考虑材料损伤的加卸载作用对盾构隧道结构力学特性的影响研究

为研究加卸载对盾构隧道结构受力和材料损伤状态的影响，基于混凝土塑性损伤本构、非线性接触理论和Python二次开发，用全周单向受压弹簧模拟地层反力，建立二维管片一接缝不连续模型和三维精细化管片-接缝不连续模型，模拟不同土质中(固结粘性土、硬质粘性土、中等程度粘性)盾构隧道上方不同加卸载水平下的结构变形、材料内力以及材料损伤变化规律，并讨论了螺栓异常工作对结构的影响，得到了不同土质中径向相对位移、接头张开量、材料应力和混凝土损伤因子关于加卸载量的关系曲线，及接头张开量、螺栓应力水平分别在预紧力损失和锈蚀深度两种异常状态的变化曲线.研究结果表明:从结构变形宏观指标给出了3种土质条件下加卸载的荷载安全值分别为510，340和170 kPa;从材料应力水平及损伤程度给出了加卸载的荷载安全值分别为340，170和170 kPa;螺栓预紧力损失对结构的影响主要受拱顶接头张开量控制，螺栓锈蚀对结构的影响主要受螺栓应力水平控制，且锈蚀深度的安全限值为6 mm.     

吊出井区段盾构隧道结构病害及成因分析

对砂性地层盾构吊出井所在区段地铁隧道进行隧道渗漏水、混凝土管片损伤、错台量、接缝张开量的调查和检测,并结合隧道收敛变形监测数据进行了吊出井段开挖回填的施工数值模拟。分析结果表明,吊出井段隧道病害主要是由于回填土在隧道该部位产生的侧向应力值太低,在上覆荷载作用下隧道产生较大收敛变形,引起拱顶管片内壁拉伸外壁受压,从而导致了隧道顶部纵向开裂和接缝张开等病害。     

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.      

撞击荷载作用下盾构隧道接头螺栓失效及参数分析

为了研究高速列车脱轨撞击盾构隧道时接头螺栓参数对螺栓失效和管片的影响. 基于ABAQUS有限元软件,建立了盾构隧道管片衬砌分块拼装式模型,利用时速200 km/h列车12.5° 斜向撞击荷载曲线,通过设置接触面单元和具有抗拉、抗剪、抗弯3种刚度组合的连接单元,近似模拟了盾构隧道接缝混凝土接触效应和螺栓连接效应,开展了不同螺栓直径和不同螺栓强度级别下管片接头螺栓的失效研究. 研究结果表明:在列车撞击荷载作用下,接头螺栓主要发生拉伸失效和剪切失效两种失效状态,失效后螺栓拉力和剪力降低为0,并且螺栓失效一般是相对列车行进方向相继出现的;拉伸失效通常出现在被撞块后端纵向螺栓,而被撞块环向螺栓和前端纵向螺栓一般发生剪切失效;各螺栓发生失效的时间随着接头螺栓强度级别的提高或螺栓直径的增大有所延后;不同螺栓参数下被撞块管片位移极大值均在6 cm左右,提高接头螺栓的强度级别和增大螺栓直径,将减小被撞块管片最终位移较大值区域面积以及最终位移极大值的数值,但管片最终位移极大值数值的减幅在10%以内,说明改变螺栓参数无法明显减小管片最终位移.      

越江盾构隧道纵缝张开及收敛变形响应规律研究

隧道收敛变形能够直观地反映出隧道结构的安全状况, 是影响地铁正常运营的重要因素。 依托南京扬子江大断面盾构隧道, 建立了单环管片精细化数值模型, 以现场接缝张开度的健康监测数据验证数值模型的准确性与可行性, 研究了纵缝张开与收敛变形的关系以及螺栓预紧力和管片拼装角度对收敛变形的影响。 研究结果表明： (1) 纵缝张开是隧道环向发生收敛变形的关键因素, 管片绕接缝处转动是收敛变形的主要形态; (2) 对于大变形情况 (＞8‰D), 提高螺栓预紧力不建议成为控制收敛的主要手段; (3) 得到的 “纵缝张开-收敛变形” 拟合公式, 可用于近似估算圆砾及卵石全透水地层中不同拱腰收敛变形下的拱顶纵缝张开量。     

采用纵向等效连续化模型的盾构隧道纵向抗震分析

用与盾构隧道纵向变形性能相似的梁单元来模拟隧道结构的特性,建立盾构隧道纵向等效连续化模型,通过理论解析计算得到盾构隧道的等效拉压刚度和等效弯曲刚度。以软土地层中的盾构隧道为例,考虑地震裂度分别为7度和8度时,正弦位移行波在0°和45°方向上入射,采用反应变位法和动力有限元法,分别得到了隧道纵向上的最大拉、压力和弯矩以及螺栓和管片的受力、变形和接头螺栓的最大张开量。     

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。     

荷载-结构模式的壳-弹簧-接触模型

为探讨盾构隧道管片结构的空间力学行为，采用厚壳、弹簧、空间实体和接触单元分析盾构隧道管片衬砌的内力状态，提出了荷载-结构模式的壳-弹簧-接触模型．该模型考虑了管片间接缝处的挤压作用、管片与螺栓接头之间的咬合作用、地层对管片的径向与切向抗力作用、环向接头的正负抗弯刚度差异以及封顶块的插入角等因素．算例表明，壳-弹簧-接触模型与梁-弹簧模型的计算结果相差较小；轴力和剪力在壳体上的分布具有明显的空间性．     

大直径高水压下越江盾构隧道防水施工技术

跨越江河湖海的地下工程,往往地质条件复杂、水压力大,防水施工技术尤为重要。详细介绍了南京长江盾构隧道的防水设计及施工,主要包括管片接缝的设置及材料,管片及其拼缝、嵌缝、螺栓孔和洞门等的防水施工控制,隧道防水效果良好,对同类工程具有借鉴意义。     

城市过江隧道结构抗震设计研究与工程实践

依托南京建宁西路过江隧道工程,对盾构段和明挖段典型断面在地震作用下的结构内力进行分析。研究结果表明:在100年超越概率10%的地震动作用下,隧道盾构段与明挖暗埋段静力荷载为控制工况,其所产生的内力大于地震工况,依据静力作用效果进行结构配筋可保证结构在地震作用下的安全。隧道结构抗震设计的重点为加强构造措施,包括设置变形缝、合理的钢筋保护层厚度、管片纵缝设置螺栓接头连接、管片环缝采用剪力销等。相关研究成果可为类似工程的抗震与减震设计提供参考。     

盾构千斤顶不良顶推作用下地铁管片衬砌开裂特性

为指导地铁区间隧道施工盾构掘进控制和管片衬砌防裂设计,建立考虑接头-管片的盾构隧道装配式衬砌结构数值模型,基于混凝土弥散开裂本构模型,研究直线段管片衬砌在千斤顶轴向倾斜以及千斤顶端面侧移两种不良顶推作用下管片衬砌的开裂特性.研究结果表明：在上述2种不良顶推力下,顶推导致的管片衬砌裂缝主要分为封顶块螺栓孔裂缝、手孔纵向裂缝和管片环面纵向裂缝3类;当千斤顶出现轴向倾斜致裂时,拱顶封顶块环向螺栓孔处的裂缝宽度最大,且当轴向倾斜角度达到3°时,3类裂缝宽度均已超过施工的允许值;当千斤顶端面侧移致裂时,衬砌环面及封顶块环向螺栓孔位置处的宽度最大,其中端面整体向下侧移是最为不利的情况;管片衬砌开裂将导致裂缝位置处钢筋应力增大,相同开裂位置处的钢筋应力-裂缝宽度关系基本不受顶推力倾斜角度变化的影响,裂缝的宽度与钢筋的应力呈正相关关系.盾构施工时,应严格控制盾构掘进不良顶推作用,对容易产生裂缝的位置建议加强配筋以控制裂缝的发生.     

地铁盾构双线隧道施工地层变形及衬砌结构应力数值分析

为预测盾构双隧道施工周围土体的变形及衬砌结构管片应力规律,以石家庄地铁1号线07标段北宋—谈固站区间双线隧道为工程背景,在考虑各土层材料性质及盾构施工工艺的基础上,利用FLAC3D建立了盾构双隧道的三维精细数值模型,研究了盾构双隧道衬砌管片的应力规律,并与现场实际监测数据进行了对比分析.结果表明:盾构隧道开挖造成的地层沉降大致沿隧道轴线与水平线夹角45°向地表扩散.横向地表沉降的影响距离距隧道中心约为30m.随着隧道埋深增加,对应地表监测点位累计沉降值变小,与隧道埋深成反比对应关系.隧道附近土体的第一主应力存在应力集中现象,应力集中系数约为1.3.衬砌管片应力分布存在差异性,靠近双隧道共同扰动的管片侧的拉应力和剪切应力集中现象较为明显.衬砌管片横断面形变以"椭圆化"变形为主,兼有断面收缩变形.     

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.      

基于精细化模型的盾构隧道纵向变形研究

为探究盾构隧道下沉或上浮时管片的受力情况,利用有限元软件ABAQUS建立三维精细化非线性有限元模型,分析在管片转动、错台等影响下连接螺栓、管片的应力发展规律。结果表明：在相同管片张开角条件下,连接螺栓的应力与变形曲率半径呈负相关。当变形曲率半径为3 000 m、张开角为0.002 0°时,首次出现螺栓屈服现象;当变形曲率半径为∞m、张开角为0.040 0°时,首次发生螺栓破坏;当变形曲率半径≤1 000 m时,不论张开角多大,所有螺栓均屈服。从环面方向对连接螺栓进行分析,可以看出环面上各螺栓的应力发展有3个阶段。当张开角增大或变形曲率半径减小时,管片部分区域的拉应力开始减小,相应阶段逐渐发展为塑性抗拉阶段。在小变形曲率半径(300～2 000 m)范围内,管片的最大主压应力水平更多取决于变形曲率半径的大小,而随转动角的增大其变化较小。     

地铁隧道盾构始发过程数值模拟分析研究

以苏州市吴中区的平行隧道施工为工程依托,利用有限元软件ABAQUS对盾构始发过程进行了仿真模拟,对地表沉降、地层位移、土体应力和围护结构应力进行了对比分析。模拟表明:土体强度对抵抗地层扰动能力具有有效性;土质强度越大,隧道结构在Y轴方向所受的地应力越小,这意味着管片受土压力越小,则隧道结构更为稳定;主动土压力随着盾构掘进深度的增加而增大,且伴随着主动土压力的增加,围护结构应力值也相应增大。     

大型水下盾构隧道结构研究现状与展望

随着我国大型水下盾构隧道的日益兴建,一系列结构问题愈发凸显,对结构的安全性提出了挑战,大型水下盾构隧道结构已逐渐成为国内外研究的热点.针对大型水下盾构隧道在设计阶段、施工阶段及长期运营阶段可能存在的结构问题,综述了国内外相关的重要研究,主要包括:隧道横向结构的力学特征与分析方法,纵向结构变形与稳定性,隧道结构及附属结构物的地震响应及抗震与减震措施.总结了近期的研究成果与新进展,包括:整环管片衬砌结构力学特征与分析方法,接头力学性能,隧道结构纵向稳定性,施工期流固耦合效应及上浮机理,施工荷载的影响,火灾的影响与评估,水环境作用下管片衬砌结构的长期耐久性及结构性能评价等.最后,讨论了尚存的问题以及相关结构问题的研究趋势.     

基坑近接既有地铁盾构隧道施工影响分区方法

为了确保基坑近接既有地铁盾构隧道的结构安全和正常运营,在对盾构隧道纵向等效刚度模型研究的基础上,建立了隧道纵向变形曲率与螺栓承载状态和线路正常运行要求的公式.结合沈阳某深、大基坑近接既有地铁盾构隧道施工工程的实际情况,通过改变既有盾构隧道相对新建基坑的空间位置关系,进行了多工况三维数值模拟计算分析,得到了基于桩锚支护的基坑近接既有地铁盾构隧道施工的强、弱、无影响分区图,并通过现场的沉降实测结果等验证影响分区标准和控制技术的有效性.研究结果表明:盾构隧道纵向变形曲率半径是基坑近接盾构隧道施工中隧道结构安全和正常使用的关键指标,可将盾构隧道纵向变形曲率半径作为近接影响判断准则;在确定基坑近接既有盾构隧道施工工程的影响分区时,可将盾构隧道轨道线形受影响的临界状态及管片接头极限状态下隧道纵向变形曲率半径,分别作为强弱影响区和弱无影响区的划分阈值.     

车站洞门环梁与隧道管片连接螺栓的粘结-滑移

地铁车站洞口的混凝土环梁与隧道管片之间一般通过螺栓连接,螺栓往往以预埋的方式锚入车站环梁内,并且与握裹它的混凝土之间存在粘结-滑移变形,这对环缝张开宽度和环梁结构损伤发展都可能产生影响,为进一步明确其中的机理及影响程度,参考既有的粘结-滑移本构模型,利用可细化分析粘结-滑移的有限元分析平台,在充分考虑材料非线性特征的基础上,针对3种不同型号螺栓,分别考虑锚固长度足够和不足两种情况,分析了螺栓在环梁内的粘结-滑移,以及环缝宽度增大的过程;通过量化分析粘结应力和螺栓应力沿螺栓长度的分布,揭示了粘结-滑移对环缝宽度发展的影响机制. 分析表明:采用粘结-滑移模型时,得到的螺栓连接刚度介于嵌固模型和弹簧模型之间,粘结-滑移变形对盾构管片和车站环梁之间环缝宽度的影响不可忽略;仅考虑受拉影响,即便在锚固长度足够的情况下,当螺栓接近屈服时,螺栓与环梁间的粘结-滑移变形在环缝张开宽度中占比最大可达30%,螺栓屈服后,这个滑移占比会随环缝扩展降至8%以下,受此影响,考虑粘结-滑移的螺栓抗拉刚度最低约为完全嵌固模型的1/3.       

高速铁路模型箱梁静力非线性和动力损伤关系研究

桥梁结构在荷载作用下的静力非线性与结构动力特性之间的关系是结构损伤识别领域的重要问题。基于高速铁路模型箱梁的重复荷载试验,采用平面非线性有限元分析方法对静力非线性和动力损伤之间的关系进行了研究。通过定义混凝土等效应力－等效塑性应变曲线来定义其弹塑性行为。对数值模型加载到各级荷载后卸载进行动力特性分析,即卸载后计算自振频率和振型。计算结果表明：采用平面非线性有限元分析方法可以比较准确地对箱梁模型进行非线性分析,除了初始模型刚度存在一定误差外,结构的骨架曲线的特征值、加卸载刚度和残余位移吻合较好。在进行非线性分析后进行动力特性是分析可行。竖向频率值的变化能够反映静力非线性发生后结构的损伤出现和损伤的发展规律,这为结构动力损伤识别提供了有效的途径。     

隧道二衬混凝土在爆破地震波作用下的损伤研究

对庙坝隧道爆破地震波进行了现场测试,总结分析了混凝土材料的动态特性及试验结果,通过建立应用一致黏塑性计算模型研究了混凝土的应变速率相关特性,发现动荷载作用过程应变速率变化对结构的变形、应力大小与应力分布均发生影响。最后验证了隧道二衬混凝土损伤受地震波速率影响较为明显。