大，分布厚度不均，软硬土层交互特征明显。盾构隧道在穿过该类交互地层时，不能仅仅按传统横切面法去分析，应考虑纵向变形的问题。以该问题作为切入点提出隧道纵向设计的重要性，并根据现行深圳轨道交通安全控制指标，对隧道纵向设计原理和计算方法进行了讨论，分析了各个计算方法的优缺点和适用条件，并通过交易广场项目和深圳地铁1号线鲤前区间盾构隧道的问题，提出了软硬交互地层盾构隧道设计的控制要素。     

沉管隧道纵向地震易损性分析方法

目前沉管隧道抗震性能设计仅限于横断面分析,缺乏面向沉管隧道纵向抗震性能评估的地震易损性分析方法。为此,建立沉管隧道纵向地震易损性分析方法及评估指标。首先,合理考虑沉管隧道结构特征及接头构造,给出了纵向地震易损性分析模型,其中沉管管节结构采用宏观梁单元模拟,沉管接头采用细观精细化模型模拟,宏-细观模型之间需满足连续性约束方程,地层采用非线性弹簧单元模拟,并通过等效线性化方法来描述地层的非线性特征;其次,根据隧道所处场地的地震动特征选择合适的地震动输入,以及相应的地震动强度指标和结构损伤指标,建立基于增量动力分析的纵向地震易损性评估方法及分析流程,可以依据沉管隧道的不同极限状态定义获得用于纵向抗震性能评估的易损性曲线;最后,以某沉管隧道为应用实例,基于该方法建立了沉管隧道纵向地震易损性分析模型及评估指标,通过计算分析得到了表征隧道纵向抗震性能的地震易损性曲线,并开展多因素分析进而揭示了管节分段长度、地震动输入方向、地层-结构相对刚度比等关键参数的影响规律。结果表明：沉管隧道所处场地位置处的峰值速度是反映隧道纵向地震易损性特征的最优地震动强度参数;沉管隧道地震易损性与输入地震动波长有关,且管节长度与地震波长相近时地震易损性较小;随着地震动输入方向与隧道轴向夹角的增加,沉管隧道地震易损性逐渐减小,而垂直90°输入时相比水平0°输入最大降幅可达76%;地层-结构相对刚度比对沉管隧道纵向地震易损性影响显著,且随地层-结构刚度比的减小而逐渐增大。所提方法可为沉管隧道纵向抗震性能评估及地震风险分析提供科学依据。     

考虑收敛变形的通缝拼装盾构隧道纵向等效抗弯刚度计算分析

为了研究运营地铁通缝拼装盾构隧道长期沉降过程中衬砌结构横向变形对其纵向变形和受力的影响,基于上海轨道交通8号线西藏北路站—中兴路站运营盾构隧道现场试验监测数据,对等效连续化模型进行修正,考虑隧道收敛变形对结构纵向变形的影响,并将该计算方法与现有计算方法进行对比分析。结果表明:1)弯曲状态下,环缝位置不考虑剪切作用时,随着隧道收敛变形的增加,拱底环缝张开量最大值、管片拉压应力和螺栓拉应力均略有减小。2)结构纵向变形曲率半径越小,隧道收敛变形对其影响越显著。3)在大曲率半径隧道结构纵向变形状态下,隧道收敛变形对结构纵向变形的影响可以忽略;不考虑轴向拉伸导致结构纵向变形条件下,结构弯曲导致的拱底环缝张开量较小。     

复合地层条件下水下盾构隧道衬砌结构受力特征研究

针对工程中常用的无衬垫接头抗弯刚度非线性的特点,采用描述接头轴力、弯矩及转角关系的解析公式,提出盾构隧道衬砌结构受力计算的迭代计算方法。基于南京市纬三路过江通道的工程背景,分析了接头抗弯刚度的取值对盾构隧道衬砌结构受力及变形的影响,对工程中遇到的典型土岩复合地层中衬砌结构的受力进行了计算。计算表明,所提出的迭代计算方法简便易行,收敛较快,复合地层中衬砌结构的受力分布与均一地层中相差较大。复合地层的作用使得衬砌结构内力分布更不均匀,可能使得某一部分管片内力显著增大,设计时需要针对实际地层分布形式进行计算。     

软土地区盾构隧道管片开裂特性实测分析及影响因素研究

基于某软土地区城市地铁1号线的实测数据，统计分析该地铁线路整体与典型区间的病害情况与裂缝分布特点，结果表明: 管片裂缝的分布密度与隧道收敛位移具有明显关联性，区间隧道病害以密布于隧道拱顶的纵向裂缝为主，且分布规律与管环旋转角度相关。在此基础上，为探明软弱地层条件对盾构隧道带来的不利影响，基于断裂力学的非线性数值分析方法建立地层结构法有限元模型，模型中管片采用弥散开裂本构并嵌入简化的钢筋网单元，纵向接头通过考虑张开的间隙接触模型模拟。计算结果阐明了管片开裂的特性与影响因素，结果表明： 1)随着地层土体弹性模量和侧压力系数的减小，在地应力条件下隧道损伤区域明显增加； 2)随着埋深增加，当前主要开裂区与预测开裂区深度在原有基础上进一步扩展，从而引起隧道整体开裂率的上升； 3)参数分析探明了实测拱顶裂纹分布规律的成因为封顶块位置的差异。     

盾构隧道抗浮计算模式及其适应性分析

施工期盾构隧道的上浮问题随着盾构隧道的大量修建而引起了广泛关注。基于盾构隧道施工中的上浮问题,系统分析了隧道上浮原因,将其归纳为上浮力作用、轴向偏心荷载作用、切口水压影响、地基回弹作用、上覆土的反向压缩效应以及砂土液化等6个方面;重点分析了因上浮力引起的隧道上浮的抗浮计算模式：从横向和纵向角度提出了局部及纵向总体2种抗浮计算模式。在局部抗浮计算模式中,依据上浮力的特性和作用范围,分为单一管片错动分析模式和整环管片错动分析模式;在纵向总体抗浮计算模式中,讨论了纵向沉降与上浮的异同,进而说明了二者的相通性;并分析了2种抗浮计算模式的适应性。     

砂卵石地层地铁隧道上方基坑开挖卸载影响与对策分析

在富水砂卵石地层条件下,地铁盾构隧道上方基坑大范围开挖卸载会对下卧盾构隧道产生不利影响。为确保地铁运营安全,对下卧盾构隧道隆起与变形趋势进行研究,从减小基坑开挖卸载的影响程度与增大隧道纵向刚度2方面着手,通过在盾构隧道内设置预应力锚索、轨道道床内设置暗梁结构并与管片叠合处理以及临时槽钢纵向固定等措施的综合应用,减小纵向不均匀变形趋势,同时采用管幕法超前支护形成压顶梁,并对上方基坑开挖采用"竖向分层、纵向分段、先支后挖"的基本原则,将盾构隧道的变形控制在毫米级范围,满足了地铁正常运营要求。     

长大隧道地震响应分析与试验方法新进展

隧道抗震研究是当今地下工程防灾领域重要的研究方向之一。目前在隧道发展建设规模化、结构空间尺度大型化和局部节点构造形式复杂化的新形势下,针对长大隧道抗震研究所面临的纵向抗震设计理论、大规模地震响应分析方法、非一致地震激励效应等科学难题,在分析国内外隧道抗震研究现状的基础上,聚焦基础设施建设的重大需求,系统阐述长大隧道地震响应分析与试验方法新进展。介绍面向长大隧道纵向抗震设计的几种简化分析模型,推导任意动载作用下长大隧道纵向动力响应解析解,退化出行波效应下长大隧道纵向响应的理论解,直观地给出各参数之间相互关联的解析表达,并基于多质点-弹簧-梁模型进一步提出面向长大隧道纵向抗震设计的快速简化分析方法;建立长大隧道-地层大规模地震响应模拟的多尺度动力耦合分析方法,同时获得隧道-地层的整体宏观响应与隧道各组件细观动态演化,且不需要任何附加过滤和阻尼即可有效消除宏-细观多尺度界面的高频波虚假反射;提出长大隧道多点非一致激励振动台模型试验方法,推导模拟基岩面多个离散输入与连续输入的关联性,研制节段型模型箱及其联动装置,构建振动台阵多个独立台面分区多点输入的非一致激励隧道地震试验平台。以港珠澳大桥沉管隧道等实际重大工程为应用案例,阐述所建立长大隧道非一致地震响应分析原理和试验方法的适用性。最后介绍隧道关键节点的减震控制方法。研究结果在一定程度上反映了目前长大隧道纵向抗震设计和分析的发展水平,同时也为今后抗震工作的研究重点指明了方向。     

超高水压越江海长大盾构隧道工程安全

随着中国交通建设和城市建设的迅猛发展,越江跨海盾构隧道工程大量增加,而且工程规模(隧道的直径和长度等)和水压条件也在增加。现阶段,仍未明确定义高水压,但一般以0.5 MPa作为高水压的分界线。近期,中国在长江、黄河以及珠江等所建设的高铁、公路以及地铁等盾构隧道工程水压均超过了0.5 MPa,正在筹划建设的琼州海峡隧道等水压更大,将高达2.0 MPa,面临巨大挑战。为此,国家决定针对超高水压(2.0 MPa)越江海长大盾构隧道工程安全问题展开“九七三”计划基础研究。研究采用理论分析、物理试验(室内、室外试验和模型试验)、数值模拟分析和监控测量等多种手段,针对其中涉及的多元、多相和多场耦合物理本质,对高水压水土与结构静动相互作用机理、盾构掘进中的动静力学机理、隧道结构特性及防水特性动态演化机理等核心问题进行深入系统的基础研究,提出了高水压下考虑渗流条件下的水土荷载计算理论和深水盾构隧道地震分析方法,建立了“机-土”动态作用力学模型,提出了盾构姿态、刀具磨损、开挖面稳定和高压成膜及闭气控制方法,提出了高水压大直径盾构隧道衬砌结构设计理论和高水压盾构隧道接缝长期防水安全与监控技术,最终形成超高水压越江海长大盾构隧道工程安全控制理论体系。为确保超高水压越江海长大盾构隧道工程安全提供设计理论依据,为实现大直径泥水盾构在超高水压等复杂条件下安全长距离施工提供理论支持。     

综合管廊抗震分析研究进展综述

针对目前城市综合管廊建设方兴未艾、抗震防灾需求日益凸显的现状，总结评述目前综合管廊抗震分析的研究进展。首先，归纳总结综合管廊结构的震害特点和关键影响因素，并在此基础上对国内外综合管廊抗震研究的发展历程和重要突破进行综述；然后，重点从影响综合管廊地震响应机制的关键要素出发，即从输入地震动特征、工程场地特性、管廊结构形式与构造特点3个方面对综合管廊抗震研究现状以及存在的不足之处进行综述；最后，对综合管廊减隔震研究现状进行讨论。研究表明： 1)输入地震动特征会对综合管廊地震响应产生显著影响，对于浅埋结构还应关注地表Rayleigh波的作用； 2)工程场地特性研究聚焦在饱和液化地层、断层破碎带等不利场地条件对综合管廊结构地震响应的影响机制方面； 3)新型管廊结构形式和节点构造层出不穷，但目前的研究工作主要关注管廊结构自身的地震响应特征。建议后续研究重视综合管廊功能性对抗震安全性的需求，进一步加强“结构-功能”一体化抗震性能设计方法与指标体系的研究工作。     

基于钻孔数据的盾构隧道纵向结构参数化计算

为推动盾构隧道工程数字化设计的发展，提升结构计算效率，提出一种基于地质钻孔数据的盾构隧道纵向结构参数化计算方法。本方法考虑了三维地质空间的不确定性以及隧道纵向结构的三维空间线型特点，利用K最近邻与普通克里金算法建立地层数据库； 然后，与隧道轴线的空间信息建立引用关系，并输出结构约束条件与荷载大小； 最后，利用等效刚度梁模型进行隧道纵向结构计算。以武汉市两湖隧道东湖段QXK6+300~+400区间为对象，将本方法与现有方法进行对比，结果表明： 本方法的约束条件可以不依赖人工经验保守取值，而通过预编译的程序自动计算得出； 同时，参数化计算流程有利于满足后续多区间核算需求，并且可以把内力分析结果精确地反映在三维应力云图上。因此，本方法能有效提升设计效率。     

盾构隧道内堆载引起的隧道转动和错台变形计算

盾构隧道内堆载可以有效抑制隧道的上浮变形。为研究隧道内堆载对隧道纵向沉降及变形的影响规律，采用综合考虑管片环间错台和转动变形效应的协同变形模型，推导计算堆载引起的隧道附加荷载，通过最小势能原理求解隧道纵向沉降、环间剪切力、错台量和转角，并研究不同堆载大小、堆载长度、土质条件对隧道纵向沉降及位移的影响规律。研究结果表明： 1）采用该计算方法得到的结果与实测值和数值模拟结果比较吻合，说明方法可靠； 2）堆载引起的隧道附加应力和沉降沿隧道纵向呈正态分布，堆载中心处最大，且与堆载大小近似成正比； 3）隧道环间错台量、转角及剪切力三者变化规律相同，在堆载中心处近似为0，但在中心两侧急剧增大； 4）随着堆载长度的增加，隧道沉降量相应增大，但增大速度逐渐减缓； 5）不同土质条件对隧道堆载引起的隧道沉降量及沉降范围均有较大影响。     

软土大直径泥水盾构隧道施工期上浮的控制措施

大直径盾构公路隧道在近工作井区段覆土较浅,施工期易产生上浮现象。借助以往软土地区泥水盾构隧道的设计经验,通过分析影响隧道上浮的物理环境和工艺操作,得到可能产生隧道上浮力的主要因素为地下水、同步注浆浆液、盾构姿态调整、地基回弹、泥浆后窜;间接影响隧道上浮趋势的主要因素有覆土厚度、地下水位、结构尺寸和材料重度、上覆土压缩特性、掘进速度和管片接头刚度。隧道抗浮的主要措施有增加上覆土临时压重、优化盾构施工参数与姿态控制、打设门式抗浮结构、改善注浆工艺及浆液性能、二次注浆、加强管片纵向连接等。     

严重液化地层沉管隧道抗震计算

结合工程实例,主要对地层液化等级判别、隧道地震作用计算方法等进行探讨研究。研究结果表明：对于埋深大的隧道工程,可以采用有限元法进行地层液化判别;不同的地层液化情况对地震作用计算结果,特别是对于接头处的内力影响很大,同时应充分考虑接头间止水带的影响。