盾构施工对地铁围岩变形的影响分析

基于某城市地铁2号线穿越工业厂房区引起地基变形的工程背景,简化为实体应变模型,采用数值模拟的方法对开挖前后隧道围岩变形进行对比,目的是研究盾构在开挖过程中对周围岩体的变形影响情况。结果表明,盾构开挖过程中隧道围岩变形比较大,隧道中心处竖向变形情况远大于水平变形,盾构与隧道的接触面处的应力高度集中且远远大于周围岩体的平均应力。     

地铁盾构隧道下穿城市公园地基加固宽度分析

为改变居住环境和生态环境,往往公园等大型公共用地的规划是动态变化的,例如公园内假山等景观的建造或拆除。对于地铁盾构隧道下穿该区域来说,运营阶段上覆荷载的改变,会使得结构横断面变形过大。后续的建设规划同地铁盾构隧道结构安全性之间存在矛盾。为解决这一矛盾,需要在地铁盾构隧道建设期进行地基加固。通过工程调研,分析了上海地铁盾构隧道在上覆荷载发生变化时,横断面变形现状;采用ABAQUS三维有限元,选取某典型软土地区深厚淤泥质土层断面,研究了盾构隧道下穿公园区域内假山建造和穿越土层性质对地基加固宽度的影响。结果表明:地基加固需分段考虑且山体高度不能超过3.5 m。隧道全断面穿越淤泥土层,山体高度小于3.5 m时,拱腰两侧加固3 m较为合适;穿越淤泥质粉细砂层,该宽度可减小至1 m;穿越粉质黏土层,拱腰两侧可无加固宽度。     

地铁盾构隧道抗弯刚度有效率的模型试验研究

盾构管片拼装过程需要设置环向与纵向螺栓,螺栓接头会对管片整体刚度产生影响。以城市地铁单线单洞盾构隧道为研究对象,采用室内相似模型试验,开展2环管片横向、21环管片纵向加载试验,通过对比分析均质管片与错缝拼装管片,得到了盾构隧道横向和纵向刚度有效率。试验结果表明:隧道各位置的变形与荷载基本呈线性变化;横向抗弯刚度有效率为0.76,纵向抗弯刚度有效率为0.20～0.35。     

轨道平顺性与土动力特性对地铁隧道振动的影响

为精确计算列车动荷载作用下软土地铁盾构隧道频域振动响应,考虑地基动刚度随应变频响的非线性变化,建立了车辆/轨道/隧道/软土地基的垂向耦合动力学模型,研究了不同轨道平顺等级下软土动刚度随应变频响非线性变化对地铁盾构隧道随机振动的影响规律.研究结果表明:随着轨道平顺性的恶化,地基动刚度随应变频响非线性的变化将引起地铁盾构隧道各频段内的振动加速度级出现明显的非均匀变化;轨道不平顺恶化后,软土地基动刚度的非线性将改变地铁盾构隧道频域振动幅值大小,且其对应频率会出现约有0.2 Hz的偏移,致使地铁盾构隧道频域振动能量出现重分布现象.      

基坑开挖对下卧盾构隧道变形影响的计算分析

针对矩形基坑开挖对下卧隧道变形影响这类课题,基于Mindlin经典解,考虑了坑底残余应力及围护桩效应的影响,推导了基坑开挖卸荷作用在隧道处附加应力的计算公式.对于埋深超过1.5倍隧道外径的盾构隧道,通过在Pasternak模型上部增加一层弹簧层来考虑上覆土层对隧道的约束作用,建立起地基梁的挠度微分方程.采用有限差分的方法把隧道离散为独立的节点单元,从而求解出隧道纵向的竖向位移和水平位移,最后与有限元数值模拟、工程实测得到的隧道变形数据对比分析.研究表明:在考虑深埋盾构隧道与土体的相互作用时,相对于Pasternak模型方法,笔者方法更能反映两者之间真实的力学行为,得到的解析解更接近于数值解,与实测值吻合度也较高,证明了方法的合理性和优越性;另外,笔者方法省去了大量的建模工作,在设计方案时能够用于初步评估基坑开挖引起下卧盾构隧道纵向变形的影响.     

邻近双线盾构隧道的深基坑施工分析

以上海某邻近双线盾构隧道的基坑工程为背景,运用有限元方法计算,模拟基坑开挖的不同阶段,分析了不同工况下基坑变形、受力及对盾构隧道的影响,并对不同施工方式进行了对比分析.分析结果表明：施工内部框架结构有利于控制盾构隧道上浮和受力;支撑的拆除对坑底及下方隧道的变形和受力影响较小.研究结论可为类似工程提供借鉴与参考.     

砂卵石地层下伏膨胀岩土盾构隧道结构内力特征

成都地铁二号线区间盾构隧道局部穿过砂卵石下伏膨胀岩土地层,为获得下伏地层膨胀荷载对盾构隧道衬砌结构内力的影响规律,采用数值方法分析了下伏地层在不同范围发生局部膨胀时对衬砌结构外侧压力的影响.通过现场测试得到了盾尾注浆时和隧道贯通后衬砌结构荷载及内力的分布规律,并与不同膨胀荷载下结构内力的计算结果进行了比较.研究表明:膨胀圈厚度及范围对膨胀后压力增量的影响较小,膨胀力对压力增量的影响较大;局部膨胀荷载的存在将增大管片结构弯矩,对结构受力不利,负弯矩是下伏膨胀岩土地层盾构隧道结构设计的控制因素.计算砂卵石下伏膨胀岩土地层中盾构隧道结构内力时,应考虑膨胀荷载的影响,膨胀荷载可采用数值分析等手段确定.      

盾构掘进对邻近浅基础框架建筑物影响研究

盾构隧道掘进会对周围土体产生扰动,进而影响其周边建筑物。基于土体损失计算理论,研究了盾构掘进造成的浅基础建筑物的内力变化与沉降变形,建立了浅基础建筑物结构、基础和地基协同作用的力学模型并推导了其解析解,进一步与实测变形值进行对比,吻合度较好。研究表明:盾构隧道掘进区内,浅基础建筑物易整体出现倾斜;随着开挖面的靠近,框架结构物基础梁的弯矩和剪力逐渐增大,其最大值出现在开挖面到达该建筑物正下方附近时。为了更好地控制盾构掘进对邻近浅基础框架结构物的影响,施工中需加强对建筑物首尾沉降差及倾斜率的监测。     

盾构隧道邻近高架桥桩基时的地层加固措施

广州地铁盾构隧道施工过程中,盾构隧道靠近一处高架桥的钻孔桩基,采用袖阀管注浆的方法,隔离了盾构隧道与高架桥的钻孔桩基,并加固了盾构隧道通过路段的地基,减轻了盾构隧道施工对钻孔桩基的影响,保证了高架桥的安全。介绍了袖阀管注浆加固地基的方案选定、施工参数的设计、施工监测和施工中应注意事项等,对同类工程有借鉴意义。     

顶管法施工对邻近地铁盾构隧道的安全影响研究

无锡某泵站工程采用顶管法施工,顶管近距离跨越运营地铁隧道。为保证运营地铁隧道结构安全,施工前采用有限元分析软件PLAXIS 2D和PLAXIS 3D模拟施工过程,预测了顶管法施工对隧道变形的影响,同时在施工期开展了全过程的安全监测。基于模拟结果和实测数据对比分析,得出以下结论:隧道变形均满足规范中对隧道结构变形的控制要求;数值分析结果与实测结果变形规律基本一致,顶管施工引起下方地铁盾构隧道的竖向变形表现为隧道隆起,水平变形相对较小,隧道收敛表现为横向压缩、竖向拉伸;顶管穿越施工引起下方盾构隧道上浮和轮廓收敛变形,隧道最大变形均发生在顶部,施工过程中应加强对隧道顶部上浮和轮廓收敛的监测工作。顶管法施工上跨地铁运营隧道的影响结果可为类似工程安全控制提供一定参考。     

类矩形盾构隧道衬砌结构设计模型研究

为了得到适用于类矩形盾构隧道结构设计模型,通过整环足尺试验模拟类矩形盾构隧道在正常运营工况下的实际受力,得到试验结构的变形和内力,采用等效刚度模型和梁-弹簧模型对试验结果进行分析,得到有效的类矩形盾构隧道结构设计参数. 结果表明:采用等效刚度模型作为类矩形盾构隧道结构计算模型,难以得到同时符合结构长短轴变形的管片刚度折减系数;采用梁-弹簧模型作为类矩形盾构隧道结构计算模型,结构变形和结构内力计算结果和足尺试验结果较为匹配,能真实反应类矩形盾构隧道结构受力,选用梁-弹簧模型作为类矩形盾构隧道结构计算模型更为合理,所研究类矩形结构管片接缝的抗剪刚度建议为341 × 106～368 × 106 N/m;负弯矩接缝抗弯刚度建议为114 × 106～491 × 106 N?m/rad,正弯矩接缝抗弯刚度范围为85 × 106～177 × 106 N?m/rad.      

地铁盾构隧道管片接头抗弯刚度的数值计算

采用三维有限元法对南京地铁区间盾构隧道管片接头的受力情况进行了数值模拟计算，研究了不同荷载作用下管片接头的变形、转角和抗弯刚度，探讨了接头转角和抗弯刚度的变化规律；通过转角、弯矩和轴力关系的拟合为接头抗弯刚度的确定提供了新的途径．数值计算结果表明，管片接头抗弯刚度随轴力增大而增大，随弯矩增大迅速减小并逐渐趋于稳定；轴力对抗弯刚度的影响随弯矩的增大而减小。     

水压条件下矿山法隧道主体结构的受力特征

为探明水压条件下矿山法隧道主体结构的受力特征,采用模型试验研究高水压条件下衬砌的力学行为、结构与围岩、地下水相互作用关系及结构破坏模式.研制了马蹄形断面非均布水压-土压加载装置,模拟大断面隧道衬砌主体结构在不同水压与土压共同作用下的力学行为.研究表明:弯矩沿衬砌周向总体上呈蝴蝶形分布,轴力呈近似椭圆形分布;土压力增大使结构弯矩、轴力、最大变形量和偏心距均增大;侧压系数增大使结构弯矩不同程度地减小,而使轴力增大;水压增大使衬砌轴力迅速增大,而弯矩增大较慢;高速铁路隧道衬砌结构承受的极限水压不宜超过500 kPa.      

地震作用下盾构隧道纵向接头的受力特征

实际工程中，盾构隧道纵向接头是结构受力和变形的薄弱部位，针对盾构隧道纵向接头细部构造在地震作用下的受力特征，提出了一套由整体到局部的数值分析流程.首先建立基于纵向等效刚度梁的三维地层-结构时程分析模型，然后以该模型计算得到的纵向内力极值作为盾构隧道整环三维分析模型的外荷载，获取隧道最不利区域边界力，最后将边界力施加在盾构隧道纵向接头局部精细化分析模型之上，分析纵向接头细部构造受力特征；并以某综合管廊工程为背景对该方法进行具体阐述和讨论. 研究结果表明:地震波横向激励时，盾构隧道纵向以往复的水平弯曲为主，而纵向激励时，则以往复的竖向弯曲和纵向拉压为主；在纵向张开量最大的局部区域，不论是轴向拉力工况还是纵向水平弯矩工况，该局部区域都处于受拉状态，两种工况对该局部区域受力模式不产生本质影响；当盾构隧道纵向最大张开量的局部区域受拉时，最大拉应力区均位于管片内侧手孔部位，最大压应力区则围绕螺栓孔成环形分布.      

半整体式桥台无伸缩缝桥静力分析

为了克服桥梁伸缩缝病害,考虑了桥梁上部结构、下部结构和基地土的共同作用,建立了半整体式桥台无伸缩缝桥的静力计算模型。以一座长100 m PC连续箱梁桥为例,对该桥在重力、车辆和季节性温度变化荷载作用下进行了弹性大变形分析,对相应的有伸缩缝桥和整体式桥台无伸缩缝桥分析结果进行了对比。结果表明:半整体式桥台无伸缩缝桥主梁的弯矩、剪力、挠度和下部结构的轴力与有伸缩缝桥接近,但主梁中出现了轴力,下部结构弯矩和剪力较有伸缩缝桥大,说明半整体式桥台无伸缩缝桥消除了伸缩缝的病害,结构整体刚度大,是一种有应用推广价值的桥型。     

地震剪切荷载下盾构隧道衬砌的等效刚度系数

等效刚度系数是盾构隧道衬砌设计中极其重要的参数,将地震剪切荷载考虑进去,用结构力学方法求解了衬砌的等效刚度系数,并通过算例求解了衬砌的等效刚度系数。     

悬索桥重力刚度法及主缆水平拉力计算

对于大跨度悬索桥,加劲梁的抗弯刚度远远小于具备强大拉力储备的主缆的重力刚度,加劲梁的抗弯刚度的大小对全桥结构行为的影响只是处于次要地位。忽略加劲梁的抗弯刚度而将悬索桥当成一个单纯的索结构来分析它的内力和变形的方法就是重力刚度法。通过与悬索同跨简支梁的剪力和弯矩来明确重力刚度的概念,并揭示该剪力和主缆水平拉力、该弯矩和主缆挠度之间的关系。分别采用重力刚度法和通用软件ANSYS来计算悬索桥的内力和变形,其结果接近,说明采用重力刚度法计算的结果也是具有参考价值的。     

封顶块位置对高水压通缝拼装管片结构的影响

为了探明封顶块位置对盾构隧道管片结构力学行为的影响，基于苏通GIL （gas-insulated transmission）综合管廊隧道工程，选取封顶块在拱顶和拱腰两种代表性工况，开展了高水压条件下的通缝拼装管片结构原型试验，从管片结构的变形、受力、裂纹开展情况和最终破坏状态等方面对两种工况的试验结果进行分析. 研究结果表明:不同封顶块位置对管片结构的影响总体表现为对结构整体刚度的削弱不同，其形成的刚度削弱区域抵抗指向洞外变形的能力要强于指向洞内变形的能力；封顶块位于拱腰时结构整体刚度更大，管片结构椭圆度和单点最大位移均分别减小了39.8%和38.2%；封顶块位于拱顶时结构抗弯刚度削弱明显，易出现较大的纵缝张开，而封顶块位于拱腰时管片最大纵缝张开量明显减小，仅为前者的53.3%，且连接螺栓受力减小了54.4%；封顶块位于拱腰时，管片环拱底内弧面更容易产生裂纹、开裂荷载相对更小，管片内部主筋更早进入受拉状态；封顶块位于拱顶时管片结构由于纵缝张开量较大，在较高水压的情况下破坏始于纵缝处混凝土的压剪破坏进而导致的结构失稳.      

外圆内椭管片结构内力计算模型

为了使地铁隧道适应地层荷载的不均匀性,参考异形管片结构形式,同时兼顾制作与施工等因素,提出外圆内椭管片结构,以保证管片结构最不利位置的刚度满足安全要求,并适当降低管片其他位置的刚度,充分利用材料特性;采用刚度阶梯折算法求解外圆内椭管片的柔度系数与自由项,建立外圆内椭管片的计算模型;参照实际工程地质条件,研究外圆内椭管片的内力分布特点;利用《铁路隧道设计规范》(TB 1003—2016)对外圆内椭管片的安全性进行评价。计算结果表明:相比于等刚度管片,在相同的荷载条件下,外圆内椭管片减小了管片结构拱顶与拱底的弯矩,将最大弯矩与最大轴力转移至拱腰,在验算时重点分析管片结构拱腰处的内力能否满足安全条件即可,简化了安全验算内容;在稳定性方面,等刚度管片在拱顶、拱肩与拱腰处的安全系数分别为3.07、18.05和2.45,外圆内椭管片在拱顶、拱肩与拱腰处的安全系数分别为2.79、14.86和2.21,虽然较之等刚度管片略有降低,但仍然大于安全验算要求规定的最小值2.0,可充分发挥混凝土的材料特性;在内部空间方面,外圆内椭管片在外径与等刚度管片一致的情况下,等刚度管片的内部空间面积为22.9m2,而外圆内椭管片的内部空间面积为23.76 m2,明显大于等刚度管片面积,因此,可在不扩大外径的条件下,增加了内部空间面积,提高了内部空间利用率。