大直径盾构隧道双层衬砌管片结构计算

目前,大直径盾构隧道的运用日益增多,常用的盾构隧道多为单层衬砌结构。鉴于单层衬砌管片结构存在一些缺点,双层衬砌管片结构的设计与使用逐渐引起人们的注意。文章针对大连地铁5号线跨海段盾构隧道双层衬砌结构,运用Abaqus软件并考虑围岩压力、地震荷载作用、溶洞以及施作方式对于结构的影响,计算分析不同工况下盾构隧道双层衬砌管片结构的变形以及受力特征。研究结果表明:基本荷载下结构受力的主体为初衬,二次衬砌的作用应更多考虑为耐久性和安全储备。地震荷载作用下二次衬砌结构内力显著增大,相对于基本荷载,初衬内力增幅为8.57%～44.1%,二次衬砌内力增幅为123.6%～332.4%,二次衬砌结构将在抵抗地震等偶然荷载作用时发挥较大作用。地震荷载作用下溶洞对双层衬砌结构内力及变形影响很大,相对基本荷载工况,初衬内力增幅为11.0%～216.5%,二次衬砌内力增幅为192.4%～353.1%,轴向变形增幅为58.9%～81.34%,水平向变形增幅约为143.6%。因此,建议对溶洞进行合理加固,以保证隧道安全。     

远场静水压力作用下深埋隧道双层叠合衬砌合理组合形式及力学变形特性研究

针对深埋长大隧道传统复合式衬砌结构在遭遇高水头地下水威胁的问题,研究了双层叠合衬砌方案,该方案采用"结构一分为二、两道防水设防"的设计理念,既能克服大体积混凝土施工的困难,又可以解决二次衬砌结构渗漏水的弊病。文章以青岛地铁1号线过海隧道为工程依托,借助ANSYS有限元计算软件,对双层叠合衬砌的合理组合形式及力学变形特性进行了分析,结果表明:叠合衬砌内力分配与内外层结构刚度比有关,刚度越大则内力越大,当内外层结构刚度比为0.716时,t_A=0.95 m和t_B=0.85 m为最优叠合衬砌厚度组合;隧道结构各控制截面的风险排序为仰拱拱脚拱顶;叠合衬砌在外水压力作用下,内外层衬砌变形是相互协调的,仰拱结构变形对刚度比、外水压力量值均较拱顶、侧墙更为敏感;叠合衬砌组合形式是受结构承载力控制而不是受变形控制;最优叠合衬砌组合在外水压力小于1.2 MPa时,结构安全性同样受承载力控制。     

乌鞘岭隧道志留系板岩夹千枚岩地段结构验证试验研究

对乌鞘岭隧道志留系板岩夹千枚岩地段支护结构的受力特性,采用数值分析方法进行计算,开展现场结构试验并进行对比分析。试验揭示了隧道开挖后围岩应力释放引起的结构变形与支护压力变化规律,支护结构的稳定性和安全性在不同测试地段受各种影响因素的作用而不同。数值计算与现场试验结果表明,隧道衬砌的结构安全系数均满足规范要求,但应以按实测衬砌应力进行结构内力计算,并对结构安全性进行评价为宜。     

浅埋单拱大跨无柱车站抗震分析研究

文章简要阐述了地铁抗震分析常用计算方法的优缺点及适用性,并结合青岛地铁4号线人民会堂站实际情况建立有限元模型,计算分析地震荷载作用下车站动力特性,通过对比结构各点内力及位移,结果表明:(1)反应位移法、反应加速度法计算地震响应结果普遍比时程分析法大,且车站刚度越大,偏差越大;(2)鉴于E3状态下结构弹塑性本构误差较大,对于截面变化不大、地层较为简单的车站弹塑性层间位移可采用弹性层间位移乘以延性系数;(3)惯性力法计算普遍比反应位移法小,但当车站惯性力起主导作用(即车站刚度相对于土体很大)时,惯性力法与反应位移法计算相差不大;(4)青岛车站基本位于花岗岩中,结构动力响应90%是由剪切力引起,不同于昆明、常州、郑州等土体抗震分析结果;(5)地铁结构层间位移角随车站埋深增大而增加,随矢跨比、围岩弹模、二次衬砌厚度增加而减少,但其中二次衬砌厚度对层间位移角影响最小,车站埋深影响最大。     

卸载工况下盾构隧道结构承载性能数值模拟分析

周边卸载导致的隧道横向大变形对地铁的正常运营与安全使用产生严重影响,对于隧道结构从周边卸载开始直至破坏的全过程,需要发展一种高效并能保证精度的数值模拟方法。文章首先进行不同接头刚度下衬砌环的内力及变形数值分析,表明管片接头刚度值对衬砌环轴力分布及大小影响很小,可以先使用相对简单的等刚度圆环法计算得到管片接缝处的轴力值,再将此预分析轴力值作为确定接头抗弯弹簧弯曲刚度曲线的轴力值,用三维直梁实体单元进行精细分析得到不同轴力下的管片接头抗弯刚度模型。最后将接头抗弯刚度模型参数赋给二维梁-弹簧模型中的弹簧参数,运用二维梁-弹簧法计算得到衬砌结构各级荷载下的内力和变形。该方法得到的数值模拟结果与试验结果一致,全过程数值分析表明:在侧向压力卸载过程中,接头截面处弯矩不断增大、轴力不断减小,各接头处抗弯刚度快速下降,最终结构达到破坏状态。     

衬砌厚度不足对隧道结构安全性的影响分析

衬砌厚度不足缺陷的存在将显著改变隧道结构的力学状态,并对隧道结构的安全造成威胁。文章以Ⅳ级围岩双车道公路隧道为工程背景,采用数值模拟研究衬砌整体或局部厚度不足条件下隧道结构的安全状态。结果表明:衬砌厚度不足使缺陷处结构的轴力与弯矩减小,同时降低了结构的极限承载力,从而导致缺陷处隧道结构的安全系数显著降低;衬砌局部厚度不足对缺陷处隧道结构截面内力、承载力和安全系数具有显著影响,而对远离缺陷处隧道结构截面的影响相对较小;衬砌厚度整体或局部厚度不足时,衬砌厚度值与结构安全系数基本呈线性关系,经回归分析确定了满足结构安全要求的临界衬砌厚度值。研究成果可为存在衬砌厚度不足缺陷隧道的结构安全性分析及评价提供参考。     

多心圆拱隧道支护结构内力反演分析的理论研究

在施工环境下对多心圆拱隧道支护结构的内力分布特征进行研究,是保证隧道施工安全的关键措施之一。文章采用弹性地基曲梁理论,基于初参数法和现场围岩量测压力,从理论上推导了多心圆拱隧道支护结构内力计算的反演表达式,并结合集呼高速旗下营隧道某断面围岩压力的实测数据,反演了隧道衬砌结构的内力分布情况,对衬砌结构的薄弱部位进行了安全性评价。结果表明,隧道BG弧段衬砌结构弯矩和剪力较大,在施工过程中应加强该部位的现场监测工作;隧道拱顶部位混凝土可能出现弯拉造成的开裂现象,应注意加强观测。     

大跨度隧道Ⅳ级围岩取消仰拱施工实例分析

仰拱是隧道衬砌结构的重要组成部分,能提高隧道结构的承载能力。文章以马鞍山隧道为依托,通过现场对Ⅳ级围岩隧道底板进行应力、围岩变形、初期支护和二次衬砌间的接触受力、底板岩体受到的垂直压力、关键部位的二次衬砌钢筋受力、混凝土内力及锁脚锚杆内力的全断面监测分析,确定取消部分Ⅳ级围岩的仰拱是可行的,并介绍了Ⅳ级围岩隧道取消部分仰拱的实施方法。     

土岩软硬结合部隧道结构的震害机理分析及抗震研究

在土岩软硬结合部,土体与岩体由于刚度、质量密度等力学参数不同而产生不同的地震动响应,继而导致隧道结构发生严重破坏。文章结合青岛海底隧道相关资料,研究分析了地震灾害来临时隧道结构在土岩软硬结合部位的破坏机理及相关抗震措施。研究结果表明,在土岩软硬结合部,地震动作用下的围岩失稳、大的地震惯性力,以及大能量基岩面波产生的变形能都会导致隧道衬砌发生破坏,而大能量基岩面波产生的变形能是主要原因;当保持围岩稳定或使隧道结构的质量密度、刚度与围岩相差不大时都可以防止土岩软硬结合部隧道结构发生破坏,而后者是最有效的途径;轻质量延性隧道的抗震性能良好。本研究成果对于揭示土岩软硬结合部隧道结构的震害机理及优化抗震设计具有一定的借鉴意义。     

附加荷载引起大跨扁平隧道变形破坏的模型试验研究

文章以深圳大跨扁平马峦山隧道为工程背景,采用模型试验法研究了Ⅳ级、Ⅴ级围岩条件下隧道结构在附加荷载作用下的破坏过程,分析了围岩压力、衬砌变形和结构内力的变化规律。研究结果表明:(1)拱顶围岩压力先增大后减小,当附加荷载达到至某一值时,拱顶围岩压力最大,且衬砌变形较小;(2)随着附加荷载的增加,衬砌变形均经历弹性阶段、塑性阶段、破坏阶段三个阶段,且Ⅴ级围岩衬砌变形较大;(3)随着附加荷载的增加,衬砌结构内力增大,衬砌弯矩分布形状近似呈"蝴蝶型",轴力分布形状近似呈"菱形",且分布不均匀性增大。     

大伙房输水隧洞混凝土衬砌层的地震响应分析

文章结合大伙房输水隧洞二期工程,考虑围岩与衬砌层、水体与衬砌层的相互作用,采用现代岩体力学模型,对其进行模态分析和时程分析,分析了混凝土衬砌层的动力特性和地震响应,探讨了埋深、衬砌厚度、围岩弹性模量和水体等因素对混凝土衬砌层地震响应的影响;并指出衬砌层的环向应力是地震破坏作用的主导,埋深和围岩弹性模量是影响衬砌层地震性能的重要因素,衬砌厚度和水体的影响较小。     

围岩支护作用关系中的温度影响因素研究

隧道围岩支护作用关系是隧道研究领域的关键问题之一,衬砌混凝土的温度变化会影响隧道围岩与支护的相互作用。当衬砌混凝土的温度升高或降低时,衬砌结构会膨胀或收缩,由于受到围岩的约束会产生围岩温度被动反力。文章通过建立简化的圆形隧道分析模型,得出了围岩温度被动反力随衬砌温度变化的计算公式,分析了影响围岩温度被动反力的因素,并采用既有隧道衬砌置换工程的现场监测数据进行了验证。研究结果表明:围岩温度被动反力是衬砌温度变化量、材料参数和几何参数以及围岩材料参数的函数,可以进行量化计算;在衬砌施作初期,由于水化热的影响,温度被动反力增长较快,峰值达到0.4 MPa左右。随着水化热的消散,温度被动反力逐渐减小。研究成果可为衬砌围岩松动压力现场监测提供一种温度修正方法。     

高烈度地震区公路双连拱隧道地震动力响应研究

针对目前尚未对高烈度地震区双连拱隧道这种特殊的结构形式进行具体深入的动力响应研究的现状,从土-结构相互作用模型出发,运用数值分析方法对连拱隧道进行了三维弹塑性分析,主要研究水平方向上传播的剪切波所引起的双连拱公路隧道的地震动力响应。从计算结果看出,随着埋深的增加,双连拱隧道衬砌的水平位移逐渐减小,衬砌内力逐渐增大,而变化趋势逐渐平缓;随着中墙厚度的增加,隧道衬砌水平方向的位移峰值逐渐增大,因此建议采用2.2 m厚中墙。研究结果表明,连拱隧道衬砌的仰拱、墙脚及拱肩为抗震的薄弱环节。     

沉管隧道暗埋段三维大规模地震响应分析

暗埋段是沉管隧道的重要组成部分之一,但目前对其地震响应研究还未见报道。文章针对某沉管隧道暗埋段,建立三维精细化有限元动力分析模型,其中土体采用等效线性化方法考虑动力非线性特征,模型侧向边界条件采用远置侧移边界来描述地层剪切变形。分别开展了静力和动力两种工况下沉管隧道暗埋段三维大规模响应分析,研究了隧道刚度变化段各关键断面在静力及地震作用下的内力及变形响应特性,结果表明:地震作用对结构内力分布有一定影响;在刚度明显变化区段,结构的内力值会发生突变;刚度突变会使结构层间位移角显著增大。     

拼装方式对盾构隧道衬砌结构变形和内力的影响分析

文章结合广州地铁区间盾构隧道管片衬砌结构设计,采用梁-弹簧模型计算法对不同拼装方式下的盾构隧道衬砌环变形和弯矩、轴力、剪力等内力分布以及衬砌环变形量和内力随隧道埋深的变化规律进行了探讨和分析.通过对盾构隧道装配式衬砌结构变形和内力分布规律及影响因素的系统研究,深入探讨了拼装方式对盾构隧道管片衬砌结构设计的影响.     

考虑接头真实性能的盾构隧道衬砌结构计算模型与混合分析方法

由于接头的存在,盾构隧道衬砌结构分析面临巨大的挑战。基于接头处的位移量测数据,混合分析方法可以有效地降低衬砌结构分析的复杂程度。但对于设计阶段的盾构隧道,接头处的位移量测数据是未知的。为此,文章基于圆形拱的线弹性理论的解析解,结合接头的线性刚度模型,针对盾构隧道衬砌结构的设计,提出了一种解析计算方法。为了验证线性接头刚度模型的适用性,该种解析方法被应用于盾构隧道衬砌结构足尺试验的分析并将相应的结构分析结果与已经发表的混合分析方法所得结果进行对比。结果表明:基于线性接头模型的结构分析能较好地计算内力的分布;在位移方面,该方法的预测精度尚有不足。     

高地震烈度下超大直径海底盾构隧道地震响应分析

文章运用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了分析。分析结果表明:与单纯自重应力场作用下相比,地震作用会造成结构内力的增大,拱顶及拱腰为其受力薄弱部位;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;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;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;隧道衬砌最大水平位移为3.6 cm,最大竖向位移为3.7 cm。     

高水压作用下深埋隧道双层叠合衬砌稳定性影响因素研究

随着国民生态资源保护意识的逐渐增强,结构工程师对全封堵防水设计的呼声也越来越高,高水压隧道防水形式逐渐由"主排"向"全防"转变,结构模筑时不得不面临大体积混凝土施工难的困境";双层叠合衬砌"方案即是通过"拆分"的方式削减结构厚度,可有效缓解水泥水化热在结构内部产生的有害变形,增强大体积混凝土结构的可实施性和可操作性,同时还能兼顾提高隧道的防水质量和效果。文章以青岛地铁1号线过海区间为工程背景,采用ANSYS有限元分析软件,对双层叠合衬砌的稳定性影响因素进行研究,结果表明:(1)考虑衬砌间防水层的影响,结合面接触力学行为仅考虑径向弹簧压缩刚度即可,可忽略切向弹簧剪切刚度的影响;(2)当结合面径向弹簧刚度与两侧结构弹性模量等数量级时,安全系数曲线走势基本收敛,结构发生破坏的顺序依次是内层衬砌仰拱、内层衬砌拱脚、外层衬砌仰拱、外层衬砌拱脚、内层衬砌拱顶、外层衬砌拱顶;(3)围岩基床系数越高,叠合结构安全系数越大,设计与施工过程中应注意提高劣质围岩、维持优质围岩的基床系数;(4)叠合结构安全系数随着各层衬砌刚度的增加而增大,内层衬砌结构具有提高、改善外层衬砌结构安全性的作用。     

衬砌开裂对隧道结构安全性的影响分析

文章基于高速公路运营隧道衬砌结构安全性的分析,对隧道衬砌开裂情况进行了调查,结合规范进行了隧道结构安全等级评定和衬砌刚度验算,对衬砌开裂后稳定性和安全性不足的测段进行加固设计,并进行了设计验算,验证了该加固方案可行。     

沟槽式深覆土减载明洞衬砌结构受力特性及截面设计研究

为了改善沟槽式高填黄土明洞衬砌结构内力,减小明洞衬砌厚度,文章通过数值模拟方法,从EPS板材料的力学性能和减载机制分析入手,研究了减载前后明洞各位置结构内力和结构衬砌厚度变化规律,以及边坡坡角对减载前后明洞结构内力和截面衬砌厚度的影响规律。结果表明,高填黄土明洞结构内力和结构衬砌厚度均随回填土高度的增加而增加;减载明洞结构内力和结构衬砌厚度减小效果均与EPS板厚度和EPS板材料的应力-应变曲线有关,在EPS板处于塑性阶段末期,减载效果最佳,并给出了该密度下EPS板减载的优化设计;边坡角度越大,减载前后明洞结构内力越小;除拱顶外,明洞衬砌截面厚度均有减小趋势;而减载后的洞顶衬砌厚度减小效果最明显,其余截面厚度减小量均呈加速减小趋势。文章最后建议对不同填土高度、不同边坡坡角的沟槽式高填明洞进行不同EPS板密度和厚度的优化设计。