大直径盾构隧道拼装过程管片力学响应研究

通过对拼装阶段管片衬砌进行荷载分析,建立了管片拼装阶段的有限差分模型,结合佛莞城际铁路狮子洋盾构隧道全断面岩层段的现场实测数据深入研究了管片拼装过程的环向内力响应规律,结果表明：①拼装过程中管片轴力实测值以受压为主,但在拼装初期存在局部受拉的情况,而计算值均为受压状态,弯矩实测值和计算值呈现出明显的正弯趋势;②拼装成环后管片轴力、正弯矩及负弯矩实测最大值分别约为计算值的1.5,1.28和1.36倍;③拼装过程引起管片弯矩的响应较轴力更为敏感;④相邻块拼装对管片轴力和弯矩的影响最显著,其次是F块插入,其他拼装步的影响较小,且距相邻块和F块越近的截面,其内力响应越大;⑤拼装成环后,管片轴力和弯矩计算值与实测值大致沿封顶块径向中轴线对称分布,计算值空间分布的对称性比实测值明显;⑥拼装过程中管片轴力实测最大值达到正常使用阶段梁-弹簧模型计算最大值的43.5%,而最大正弯矩、负弯矩则达到正常使用阶段的188.89%,447.84%,表明全断面岩层段管片拼装过程引起的内力响应显著、管片处于弯矩大而轴力小的不利受力状态,设计和施工应予以重视。     

钱江隧道管片拼装过程中的力学行为实测分析

钱江隧道是目前世界上最大直径的软土盾构法隧道工程之一。通过在典型地层深埋段埋设全断面的隧道试验环,对盾构拼装管片的全过程及拼装后管片结构的受力特征进行了现场实测。监测结果表明,管片结构内力在拼装过程中受到管片相对位置及相互接触关系的变化影响,经历了波动、微调整直至平衡状态的变化过程。多数管片在拼装阶段的实测内力小于正常使用阶段管片理论内力的30%,但高于拼装阶段管片内力的理论值,最高可达到拼装阶段理论值的10倍以上。管片拼装过程中的内力实测值经历了波动或跳跃后逐渐逼近拼装阶段的理论值。值得注意的是,实测值的变化曲线表明:个别管片局部内力出现突变,实测突变值达到正常使用阶段理论值的3倍以上。因此,尽管管片之间通过管片间接触条件及相对位置的调整使管片结构的内力较快调整至正常状态,但该过程中出现管片内力局部过大的情形对管片结构的耐久性和长期承载性能可能造成影响,在今后的设计和施工控制中应予以充分考虑。     

拼装方式对大断面越江电力盾构隧道 结构内力的影响

针对大断面电力盾构隧道穿越长江时管片拼装方式对隧道结构内力影响显著的问题,以苏通GIL综合管廊工程盾构隧道衬砌结构为研究对象,利用梁-弹簧模型模拟管片结构,采用荷载-结构模型计算管片结构荷载,对不同拼装方式下衬砌结构力学行为进行研究,分析了拼装方式对输电盾构隧道结构内力的影响效应。结果表明:错缝拼装控制管片结构内力,通缝拼装控制管片变形量; 通缝拼装的受力性能要优于错缝拼装,但通缝拼装的变形更大,在施工时要根据使用要求进行选择,同时管片结构力学行为在不同拼装方式下是不同的,与封顶块的位置、错缝角度、目标环的环向和纵向接头的位置有关; 拼装方式对管片最大变形量、最大正弯矩、最大负弯矩影响较大,对管片最大轴力影响较小; 在错缝拼装时,尽量避免错缝角度为180°,最理想的错缝角度在32.7°～81.8°之间; 所得结论可为输电盾构隧道管片拼装方式的选择提供借鉴和参考。     

软硬地层条件下盾构隧道管片衬砌力学分析

分析隧道底部切入基岩不同深度时盾构隧道管片结构内力和变形,结果表明随着岩层厚度的增大,弯矩、剪力和变形先增大后减小,而轴力变化不大;当岩层厚度相同时,错缝拼装的弯矩和剪力比通缝拼装的要大而变形要小、轴力变化不大,故设计时隧道底部岩层厚度应控制在1/4D以内或3/4D以上。     

武汉长江隧道管片衬砌结构受幅宽影响的力学分布特征研究

 以武汉长江盾构隧道为工程背景,通过引入管片接头的弯矩–轴力–转角非线性曲线参数的三维壳–非线性弹簧计算模型对幅宽为1～10 m的管片衬砌结构的三维力学分布特征进行系统研究,并与传统梁–非线性弹簧模型的内力结果进行比较,得出管片衬砌结构受管片幅宽影响的内力分布规律。最后通过大比尺相似结构模型试验对计算成果进行验证。研究结果表明：三维管片衬砌结构的最大正、负弯矩一般发生于幅宽边缘部位;就幅宽边缘的最大弯矩而言,在偏安全地假定环间剪切刚度无穷大的情况下,梁–弹簧模型的最大值和三维结构最大值基本相等,表明采用梁–弹簧模型的计算结果用于结构分析是可以确保安全的;就幅宽中央的最大弯矩而言,梁–弹簧模型的最大值比三维结构相应结果明显偏大,说明采用梁–弹簧模型计算结果进行管片配筋会使幅宽中部区域结构配筋率偏大,造成不必要浪费;大幅宽管片的环间接头径向剪力值比梁–弹簧模型的计算结果小,并且幅宽越大两者差值越大。该研究成果对于类似大型越江和海底盾构隧道优化管片结构配筋和分析管片结构安全具有重要的参考价值。     

盾构隧道衬砌近接桥桩的施工力学响应及影响分析

衬砌结构作为盾构隧道主要承重结构,其受力特性直接决定隧道能否安全使用,运用有限元分析软件模拟不同注浆压力和不同近接距离下盾构隧道施工过程,分析衬砌结构近接桥桩的施工力学响应,结果表明:注浆压力在0.1MPa~0.5MPa范围内,随着注浆压力的增加衬砌管片的最大隆起值和最大沉降值均减小,水平最大正位移值与负位移值均增大,且管片的弯矩与剪力逐渐增大,轴力逐渐减小,其中水平位移与轴力的变化率较大;近接群桩距离的改变,衬砌管片的内力与变形均随着距离的增大而减小,逐渐接近于无桩时的状况,其中管片的沉降最大值与轴力的减少幅度较大。研究结果为类似工程提供参考。     

马蹄形盾构隧道结构内力现场测试

以白城马蹄形盾构隧道为背景,对管片结构内力进行了监控量测,总结了马蹄形管片结构内力的分布特征及其内力随时间的变化规律,将不同埋深断面的内力值进行了对比,并将实测内力与设计内力值进行了对比,得出结论如下:(1)摸清了马蹄形盾构管片结构内力分布特征;(2)管片拼装,同步注浆及脱出盾构等施工过程中,管片结构内力受施工荷载影响显著,因此,要注重对施工荷载的控制,以减少对管片结构的不利影响;(3)深埋断面实测内力值整体小于中埋断面,与设计较为一致,验证了设计的合理性;(4)各埋深断面的实测内力值显著小于相应的设计计算值,表明管片结构的设计是安全可靠的。     

盾构隧道施工阶段管片上浮的力学分析

 盾构隧道衬砌管片在施工阶段处于复杂的受力状态,易出现管片错台、整体上浮等现象。对盾构隧道施工阶段管片注浆段进行受力分析,考虑静态上浮力和动态上浮力,分别分析其作用机制,提出上浮阶段的衬砌环受力模型及计算公式。针对盾构隧道衬砌环在正常设计状态与上浮状态下的受力不同,采用修正惯用法衬砌设计理论分别对其进行内力计算,并将计算结果进行对比分析。结果表明：上浮状态下管片的弯矩值、剪力值和轴力值分别比正常设计状态下的管片内力增加64%,51%和46%,表明隧道上浮对管片受力不利。其中施工阶段动态上浮力对管片的受力影响非常大,超过静态上浮力,必须对其进行合理控制,防止压裂管片。     

不同地层盾构隧道管片力学行为研究

盾构隧道施工过程中管片衬砌由于受力复杂,容易发生局部破损的情况。文章依托深圳城市轨道交通5号线区间隧道盾构施工,在现场基于测试方法研究了管片衬砌在施工中的力学行为,对比探讨了隧道下穿软硬不均地层、粘土地层和上覆建筑物的全风化花岗岩层中衬砌所承受的轴力和弯矩。研究结果表明:不同地层中盾构隧道的力学性能有较大差异,但是它们的力学性能变化阶段是一致的。即:当管片刚拼装完成时,在盾壳的保护下,内力较小;管片内力在管片脱出盾尾后达到最大峰值;当管片拼装上一定时期后,管片内力趋于稳定,其内力一般较管片刚脱出盾尾时要小。     

基于三维非连续接触模型的管片接头静动力特性分析

基于非线性接触理论,考虑盾构隧道结构的非连续性,模拟管片接头结构和管片衬砌与围岩及道床之间的相互作用,建立了道床-管片-围岩的三维非连续接触模型,对盾构隧道管片接头在围岩静压、列车动载作用下的受力与变形进行了深入分析。研究结果表明,围岩静压下拱顶和隧底处的纵向接头部分向内张开,两侧拱腰处的接头部分向外张开,拱顶处的封顶块与邻接块错台较大,拱腰接头受压明显,拱顶接头受压最小,各环管片拱顶处的螺栓轴力最大,隧底处的其次,拱腰处的接头螺栓轴力最小,旋转了一定拼装角度后位于拱肩上部的接头螺栓,其剪力最大;列车动载作用下管片接头的张开错台、混凝土应力以及接头螺栓的内力均在动载施加初期迅速增加,然后明显减小,而后产生波动,其中浅埋地铁隧道拱顶接头的动力响应较隧底接头明显,螺栓剪力在列车动载作用下较螺栓轴力增加的多。     

结构参数对异形断面盾构隧道管片力学特性的影响研究

为研究设计参数对矩形盾构隧道装配式衬砌结构受力的影响,采用ANSYS有限元软件,建立了矩形盾构隧道装配式衬砌内力计算的梁-弹簧模型,探讨了断面形式、分块数量、管片厚度和接头刚度对管片内力的影响规律。计算结果表明:4种典型矩形盾构隧道结构断面形式中,类椭圆和曲墙曲拱断面的异形断面断面受力状况较优。不考虑接头位置,仅分块数量的改变对管片内力的影响相对较小。随着管片厚度的增大,管片的内力均有所增大,管片厚度的改变对剪力影响最明显,对轴力的影响小。接头刚度的改变对管片弯矩和剪力的影响明显,对轴力的影响较小,接头刚度的影响呈现明显的区段性,在接头刚度较小时变化较快,之后变化趋于平缓。     

南京越江盾构隧道纵向抗弯能力研究

针对南京越江盾构隧道建立了三维有限元实体模型,根据中性轴的位置通过施加节点荷载的方法来施加纵向弯矩.模型中将管片环视为一均质体,采用接触单元来模拟管片环之间的相互作用.纵向螺栓采用梁单元来模拟,并考虑预紧力作用.计算表明,接触面上的受压区仅位于环缝上端很小一部分区域,环缝张开区域较大,但较大裂隙的分布也局限于环缝下端一小块区域.在弹性状态下,螺栓的轴力、最大拉应力与纵向弯矩基本上成线性关系.该工作可为管片结构的设计提供参考.     

盾构隧道管片环纵向接头抗弯刚度值的不动点迭代确定方法

 盾构隧道管片环纵向接头构造复杂,偏压荷载作用下,其变形具有明显的非线性特征,合理的接头抗弯刚度值是运用梁–弹簧模型进行盾构隧道管片环断面设计、计算的前提,而该抗弯刚度值与接头截面处内力组合情况密切相关。针对双衬垫式管片环纵向接头,利用已有简化力学模型,提出一定轴压作用下,接头各变形模式及各模式下的抗弯刚度解析式,并将已有管片接头各工况加载试验的转角实测值与对应变形模式的理论计算值进行对比,验证了其工程设计适用性。根据接头各变形模式下抗弯刚度解析式,结合基于梁–弹簧模型考虑接头刚度差异性的管片环内各纵向接头处截面内力解析式,构造关于管片环内各纵向接头抗弯刚度值的非线性方程组,由数值计算软件Maple编写该接头刚度非线性方程组的不动点迭代求解程序,多次试算最终得到合理的管片环内各纵向接头抗弯刚度值。     

地铁盾构隧道管片受力分析

盾构管片接头刚度系数一直是影响盾构管片设计计算结果正确性的直接影响因素。通过建立盾构管片及弯曲螺栓的三维非连续介质模型,以及设置合理的管片接头接触模型,消除了接头刚度系数对计算结果的影响。对盾构管片在实际荷载作用下的受力与变形情况进行研究。研究表明:管片拱顶与拱底接头向内侧张开,两侧拱腰接头向外侧张开。非连续介质模型中,盾构管片的分块拼装形式以及管片间连接螺栓单元的设置改变了管片环的整体刚度,管片接头附近出现了不均匀的波浪形云图。相对于惯用法模型,三维非连续介质模型的轴力值在接头处有明显突变,并且其最大正弯矩值小于惯用法模型计算结果。两种计算方法得出的最大负弯矩值相差不大,本次研究取得的成果对盾构管片设计工作有一定的参考价值。     

纵向卸荷对管片力学特性和承载能力的影响研究

为解决神东补连塔煤矿斜井盾构拆解问题,提出用有限元方法研究纵向卸荷引起的结构纵向和横向力学特性变化。管片受纵向卸荷情况下,卸荷前后纵向螺栓和环向螺栓以及钢筋均未屈服,纵向拉应力和管片环纵缝张开量变化较小;管片水平和竖向收敛值,以及靠近卸荷侧的管片环拱顶内侧拉应力有所增加,主要因为卸荷后横向刚度下降;对管片纵向卸载后承载能力进行评价,其最大正弯矩、最大负弯矩、轴力均未发生变化;结果表明,现场拆解过程中的管片变形和受力均满足要求。     

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。     

高水压岩质盾构隧道施工期结构内力分析

 在使用大型跨江海盾构法进行水下隧道施工时,主要存在的流固耦合问题是：掘进过程中引起的流固耦合效应对管片结构内力的改变。结合重庆主城排水过长江盾构隧道工程,选取典型断面,按连续介质理论,采用有限元数值模拟手段进行分析。对该典型断面采取水土合算和考虑耦合效应2种方式来计算管片结构内力分布,并和现场实测数据进行验证。研究结果表明,在水下盾构法施工期间,管片截面最大内力出现在刚拼装完时,长期地下水渗流会减小管片截面内力。从流固耦合角度来研究管片结构受力特征,可为类似的工程设计及施工提供有益的参考。     

深埋高内水压盾构隧道管片衬砌力学特性足尺试验研究

鉴于目前内水压盾构隧道力学性能的研究尚不充分,未能揭示内水压荷载作用下盾构衬砌的内力与变形等规律,结合上海市拟建设的深埋蓄排水盾构隧道,研发原型管片衬砌加载装置并对内水压盾构衬砌的力学行为开展试验研究。试验结果表明：内水压会显著影响盾构隧道衬砌结构的力学性能,在内水压荷载作用下盾构衬砌环弯矩增大、轴力减小,衬砌环与局部接头变形及螺栓应变均增大,结构安全储备降低。当内水压达0.6MPa时,衬砌环收敛变形约为无内水压作用时的2倍。环间作用增大时错缝拼装衬砌环的抗变形能力及安全储备提高,主要原因是管片接头弯矩向相邻管片截面的传递效应增强。此外,分析了内水压作用时衬砌结构的弯曲刚度有效率与接头弯矩传递系数变化规律及衬砌环收敛变形限值,可为双排螺栓连接的深埋内水压盾构衬砌设计计算参数的选取提供参考。     

一种双分量结构内力测量传感器的研制

研制了一种可以用于混凝土结构试验中测量框架柱底部轴力和弯矩的传感器,并对其进行了轴心受压和偏心受压两种荷载工况下的标定试验.该传感器由4根钢管和2块钢板组成,钢管沿竖向布置于两钢板之间,并通过沉头螺栓与上下钢板连接.标定试验结果表明,轴心受压工况下,计算值与实测值的平均偏差在0.5％以内;偏心受压情况下,轴力项平均偏差...     

基于接头非线性抗弯刚度的盾构隧道迭代算法的实现与应用

盾构隧道接头环向抗弯刚度反映了接缝在一定的轴力水平下抵抗弯矩作用产生变形的能力,具有典型的非线性特征,设计中对刚度取值的偏差会导致结构变形和内力出现差异。通过将管片接头弯矩-轴力-转角的三维曲面参数编制汇总到数据库文件中,实现接头非线性力学效应向整环模型输入的迭代计算方法。采用接头刚度迭代算法与传统的(修正)惯用法、多铰圆环法、梁-弹簧模型的内力与变形结果进行比较。运用大比尺相似结构模型试验对不同外荷载作用下的计算成果进行验证。最后采用迭代算法对复合地层条件下的衬砌结构进行计算分析,并利用现场实测数据进行验证。研究结果表明:接头刚度影响着衬砌的整环抗弯刚度,对于受力均匀的衬砌结构而言,采用梁-弹簧模型的计算结果与迭代计算模型相差不大,满足工程设计要求;对于上下交叠的软硬程度差异极大的复合地层而言,衬砌结构内力相差较大,采用接头刚度迭代算法的计算结果与现场实测值吻合较好,证实了该算法的可行性和合理性。