动力作用下盾构隧道接头破坏行为研究

为揭示盾构隧道接头在高速列车动力撞击下的破坏行为,通过建立盾构隧道三维数值模型,对螺栓开裂与否两种工况下的管片接头破坏情况进行分析对比,同时捕捉管片接头与螺栓的动态开裂过程。研究结论:是否引入螺栓开裂对于管片纵向接头的开裂情况有较大影响,引入螺栓开裂后管片纵向接头部位不会出现完全破坏的单元,但其裂缝张开度总体上反而有所增大。撞击荷载下,管片纵向接头率先出现开裂的部位均为弯螺栓处,且环向弯螺栓呈环状断裂破坏,纵向直螺栓纵向剥离破坏。     

下穿高速铁路浅埋盾构隧道管片动力响应特征分析

以广州地铁9号线下穿武广高速铁路为工程案例,采用ABAQUS建立隧道-地层-路基三维耦合有限元分析模型,通过施加简化后的高速铁路列车振动荷载,研究了不同埋深条件下盾构管片和螺栓的动力响应。结果表明:随着埋深的增加管片最大主应力先减小后增大,埋深7 m时管片最大主应力最小,约为1.21 MPa;列车振动荷载作用下隧道拱底为受力最不利位置,且环向螺栓的最大主应力峰值远小于纵向螺栓;随着埋深增加拱底纵向连接螺栓的最大主应力峰值由30.35 MPa减小至13.86 MPa,远小于螺栓的屈服强度。     

不同类型列车撞击盾构隧道动力响应研究

研究目的:盾构隧道为装配式管片衬砌结构,其整体稳定性相对较差,防撞能力较弱,一旦列车撞击事故发生在隧道内,列车的撞击荷载极有可能导致隧道破坏和失稳。本文基于H. H. T时间积分法,通过构建列车-刚性墙动力耦合模型,获取不同类型列车在相应速度区间内的撞击荷载时程曲线,研究不同类型列车撞击的荷载特性,并将所得撞击荷载施加在盾构隧道上,以揭示在不同类型列车撞击作用下盾构隧道管片衬砌破坏特性及其差异性。研究结论:(1)列车运行速度对于撞击荷载时程曲线变化趋势影响不大,但对于撞击荷载大小和撞击持续时间影响显著;(2)各类型列车的撞击荷载均经过撞击瞬间迅速增大、撞击中期持续震荡、末期逐渐减弱三个阶段,但不同类型列车的撞击荷载在撞击中期持续震荡时间不完全一致;(3)列车撞击作用下管片损伤区域分布范围呈现纵向大于环向的特点,不同类型列车撞击所致管片损伤的差异性主要体现在压缩损伤面积上;(4)在不同类型列车撞击荷载作用下管片结构将产生不同程度的张开和错动,并且管片接缝部位最大张开量和最大错动量均已超过工程容许限值;(5)本研究成果可为盾构隧道防撞优化设计和撞后隧道结构安全性评估提供参考。     

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。     

列车振动荷载作用下近距离空间交叠盾构隧道的动力响应特性及损伤规律分析

采用拟合的列车振动荷载,研究在上部列车振动荷载作用以及不同围岩等级、不同隧道间距条件下空间交叠盾构隧道的动力响应特性和损伤分布规律。结果表明:上部隧道衬砌振动加速度在拱底最大,拱腰相对较小,拱顶最小,下部隧道衬砌振动加速度在拱顶最大,拱腰相对较小,拱底最小;上部隧道的压致与拉致损伤均在拱底最大,拱腰次之,其余各处相对较小,且上部隧道底部约130°范围为损伤主要区域;随着围岩等级的提高,上部隧道衬砌的最大主应力逐步增大,最大主应力峰值由拱腰逐渐向拱底转移;随着隧道间距的增大,上部隧道衬砌的最大主应力逐步减小。     

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。     

地铁列车振动荷载对下叠并行新建城际铁路盾构隧道的动力响应分析

以新建佛莞城际铁路盾构隧道与广州地铁3号线明挖段矩形隧道交叠并行工程为依托,研究地铁列车通过明挖隧道时产生的振动荷载对下部新建盾构隧道衬砌结构的动力响应,并对不同列车振动荷载下新建盾构隧道衬砌结构的动应力进行了分析.使用激振力函数法模拟地铁列车振动荷载,选取下部新建盾构隧道典型监测断面的监测点来研究在地铁列车振动荷载作用下衬砌结构的振动加速度、应力和竖向位移响应特性.结果 表明:轨道结构质量越差,列车运行速度越快,车体质量越大,列车振动荷载的幅值也相应增大;在地铁列车振动荷载作用下新建盾构隧道衬砌结构存在着明显的动力影响区;新建盾构隧道衬砌管片竖向位移曲线呈"W"形,且拱顶处的竖向位移幅值最大;随着地铁列车运行速度加快,新建盾构隧道的竖向沉降亦随之增大,地铁列车运行速度每增加30 km/h,隧道衬砌结构的竖向沉降平均增加2.66％.     

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。     

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。     

近距离空间交叉盾构隧道列车振动响应特性研究

针对目前国内近距离空间交叉盾构隧道工程,采用拟合的列车振动荷载公式,考虑列车的行驶效应,通过在轮轴对上施加振动力时程曲线,同时给予轮轴一定的行驶速度来研究列车振动作用下空间交叉盾构隧道的动力特性。在特定列车行驶速度和围岩条件下,交叉位置对应上下隧道截面的应力和加速度情况进行分析,并对上下交叉隧道纵向不同位置的加速度时程响应进行研究。获得上部和下部隧道交叉截面第一主应力和加速度分布形态及其相对不同交叉净距的变化趋势,揭示了列车在隧道内行驶时,特定观测点出现明显动力响应存在一个对应的影响区,对比下部隧道交叉处(纵向中截面)位置点的加速度响应值与其左右各点相应加速度在数值大小和一阶频率上的区别。研究所得结论对高速铁路空间交叉盾构隧道的设计具有一定的参考价值。     

不同速度列车脱轨撞击盾构隧道的动力损伤特性

为研究不同速度列车脱轨撞击盾构隧道的动力损伤特性,基于撞击动力学以及混凝土塑性损伤理论,建立列车—隧道—围岩的非线性接触动力有限元模型,分析120,200,300 km·h-1这3种列车脱轨速度下,列车撞击盾构隧道时的撞击力特征以及隧道衬砌的损伤演化和分布规律。结果表明:3种速度列车脱轨时的撞击力变化规律一致;随着列车脱轨速度的增加,撞击力分量峰值均呈非线性增大;将撞击过程分为初始撞击、撞击耗能和稳定撞击3个阶段,隧道衬砌管片拉、压损伤值均在初始撞击阶段达到峰值,之后损伤的发展主要表现为损伤面积的不断扩大;衬砌管片外表面的损伤发展略滞后于内表面;压缩损伤的分布基本呈现出沿隧道轴向大于环向的"梭形"形态,而拉伸损伤的分布则更加广泛,损伤较大值(大于0.9)产生区域也更加分散;与压缩损伤相比,拉伸损伤更易导致衬砌发生大范围破坏;在较低脱轨速度下隧道衬砌即会产生较为严重的损伤,而损伤面积则随着列车脱轨速度的增加显著增大。     

剪切荷载作用下盾构隧道带新型定位榫管片的力学特性

基于成都某地铁工程应用的一种带新型定位榫的盾构隧道管片结构，运用ABAQUS软件分别建立有无定位榫的管片接头三维精细化模型，研究该定位榫对连接螺栓受力、管片塑性区分布以及管片错台量的影响，探究其在管片结构抗剪中的作用机理。结果表明：定位榫在管片受剪时承担总剪力的52%；定位榫能显著降低螺栓的受力，有定位榫后螺栓的轴力峰值至少下降75.1%、剪力峰值下降76.4%；有定位榫后螺栓塑性应变范围有所增大，但螺栓上下两侧的塑性应变峰值分别减小80.5%和90.6%；固定定位榫的凹槽对管片接缝面有削弱作用，导致管片环向和纵向的相对塑性区宽度分别增加93.7%和44.2%，但管片的最大塑性应变峰值减小7.2%，同时螺栓对管片径向的挤压也有所减小；剪切荷载小于460 kN时，带定位榫的管片错台量略大，剪切荷载超过460 kN后，带定位榫管片的错台量更小且增长速率更低。带新型定位榫的盾构隧道管片能够有效保护连接螺栓，改善接头力学性能。     

地铁盾构隧道纵缝接头螺栓形式对比试验研究

管片接头是盾构隧道整环结构中的薄弱环节,隧道管片间多以螺栓连接,并有直螺栓、弯螺栓等几种结构形式。以盾构隧道管片纵缝接头为试验对象,采用足尺试验方法,针对不同螺栓形式的接缝,对盾构隧道纵缝接头的极限承载性能进行研究,明确不同接头的破坏过程,并分析比较不同螺栓形式对接缝受力性能的影响规律。     

列车荷载作用下高铁隧道下有小净距地铁隧道穿越时的结构动力响应特性模拟分析

基于某地铁线路以极小净距下穿京张高铁盾构隧道工程,采用人工激振函数模拟列车振动荷载,分析不同工况下的隧道动力响应特性,探讨了高铁隧道结构的振动加速度、振动速度及竖向位移规律。模拟研究结果表明:隧道监测点振动幅值变化不仅与振动强度有关,还与激振源荷载作用位置有关,高铁隧道中心截面前后±15 m范围内的位移响应最大;隧道交叉位置呈现显著的振动放大现象,造成列车动荷载影响下衬砌结构薄弱区;振动响应总体趋势为自仰拱向拱顶逐渐衰减,即仰拱为隧道振动响应的最不利位置;考虑不同工况,高铁隧道结构的最大振动加速度、振动速度和竖向位移分别为110.204 mm/s~2、3.006 mm/s、0.043 4 mm,低于结构安全振动控制标准的限值,满足安全要求。     

基于纵向不均匀沉降的盾构隧道渗漏水机理分析

研究目的:对于地铁盾构隧道,由于衬砌由管片拼装而成,地铁通车运营后,盾构隧道会因多种原因产生纵向不均匀沉降,导致管片接头张开量的增加,从而造成管片之间的接缝处发生渗漏水。因此,有必要对盾构隧道渗漏水机理进行分析、研究。研究结论:隧道纵向不均匀沉降在一定程度上会造成环缝的张开,进而造成弹性密封垫防水性能的减弱、引起管片之间发生渗漏水;环缝影响长度系数对环缝张开量几乎没有影响,而不同环宽、不同螺栓与混凝土的刚度比对环缝张开量均有一定影响:较大的环宽和螺栓与混凝土的刚度比不利于管片接缝的防水。本项研究可为隧道防水设计及运营阶段的维护等提供参考。     

不同车速振动下管片位移对比分析

采用弹性地基梁板模型,得到两种列车时速下的轨下激振力。建立土体和盾构隧道三维数值模型,对比计算和分析了不同速度列车振动作用下盾构隧道管片位移规律。结果表明:在列车振动荷载作用下,管片节点位移呈现类似正弦分布的规律,左线管片发生逆时针旋转,右线管片发生顺时针旋转;当列车交会通过双线隧道时,左右线管片节点位移近似呈对称分布;车速越大,管片的最大位移越大。     

软土地区通缝拼装地铁盾构隧道管片纵缝接头的优化

针对软土地区地铁盾构隧道管片纵缝接头因地表超载易发生破损的问题,考虑软土地层的特性,提出在软土地区盾构隧道横向刚度设计中,采用加大隧道结构刚度和强度的"刚性衬砌"设计理念,对管片纵缝接头进行优化。通过局部或者整体增加管片的厚度,均可增加管片纵缝接头的抗弯刚度,从而明显减小管片环的变形,虽然由此使得管片环的弯矩有所增大,但管片环变形减小的幅度远大于其弯矩增大的幅度;分别设计外张纵缝接头与内张纵缝接头连接螺栓的位置,纵缝接头的连接螺栓应靠近接头张开的一侧;在管片环分块时尽量将管片纵缝接头设计在弯矩较小的位置,同时在满足施工的条件下,尽量减少管片环的分块数量;局部加强纵缝接头位置的管片棱角,以预防管片接头棱角破损;通过合理设计防水密封垫的位置及断面形式,加强盾构隧道管片纵缝接头的防水能力。     

近距离垂直交叠盾构隧道的列车振动响应特性及损伤规律

基于拟合的列车振动荷载,采用数值模拟方法研究当列车在上部隧道行驶时近距离垂直交叠盾构隧道的动力响应特性,以及在不同隧道净距时上部隧道的损伤分布规律。结果表明:在列车振动荷载作用下,列车距离分析断面越近,分析断面上隧道衬砌的振动加速度和振动最大主应力增量均越大;拱底的振动加速度最大,拱腰次之,拱顶最小;在交叠中心断面处,上部隧道的最大主应力增量远大于下部隧道;压致损伤和拉致损伤主要集中在上部隧道底部附近130°的范围内,且在交叠中心处达到最大。随着两个隧道净距的减小,上部隧道的压致和拉致损伤均增大;当两个隧道净距为6m时,仅交叠中心处上部隧道拱顶出现较小的压致和拉致损伤,当两个隧道净距为4和2m时,交叠中心处上部隧道的压致和拉致损伤增量较大,远离交叠处上部隧道仅出现较小的压致和拉致损伤,说明两个隧道近距离垂直交叠时,下部隧道对上部隧道的振动加速度、最大主应力增量和压致及拉致损伤具有放大效应。     

速度300 km/h列车振动荷载下隧道衬砌加速度响应规律分析

通过现场试验和有限元数值模型计算的方式,对衬砌在速度300 km/h列车荷载作用下的加速度响应规律进行了研究,经过高速铁路隧道现场衬砌振动测试和数值模型计算结果对比,验证了衬砌动力计算模型的正确性和可靠性;振动荷载在衬砌拱圈中的竖向振动加速度由墙角向拱顶呈下降趋势,拱圈横向振动加速度则呈现由墙角到拱顶先下降后增大的趋势,横向和竖向加速度的绝对值在接近列车侧均明显大于远离列车侧;证实了动车组列车轮对二阶固有频率对隧道衬砌拱圈振动加速度响应频率有较大影响;拟合得到了速度300 km/h列车作用下隧道衬砌拱圈横向和竖向振动响应加速度传递经验的三角函数公式。研究结果可为后续隧道衬砌在列车荷载作用下振动响应机制的研究提供参考。