火灾高温下盾构衬砌结构试验与力学模型综述

复杂运营环境下自然与人为因素所引发的众多隧道火灾已造成了重大的社会影响和经济损失。火灾已成为威胁隧道安全运营的主要灾害之一,其对隧道衬砌结构会产生严重的损伤乃至破坏。盾构衬砌为装配式结构,接缝多以螺栓连接,火灾高温下易发生管片爆裂和接缝连接薄弱部位受损而诱发的突然破坏;同时,由于盾构隧道周围地层的约束作用有限,其衬砌结构体系受火损坏后垮塌的风险极高。为提高软土地层环境下盾构隧道装配式衬砌结构体系的耐火能力及火灾安全性,本文调研了盾构隧道火灾安全研究现状,对与盾构隧道火灾安全研究相关的试验及理论分析工作做了较为全面的综述,主要包括:火灾高温下盾构隧道衬砌管片力学特性试验与理论分析模型,火灾高温下管片接缝力学特性试验与理论分析模型,火灾高温下盾构衬砌体系力学特性试验与理论分析模型,火灾高温下盾构隧道周围地层力学行为研究。在此基础上,针对大直径盾构隧道的火灾试验,高温引起的盾构衬砌管片材料性能劣化评价及主动式抗火管片的材料设计,火灾高温条件下盾构衬砌结构计算模型精细化这3个核心问题,展望了盾构衬砌受火灾影响的研究方向和思路。     

双连拱隧道地震动力响应影响因素分析

采用FLAC3D动力数值模拟,分析中墙厚度、衬砌刚度这两个结构自身要素的变化对双连拱隧道地震动力响应的影响规律;同时对地震动力作用下双连拱隧道断面位移、内力的变化规律进行分析研究,找出了地震动力作用下双连拱隧道的变形和受力薄弱部位。     

盾构隧道-工作井节点振动台试验设计与分析

为研究盾构隧道-工作井节点地震响应特征,进行振动台模型试验。该试验几何相似比为1∶60,盾构隧道模型材料为聚乙烯,工作井模型采用尼龙材质进行3D打印技术制作;模型土采用砂与锯末按1∶2.5质量比混合配置;模型箱尺寸为10.0m×4.5m×1.5m的刚性箱。盾构隧道模型由衬砌环模型拼装而成,衬砌环模型纵向切槽模拟纵缝对管片横向刚度的弱化;通过环间卡扣式连接键模拟纵向螺栓,通过旋转模型拼装角度模拟管片错缝拼装。首先进行自由场模型试验,考虑不同地震动输入,得到模型土加速度响应;其次开展盾构隧道-工作井节点振动台模型试验,考虑不同地震动输入方向、不同地震动类型,得到隧道模型环缝张开量、加速度响应、环向应变等数据。研究结果表明:模型箱结构设计合理,边界条件满足要求,试验数据可靠;工作井模型和盾构隧道模型加速度响应频率成分相同,均受模型土控制,两者差异主要为加速度响应幅值不同;盾构隧道-工作井节点在地震作用下环缝张开量明显大于远离该节点的常规区段,前者为后者的1.6~4.5倍;地震动输入方向会导致区间段隧道模型环缝张开量明显变化,但对盾构隧道-工作井节点环缝张开量无显著影响;地震作用下盾构隧道-工作井节点会使工作井模型产生较大环向应变,但不会造成节点处盾构隧道模型环向变形增大。     

盾构隧道联络横通道地震响应振动台试验

为探讨盾构隧道与联络横通道采用不同连接方式时的地震响应特性,基于考虑横向弯曲刚度有效率的等效刚度模型,采用4~28Hz的正弦拍波作为输入地震波,开展了几何相似比为1∶40的振动台模型试验,模型制作中将盾构隧道与联络横通道分别浇筑后采用不同刚度的材料进行粘接,以模拟盾构隧道与联络横通道的刚性连接方式和柔性连接方式,同时研究了地层和结构的加速度响应规律以及结构关键位置处的应变频谱特性。研究结果表明:地震动沿隧道横断面方向输入时,地层在竖直方向上加速度放大倍率随高度增加而增大;盾构隧道与横通道连接位置拱顶处的环向应变远小于纵向应变;盾构隧道与横通道连接位置拱脚处的主应变响应峰值最大;刚性连接下联络横通道对盾构隧道衬砌应变影响区域在3倍横通道横断面宽度范围左右;柔性连接可有效减小盾构隧道和联络横通道结构上各点的应变峰值,但不会改变其频谱特性;柔性连接可使联络横通道对盾构隧道衬砌应变影响范围减小至2倍横通道横断面宽度左右。     

不同围岩和埋深条件下土-结构接触界面对衬砌结构横向地震响应特性的影响分析

土与地下结构在强震作用下易发生错动滑移,会对地下结构的抗震性能产生较大影响。为确保隧道的长期安全性,运用有限元分析方法研究不同围岩和埋深条件下土-结构接触面对盾构隧道衬砌结构横向地震响应特性的影响。结果表明： 1)随着土质条件的提高,无论土-结构接触界面有无考虑错动滑移情况,隧道衬砌结构的轴力极值均显著增大,而剪力和弯矩极值均显著减小,且由土-结构接触界面错动引起的隧道衬砌结构动内力变化幅度显著减小; 随着隧道埋深的增加,由土-结构接触界面错动引起的隧道衬砌结构动内力变化幅度逐渐减小。2)考虑土-结构接触界面错动滑移时,随着土质条件的提高和隧道埋深的增加,隧道衬砌各部位水平滑移量均逐渐减小。3)当隧道围岩条件较差或埋深较浅时,隧道衬砌结构的横截面抗震设计应充分考虑土-结构接触界面对隧道抗震性能的影响。     

盾构隧道地震系数法的抗震分析

地震荷载使盾构隧道的最不利荷载位置、大小与常时荷载都有所不同,这种变化在抗震设计中应该予以考虑。以成都地铁区间盾构隧道为例,采用地震系数法对不同地震烈度和不同埋深条件下的隧道进行数值模拟,分析了上覆土柱引起的水平地震力与侧压力增量对衬砌结构内力的影响;隧道的主要破坏形式。     

既有连拱隧道在桩基影响下的地震响应分析

采用FLAC3D对桩基施工前后既有连拱隧道在地震荷载作用下的动力响应进行了时程数值分析,研究了桩基对既有隧道的动力影响。计算结果表明:在地震荷载作用下,桩基的施工对隧道衬砌轴力、弯矩数值及分布形态均产生了变化,尤其是近邻桩基一侧隧道拱腰至边墙脚的力学响应变化最大,中隔墙右上、右侧隧道拱腰至边墙脚,是连拱隧道抗震的薄弱部位。     

邻近双洞隧道衬砌结构的爆破动力响应规律分析

为优化温州绕城高速公路西南线横山隧道施工方案、控制爆破开挖对邻近洞室衬砌结构的动力影响,采用数值手段模拟了不同开挖工法时邻近洞室衬砌结构在爆破动力作用下的响应规律,对比分析了爆破引起邻近隧道衬砌结构不同部位的应力和振动速度,提出了衬砌结构的重要影响部位和相应的减振措施;分析了单洞爆破开挖引起的衬砌结构振动速度,根据不同振动速度控制标准优化了掌子面与衬砌结构的安全步距。     

公路盾构隧道地震响应的反应位移法分析

以某越江公路盾构隧道为工程背景,在利用成层反射理论分析场地地震波特性的基础上,采用反应位移法研究了公路盾构隧道的动力响应特性,其中:盾构隧道衬砌结构环向和纵向接头采用弹性铰模拟,天然地层作用在隧道结构上的剪切力和强制位移由成层反射理论动力分析程序DYNEQ获得.研究表明:由剪切力和强制位移引起的地震附加内力规律基本相当...     

高烈度区双线隧道洞口段地震响应研究

结合大宝山隧道工程,从土-结构相互作用模型出发,运用FLAC3D软件,采用粘性动力边界条件,用时程分析法对高烈度区双线隧道衬砌在地震作用下的响应进行了三维弹性和弹塑性分析,得出了隧道地震动力响应的一般规律及隧道抗震减震的薄弱环节,并提出相应的措施。     

浅埋双洞错距山岭隧道洞口段地震响应试验研究

由于岩土非线性本构模型以及地震动力方程的复杂性,采用数值模拟或解析法分析隧道抗震性能均存在一定不足,因此模型试验仍是当前研究隧道抗震的有效途径。以强震区勒不果喇吉隧道为原型,设计相似比为1∶30,以河砂、机油与粉煤灰热融混合料作为围岩的相似材料,以石膏作为隧道衬砌相似材料,在隧道模型衬砌内外侧对称粘贴应变片以监测应变应力值,同时在隧道模型及振动台上安设结构加速度计来反演模型围岩的地震响应,采用大型振动台模型试验研究浅埋错距双洞隧道洞口段震害特征与工程减震措施。结果表明:隧道模型围岩对输入地震波有较明显的扩大效应,其频率谱也发生了改变,15 Hz以下频段的地震波得到了强化而其余频段发生衰减;岩土体对隧道结构的约束作用减轻了隧道结构的地震响应,按照模型试验相似比换算,可以将45 m作为隧道洞口段抗震设防长度;隧道墙角位置与仰坡拱肩45°角处为山岭隧道洞口抗震的薄弱环节;洞口段错距部位的震害要比其他部位更加严重,设计中可以考虑在错距部位适当增加岩土体积,以增强该部位的岩土约束作用;地震波作用下浅埋双洞错距山岭隧道地下结构之间存在较强的动力相互作用;在隧道结构周围设置大阻尼结构减震层可以有效降低隧道洞口的地震响应,减弱衬砌应变损伤。     

超大直径过江盾构隧道口字件不同连接型式地震响应特征研究

随着隧道设计施工技术的快速发展,水下超大直径盾构隧道在跨越江河中日益频繁。口字件在大直径公路盾构隧道断面结构采用较多,其具有施工速度快、充分利用断面空间资源等优点,一般采用预制装配式结构,与隧道管片的连接一般采用铰接或者刚接方式,在地震荷载作用下,口字件的不同连接方式对隧道断面结构的地震内力响应不同,为了对超大直径过江隧道盾构段的抗震设计提供可靠的依据,利用ABAQUS有限元分析计算软件,考虑50 a超越概率2%地震波加速度时程曲线(重现期2 475年),选取了4个代表性断面,采用时程分析法对盾构段隧道口字件部位在刚接与铰接的情况下的地震响应特征进行了计算对比研究。结果表明:在铰接的情况下,口字件部位截面的最大轴力有所减小或保持不变;当埋深较浅时,最大剪力略有减小,当埋深较深时,口字件部位最大剪力有所增大;采用铰接的情况下,最大弯矩均有所减小或保持不变,铰接部位的弯矩有显著减小,口字件部位最大变形有所减小或保持不变;从隧道抗震的角度来讲,口字件部位采用铰接的方式要优于刚接;在铰接的情况下,口字件部位轴力最大值向非铰接侧偏移,弯矩与变形的最大值向底板部位偏移,在隧道抗震设计中应对以上部位进行重点关注。     

高地震烈度下超大直径海底盾构隧道地震响应分析

运用FLAC3D软件采用动力有限元法对高地震烈度下超大直径海底隧道地震响应进行分析。通过分析得出如下结论:①与单纯自重应力场作用下相比,地震作用会造成结构内力增大,拱顶及拱腰为其受力薄弱部位;②在重力及地震共同作用下,衬砌结构的拉应力主要出现在拱顶附近,最大拉应力超过C60混凝土的抗拉强度设计值,拱顶的衬砌管片可能出现局部脱落;③衬砌结构的最大受力和位移一般发生在地震2-6 s的时间段;④各关键点位置的位移、弯矩、剪力、轴力时程曲线具有相似的变化规律;⑤隧道衬砌最大水平位移为3.6 cm,最大竖向位移为3.7 cm。     

黄土隧道结构的振动台模型试验研究

为了研究黄土隧道结构在不同地震波及降雨条件下的地震响应和橡胶减震层的减震效果，按相似理论分别设计制作了缩尺比为1∶40的减震黄土隧道及非减震黄土隧道，在总降雨量50 mm，降雨强度10 mm·h^-1的条件下，分别加载近、远场地震波El-Centro波和Taft波，对比了地震波不同加速度条件下黄土隧道各测点的地震响应情况及土压力变化情况，通过减震模型和非减震模型各测点的应变变化情况分析了黄土隧道的减震效率。结果表明：在调幅和持时一致的情况下，黄土隧道结构对于不同的地震动具有明显的选择性，El-Centro地震动条件下的动力响应大于Taft地震动条件下的动力响应，说明黄土隧道结构的动力响应不仅取决于地震动的强度及持时，也与地震波的频谱特性有关，黄土隧道结构对近场地震波的响应大于远场地震波；对模型横向加载，模型各点的横向加速度和竖向加速度均有变化，横向的加速度响应大于竖向的加速度响应；拱顶位置的土压力较大，拱脚位置虽然土压力较小，但应变变化较大，应力集中现象明显；通过设置减震层可使衬砌不同部位的应变值均有所减小，且应变越大的部位减震率越高，不同工况下拱顶及拱脚的应变减震率接近50%，设置减震层不但可以减小衬砌结构的变形，而且能吸收地震能量，发挥围岩结构和衬砌结构的协同作用，减小土体的裂缝宽度及深度。     

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。     

不同进洞高程黄土隧道洞口段振动台模型试验研究

黄土地区的隧道开挖打破了边坡内部原有的平衡状态,在地震作用下隧道洞口段可能受到严重的破坏而反映出不同的动力特性和震害特征。以宝兰客运专线大断面黄土隧道为工程背景,基于坡脚进洞和1/2倍坡高程进洞2种工况,开展黄土隧道洞口段的大型振动台模型试验,重点研究边坡不同高程位置处进洞的隧道洞口段坡-隧系统所表现出的震害特征和加速度响应特征。结果表明:(1)模型Ⅰ(坡脚进洞)洞口边坡发生震陷型滑塌,表现出纯黄土边坡的破坏特点,坡-隧系统相互作用不明显;模型Ⅱ(1/2倍坡高进洞)洞口边坡发生失稳性滑塌,并由坡顶前缘横向拉裂缝逐步向洞口附近扩展,拉张裂缝逐步发展为剪张裂缝,表明隧道自坡腰进洞影响了洞口边坡的稳定性,坡-隧系统相互作用明显;(2)进洞高程对衬砌结构加速度响应的影响与激振幅值的大小密切相关,进洞高程对高烈度地震作用下隧道洞口段衬砌的加速度响应有显著的放大作用,在隧道洞口段的抗震设计中应加以适当考虑。(3)在2种工况下隧道仰拱压力在20 cm位置处均达到最大,距洞口20 cm距离的部位是坡-隧系统相互作用最强烈的部位。当地震波幅值较小时,进洞高程对仰拱的外表压力有影响,对拱顶影响不大,随着地震波幅值加大,进洞高程对拱顶的外表压力影响明显增大,而对仰拱的影响显著降低。     

城市深埋雨水调蓄系统地震响应分析

近年来城市洪涝灾害频发,为解决这一问题,国家大力提倡建设"海绵城市",建设城市深埋雨水调蓄系统。雨水调蓄系统一般由调蓄隧道、泵站和雨水处理厂等组成,以竖井-综合设施-调蓄隧道结构体系的型式最为复杂。该结构体系包括圆形竖井结构、多层框架综合设施和深埋盾构隧道结构,外形多变,结构之间的连接差异较大,因此有必要对该结构体系进行抗震研究。以竖井-综合设施-调蓄隧道结构体系为研究对象,建立了结构-土层三维有限元模型,考查结构体系在设防烈度地震和罕遇地震作用下的地震响应情况。计算发现,竖井结构与盾构隧道连接处地震响应较大,出现了应力集中现象。根据《建筑抗震设计规范》,验算了该连接处设防烈度地震下的内力和罕遇地震下的变形,发现均小于静力设计工况。这表明,地震工况对该结构体系不起控制作用,地震作用下该结构体系出于安全状态。     

硫酸盐侵蚀下交叉盾构隧道动力响应分析

基于硫酸盐侵蚀作用下混凝土弹性模量与抗压强度随时间的变化关系,通过数值建模,研究硫酸盐在不同侵蚀年限下交叉盾构隧道的动力响应特性。结果表明:交叉盾构隧道的应力响应在硫酸盐侵蚀21.4年时达到最小,相比于未侵蚀时减小11.7 %,而在107.1年时应力响应增大18.5 %;衬砌结构的加速度响应在硫酸盐侵蚀21.4年时达到最小,相比于未侵蚀时减小2.3 %,在107.1年时加速度响应增大17.4 %。联络横通道的存在对主隧道结构受力影响较大,使主隧道管片环的刚度奇异性增大,从而导致该区域结构受力复杂。     

近断层地震作用下城市轨道交通隧道及道床结构力学响应分析

依托乌鲁木齐轨道交通2号线工程,针对近断层修建城市轨道交通隧道工程时地震作用引起道床结构动力响应问题,采用有限差分法模拟分析明挖法双线箱形曲拱形地铁隧道道床结构在地震作用下的位移及速度响应,并探讨了地震作用对隧道下部结构及道床的作用特性。研究结果表明:地震作用下,隧道结构各部位位移及速度响应时程曲线高度重合,力学响应规律一致,但响应幅值略有差异,道床的响应幅值最小,拱顶响应幅值最大,为重点设防部位。地震发生后,隧道结构未发生严重的扭转变形,道床结构也未发生明显塑性变形。     

类矩形盾构隧道结构整体安全性试验与分析

为研究类矩形盾构隧道结构在意外堆载工况下的整体安全性,针对2环纵向接缝构造相同,管片配筋不同的衬砌结构进行整环足尺加载试验。试验通过30点集中荷载模拟类矩形盾构衬砌结构在意外堆载工况下的实际受力,利用位移计和电阻应变片等传感器得到类矩形盾构隧道结构在意外堆载工况下的破坏过程、结构变形、接缝变形及螺栓应变等试验结果,对其进行分析得到了类矩形盾构隧道结构在意外堆载工况下的破坏机理;并对比分析了2环试验结构试验结果,探究了不同管片配筋量对结构受力性能的影响。最后,从结构鲁棒性角度出发,分析了意外堆载工况下类矩形盾构隧道结构的鲁棒性指标,对类矩形盾构隧道结构整体安全性进行评价,并通过对比分析2环试验结构的鲁棒性指标,为提高类矩形盾构隧道结构整体安全性提出管片优化设计的建议。研究结果表明:类矩形盾构隧道衬砌结构的薄弱环节为管片间的纵向接缝及T块与中柱连接处;纵向接缝构造形式相同前提下,管片配筋量增加对纵向接缝受力影响不明显,不能使类矩形盾构隧道结构的鲁棒性明显提升;管片截面抗剪不足导致结构局部破坏而失去承载力不利于结构的鲁棒性,可通过优化管片本体截面的抗剪承载力提高类矩形盾构隧道结构的整体安全性。