地铁盾构隧道管片接头刚度影响因素研究

在对我国地铁单线区间盾构隧道衬砌结构及内力统计分析的基础上,引入面-面接触单元和衬垫单元,采用三维有限元手段对盾构隧道管片纵向接头在不同轴力、弯矩、偏心矩、螺栓预紧力、管片尺寸、衬垫厚度和螺栓位置下的接缝端面转角和接头抗弯刚度进行了深入研究,通过-θM关系曲线和三维图形曲线分别揭示和探讨了不同影响因素单独和共同作用下的接缝转角和接头抗弯刚度变化规律。     

盾构隧道管片接头抗弯刚度的三维数值计算

管片接头是装配式盾构隧道的关键部分,其抗弯刚度对管片环的内力及整体性能均有重要的影响,使得接头抗弯刚度的取值显得尤为重要.本文以广州地铁盾构隧道使用的管片为研究对象,采用三维有限元法,利用通用有限元软件ADINA,在建立精细有限元模型的基础上,计算得到正负两方向及不同偏心距荷载下接头变形的特点和接头的抗弯刚度.从而可知,正弯曲刚度具有一定的非线性性质,线性回归得到的刚度量值为1 236.7kN·m/rad;负弯曲刚度曲线为线性,线性回归得到的刚度量值为2 295.1 kN·m/rad.接头刚度受接头内力组合的偏心距影响,偏心距越大,接头刚度越大.在接头的模拟计算中,有必要建立和实际相同的数值模型,从而避免各种误差.     

盾构隧道环向接头等效刚度修正计算及其影响因素研究

管片环向接头等效刚度是盾构隧道纵向设计的关键参数。为此,建立盾构管片三维精细数值模型,计算分析等效接头刚度与实际螺栓接头刚度的偏差,引入等效刚度修正系数η;探讨刚度修正系数的影响因素,提出等效刚度修正计算公式,并应用于工程实例。研究结果表明:盾构隧道纵向计算中用等效螺栓环表征实际接头存有不容忽视的误差;螺栓型式影响实际点状分布接头刚度,导致不同螺栓型式等效刚度最大相差10.5%;螺栓数量对等效刚度影响明显,等效刚度随实际螺栓数量的增加近似线性增大;外部扰动水平不高时,对刚度等效影响很小,不会放大螺栓刚度等效引起的误差;实例计算中等效刚度修正前后位移计算结果与实测值误差分别为31.9%和9.6%,说明接头等效刚度修正计算方法更具合理性。     

弯矩作用下盾构管片环向接头的力学模型

以兰州地铁1号线为工程背景,通过模型假设,对盾构管片环向受力进行分析,提出接头刚度的定义。通过管片各个阶段的受力特征,建立接头的力学解析模型,推导得到不同受力特征下管片环向接头的力学表达式;然后对管片接头用ANSYS建立有限元模型,在管片轴力与弯矩分别为(0 kN,±50 kN·m)、(200 kN,±100 kN·m)、(400 N,±150 kN·m)、(800 kN,±200 kN·m)、(1 000 kN,±250 kN·m)的情况下,得到弯矩与接头转角的关系,在接头轴力一定的情况下,管片接头转角随弯矩的增大而逐渐增大,但是M-θ曲线的切线斜率随着弯矩的增大而逐渐减小,在轴力超过600 kN时趋于稳定,M-θ曲线斜率为一定值,计算可以简化为直线,相同的计算条件下,解析解与有限元结果呈现相同的变化规律,在实际应用中可以用解析解进行计算得到接头刚度,进而进行管片的接头受力计算。     

盾构管片接头抗弯刚度影响因素研究

研究目的:推导盾构隧道管片接头抗弯刚度计算公式,研究不同影响因素作用下接头抗弯刚度的变化规律.研究结论:管片接头的接触面有效高度和接触面偏心距对管片接头抗弯刚度的影响显著,因此管片结构设计中,通过改变管片接头构造尺寸来调整管片接头刚度是一种有效的手段.     

考虑管片环向接头效应的盾构近距离施工影响分析

由于受地质条件和施工水平的制约,新建盾构隧道近距离穿越既有隧道施工过程中,除引起地表沉降外,对既有隧道也将产生不利扰动影响。针对新建盾构隧道近距离垂直下穿既有运营隧道施工形式,重点考虑盾构管片环间接头非线性特征,构建三维弹塑性有限元模型,对穿越施工进行全过程模拟,对比分析盾构隧道近距离穿越施工引起既有隧道的受力和变形,并基于弹性铰接圆环模型,结合隧道结构力学理论计算方法对数值模拟结果进行比较验证。研究表明:盾构穿越施工期间,既有隧道顶部和底部的变形量均呈增大趋势,加入螺栓之后的既有隧道变形较均匀;既有隧道底部的变形增幅相对顶部变形偏大,管片环间加入螺栓时,既有隧道顶部和底部的变形大小趋于接近。     

大断面水下盾构隧道管片接头抗弯刚度及其对管片内力影响研究

以大断面水下铁路盾构隧道-狮子洋隧道工程为研究对象,运用有限元数值分析方法,并结合管片接头原型抗弯试验,研究环向管片接头抗弯刚度,并运用梁-弹簧模型进行接头抗弯刚度对整环管片结构内力影响的研究.结果表明:该隧道管片接头抗弯刚度的取值范围为50～700MN·m·rad-1,在相同轴力条件下,接头抗弯刚度会随接头弯矩的增加降低1个数量级左右;在相同接头弯矩条件下,接头抗弯刚度随轴力的增加而增大;接头抗弯刚度对管片轴力分布的影响微弱,对管片弯矩的影响显著;随接头抗弯刚度的增大,整环管片的弯矩分布趋于均匀;在抗弯刚度取值范围内,极值弯矩相差最大达80％左右,极值轴力最大减小5％左右,变形最大减小20％左右;基于接头抗弯刚度-弯矩-轴力的非线性关系改进的梁-弹簧模型,更能体现接头对整环管片受力的影响,也更适用于大断面盾构隧道管片内力的计算.     

盾构隧道管片钢环加固技术

地铁盾构隧道质量一直是大家关注的问题,而盾构隧道质量问题大多出现在管片上,当成型隧道出现管片局部沉降、严重错台、大破碎、长裂纹等问题时,不仅要防水堵漏,还得采用加强的方式来解决隧道质量问题。本文通过工程实例,介绍了一种采用改装机械手内衬钢环进行隧道管片加固治理的技术。     

正断层错动对海底盾构隧道管片及环缝接头影响分析

活动断层是海底隧道建设中经常遇到的不良地质条件,位于断层破碎带区域隧道会遭到不同程度的结构破坏.为探明断层错动对海底盾构隧道管片及环间接头受力的影响,依托青岛胶州湾第二海底隧道工程,建立穿越正断层盾构隧道三维数值模型,并设置不同接头螺栓(直螺栓、斜螺栓)及管片幅宽(1.5,1.8,2.0 m)共6种工况进行分析.结果表...     

考虑纵缝接头刚度折减的盾构管片性能研究

盾构隧道管片在纵缝接头处薄弱易损,研究其力学性能需考虑此部位的刚度折减。基于对原型管片、开槽管片在纵缝接头刚度上进行等效计算,构建一种可准确模拟纵缝接头刚度折减的双侧开槽盾构管片模型。同时,加入匀质圆环管片作为对照组,以覆土堆载模型试验为手段,研究接头刚度折减对管片受力变形的影响,以探明在考虑接头刚度折减条件下盾构隧道管片的力学性能,并结合数值模拟对模型试验可行性进行验证。结果表明：纵缝接头处刚性折减较大程度减小了管片横向刚度,从而加剧了管片收敛变形;纵缝接头刚度折减对管片轴力并无显著影响,但会导致弯矩包络线发生明显上移,使管片截面弯矩最大值增加近10%。     

管片错台对盾构隧道接头 力学性能的影响机理

为分析管片错台对隧道结构受力性能影响。本文以某越江地铁盾构工程为依托,建立了管片接头三维精细化数值分析模型,结合等效荷载施加方式,重点分析了管片不同错台状态下接头螺栓、管片接触面的受力演变规律,揭示了管片错台对对盾构隧道接头力学性能的影响机理,得出的主要结论有：随着错台量的增大,接头螺栓与螺栓孔间接触关系发生连续改变,影响接头螺栓受力性能;错台量越大、接头螺栓受力越大,受力集中部位从螺栓中部向螺栓两端转移,且接头螺栓所受剪应力明显增加;随着管片错台量的增大,管片接缝面混凝土实际应力发生了重分布,受力较大区域均向螺栓孔处汇集,最大、最小主应力极大值均处于螺栓孔内壁处。研究成果为盾构管片结构设计及整体安全性分析具有重要借鉴作用。     

盾构隧道管片衬砌结构纵向刚度问题初步研究

研究目的:盾构隧道在穿越地质条件或者地表建筑物差异大的路段时,管片衬砌结构在纵向将产生较大的内力和变形,故在盾构隧道管片衬砌结构设计中,必须考虑其纵向力学问题. 研究结论:(1) 盾构隧道纵向等效刚度系数计算公式为:ηX=kxlkxl M1G1ls(1-1n)(X表示拉、剪切和弯曲).(2) 通过进行简化有限元计算,得出单线地铁区间盾构隧道纵向抗弯等效刚度系数近似取为:ηM=0.05.     

大直径盾构隧道管片纵向连接抗剪刚度分析

盾构管片接头螺栓与螺栓孔存在装配间隙,剪切作用下管片纵向连接螺栓在受剪的同时还受弯矩作用。为得到更接近工程实际的管片纵向连接抗剪刚度,根据Timoshenko理论推导了大直径盾构管片纵向连接抗剪刚度计算公式,并通过上海长江隧道管片环缝抗剪性能试验进行了验证。研究结果表明:公式计算结果与试验结果吻合得较好;由于装配间隙的存在,剪切作用下管片纵向螺栓抗剪刚度主要由其弯曲刚度控制,螺栓变形也以弯曲变形为主。     

强刚度低配筋预应力盾构隧道 管片衬砌技术研究

传统盾构隧道管片是由环向和纵向螺栓连接而成的非连续性结构,存在整体性差、抗变形能力弱等缺陷, 造成盾构隧道在施工和运营过程中常出现管片变形过大、接头开裂、螺栓锈蚀、漏水等问题,严重威胁盾构隧道 安全。为解决上述问题,将预应力系统引入盾构管片结构,提出强刚度低配筋预应力盾构隧道技术。通过对盾构 管片施加环向和纵向预应力,可将盾构管片连接为整体,提高盾构隧道的整体性、抗变形能力等性能。通过数 值模拟对比分析预应力管片和传统管片的性能差异,研究表明：采用该技术可提高管片轴力,降低管片弯矩和变 形,同时用钢量较传统管片可降低至少 45%。本技术可有效解决传统盾构隧道存在的问题,并且降低钢筋用量, 可为轨道交通、市政、铁路、公路等行业的绿色低碳新技术研究提供借鉴。     

盾构隧道管片结构设计研究

近年来,我国开始了大规模的公路过江隧道及城市地铁隧道的建设工作,由于盾构隧道对地层适应性强、施工便利、能最大限度地减少对城市其他设施的影响,所以得到广泛应用。介绍盾构隧道管片结构设计方法,包括结构形式、分块方案、拼装方式、连接形式、接缝设计、手孔设计等内容。     

地铁隧道盾构施工对新装环管片受力的影响

通过分析新装环在其邻近环施工过程中钢筋的量测数据,得出覆土范围在8～10 m内的浅埋段新装管片在盾构施工过程中主筋和分布筋的应力变化规律和原因:邻近环推进时盾构反推力对管片受力影响不明显,主要影响来自于同步注浆,管片左右45°及135°处附近的位置在邻近环注浆过程中受力变化明显。     

盾构下穿施工对既有隧道管片接头力学性能影响机制研究

基于多尺度混合建模技术和非线性接触理论,建立考虑管片接头细部构造和静动应力累积的盾构隧道精细化数值计算模型,研究盾构正交下穿施工扰动下,既有隧道管片结构(含接头)的静动力力学特性。研究结果表明:新建盾构隧道的下穿施工将引起既有隧道管片结构纵向不均匀下沉,并伴有一定的扭转;管片接头变形、螺栓内力和接头混凝土应力均表现出波动性增长,其峰值出现在既有隧道中部及其前后约6 m处;下穿施工扰动下,既有隧道管片拱腰处纵缝接头张开量的增加与拱底环缝接头错台量的增长分别对隧道的防水及螺栓受力不利;螺栓所在位置拉应力集中明显且显著增长,接近管片混凝土极限抗拉强度。在列车荷载作用下,管片接头变形,螺栓内力和管片应力3项指标表现出相似的变化规律,在轮轨经过时,量值迅速增大并产生剧烈波动,其中螺栓剪力和动拉应力在轮轨荷载交替时存在一定叠加效应。     

列车撞击作用下盾构隧道管片接头错动和张开分析

建立盾构隧道三维数值模型,在管片内侧施加特定速度和角度的列车脱轨撞击荷载,获取与被撞击块相连6颗螺栓所在位置的接头错动及张开量时程曲线。通过对比分析在撞击过程中不同位置接头的错动和张开量变化趋势以及出现的最大张开、错动量,揭示在列车小角度撞击作用下盾构隧道管片接头张开和错动特性。结果表明:在速度200 km/h列车斜向12.5°撞击作用下,各螺栓位置的管片接头均出现不同程度的张开和错动,在撞击过程中各位置接头出现的最大错动量均远远超过实际工程中的限值;相对于管片接头的错动,撞击作用所造成的各位置接头平均张开量相对较小,某些位置接头在整个撞击过程中始终未发生张开。研究所得结论对盾构隧道的结构防撞和防水设计具有一定的参考价值。     

盾构管片接头力学性能数值模拟研究

研究目的:盾构隧道管片接头是管片结构能够稳定承受荷载的重要部分,管片与管片通常采用弯螺栓的连接方式,管片接头的结构构造和功能性相对复杂,使得其力学行为较为复杂,管片接头的力学性能对管片结构的性能具有决定性影响。基于此,针对盾构隧道管片接头力学性能问题,建立三维精细化有限元模型开展数值计算,从管片接头混凝土、螺栓应力及接头力学参数三个方面分析接头弯矩和轴力对管片接头力学性能的影响规律。研究结论:(1)随着弯矩的增大,混凝土第一主应力和第三主应力之间的差距逐步增大,接头接缝面受压区内混凝土处于较为不利的受力状态,尤其是接缝面最外缘区域内,随着弯矩的增大,该区域的范围由接缝面向两侧逐步扩大;(2)弯矩增大导致接缝面张开变形及螺栓Mises应力逐步增大,在相同弯矩作用下,螺栓的第一主应力、Mises应力和水平应力的最大值相等,表明螺栓主要承受水平方向的拉力;(3)正弯矩作用下的接头竖向位移略小于负弯矩作用时的接头竖向位移,说明管片接头正弯变形性能与负弯变形性能存在一定的差距;(4)正弯矩作用下接头变形能力好于负弯矩作用下接头变形能力,在接头转动变形较小时,接头抗弯刚度较大,随着接头转动变形的增大,接头抗弯刚度整体上呈减小的变化趋势;(5)本研究成果可为具有类似管片接头构造的盾构隧道工程提供参考。     

温州轨道交通M1线盾构隧道衬砌管片接头力学特性

为研究温州轨道交通M1线地铁盾构隧道衬砌的极限抗弯承载力和接头变形能力,基于地铁盾构隧道变形的衬砌管片接头张开破坏试验,介绍了地铁衬砌结构接头破坏试验的研究内容,包括加载装置、荷载设计、测试内容,以及部分试验结果,并对试验进行了数值模拟分析。研究结果表明：正、负弯矩工况下,接头力学性态发展可大致分为线性增长、塑性发展和极限破坏3个阶段,极限破坏状态在正、负弯矩作用下的破坏模式并不相同。