盾构隧道管片结构设计几个问题的探讨

由于国内盾构隧道结构现有计算方法考虑因素不全面、部分计算方法不合理,造成盾构管片配筋量偏大,对管片预制及工程造价都带来很大影响。为提高现有盾构隧道结构设计方法的准确性和可靠性以及优化管片配筋,通过大量的盾构隧道结构计算和工程经验,对多个设计问题进行分析,结果表明:深埋等复杂地质条件下长大盾构隧道结构计算需要考虑管片的环、纵向接头作用;极限状态法没有区分施工和运营工况受力特点等。通过研究提出以下解决方案:(1)采用改进管片接头单元的梁-弹簧模型,结合接头试验对抗弯刚度等取值进行优化;(2)考虑盾构隧道施工阶段为短暂设计工况,运营阶段为持久设计工况进行安全校核;(3)提出纤维梁单元模型,对管片配筋进行校核;(4)提出多种管片配筋优化设计方法,减少钢筋用量。     

基于纤维梁单元的盾构隧道管片配筋优化技术

研究目的:盾构隧道钢筋混凝土管片配筋计算中一般采用统一的结构等效刚度进行内力计算,由于忽略钢筋分布对结构刚度的影响,配筋结果多偏于保守。本文对隧道管片配筋优化技术展开研究,以期在确保隧道结构安全的情况下减少钢筋用量,达到节约成本的目的。研究结论:(1)利用有限元方法建立了可描述钢筋与混凝土共同作用的结构力学模型(即纤维梁单元),通过将管片截面划分成微小单元,对截面刚度进行积分,获得了衬砌结构精确的弯曲刚度值;(2)在基于同济曙光三维数值平台而开发的盾构隧道管片结构计算与配筋软件中嵌入纤维梁单元模型,从而在管片配筋校核计算时对不同项目进行验算,进而对钢筋分布进行调整,使管片中混凝土与钢筋材料受力协调一致,实现对配筋方案的优化;(3)选用某地铁盾构隧道作为算例,考虑管片在施工期和运营期不同的受力特征,在初步配筋基础上比选优化得到最优配筋方案,所得优化方案在符合受力机理以及满足设计要求的同时,很大程度上节省了钢筋用量;(4)本研究成果可为盾构隧道管片配筋设计的优化提供参考。     

基于纤维梁单元的盾构隧道钢筋砼管片配筋优化研究

盾构隧道钢筋混凝土管片配筋计算中一般采用统一的结构等效刚度进行内力计算,忽略了钢筋分布对结构刚度的影响,配筋结果多偏于保守。本文对隧道管片配筋优化技术展开研究,利用有限元方法建立了可描述钢筋与混凝土共同作用的结构力学模型(即纤维梁单元),通过对截面刚度进行积分,获得衬砌结构精确的弯曲刚度值。此外,在基于同济曙光三维数值平台而开发的盾构隧道管片结构计算与配筋软件中嵌入纤维梁单元模型,在管片配筋校核计算时对不同项目进行验算,进而对钢筋分布进行调整,使管片中混凝土与钢筋材料受力协调一致,实现对配筋方案的优化。研究所得的优化方案在符合受力机理以及满足设计要求的同时,很大程度节省了盾构隧道的钢筋用量。     

基于梁-非线性弹簧模型的盾构隧道管片环极限变形特征研究

管片环极限变形特征是盾构隧道结构设计的关键控制指标和结构安全监测的重要依据。已有的接头弯曲加载试验表明,当弯矩较大时,接头变形具有明显的非线性特征。针对上海地铁区间盾构隧道管片环内的无衬垫式接头,建立其力学模型并推导其变形解析式,得到一定轴压作用下接头变形非线性特征的定量化描述,将其与试验数据对比,验证接头力学模型和变形解析式的工程适用性。基于非线性弹簧单元建立管片环梁-非线性弹簧模型,采用有限元方法对考虑外荷载及接头自身性能等因素不确定性的各工况管片环极限变形特征进行计算分析,根据分析结果提出对盾构隧道管片环结构设计及运营期结构安全监测提出建议。     

盾构隧道内力分析方法的校验与选择研究

为对目前常用的盾构隧道内力分析方法和分析模型进行检验和验证,在三环足尺试验基础上构建单环加载案例作为校验标准,以该校验标准就内力分析模型的影响及条件等进行比较和研究,结果表明:在选择盾构隧道衬砌分析模型和分析方法时,应考虑隧道衬砌结构所受荷载水平;荷载水平较低,若环间作用和地层约束作用弱,盾构隧道衬砌结构设计时,可采用自由变形圆环模型(惯用法),以简化设计过程;荷载水平较大,局部管片接头可能进入非线性转动阶段,不考虑管片接头非线性引起的误差可达20%,梁-弹簧模型中考虑管片接头非线性是必要的。     

基于壳单元的盾构隧道参数化结构计算与验证

三维壳单元较二维梁单元能更精细地模拟管片结构受土体作用下的力学行为。为了推广三维壳单元隧道结构计算模型在大直径盾构隧道结构计算中的应用,提出基于壳单元的参数化隧道结构建模方法(Shell element-based Parametric Tunnel Structure Modeling,SPTSM)。SPTSM基于隧道中轴线及截面半径参数,能自动生成由壳单元所组成的隧道模型。在模型中,相邻环之间的壳单元公共边被定义成线性铰,以此模拟管片环缝间的接头刚度;管片纵缝间的接头刚度通过均质圆环法引入折减系数进行替代;壳单元节点被施加荷载压力、地层弹簧及约束支座,以模拟管片结构与围岩之间的力学行为。SPTSM提供了结构自动建模算法和壳单元节点荷载的自动计算算法,并通过调用Karamba3D有限元结构计算内核,实现盾构隧道结构的建模-计算一体化。将SPTSM应用于杭州某大直径盾构隧道工程76 m区间段,对比结构变形的计算和实际检测结果,验证SPTSM的合理性。SPTSM能自动建立精细的三维壳单元盾构隧道结构模型,并同时完成荷载压力、地层弹簧、线性-铰刚度以及约束支座的布置和设定。对比点云扫描的结...     

盾构隧道通用管片结构力学行为与控制拼装方式研究

采用梁-弹簧模型模拟管片结构、荷载-结构模型计算作用在管片结构上的荷载,并借助有限元法对不同拼装方式下地铁区间盾构隧道通用管片结构进行力学行为分析。结果表明:通用管片结构在不同拼装方式下的力学行为是不相同的,与拼装类型、分析目标环的环向和纵向接头的位置、封顶块的位置有关;错缝拼装控制通用管片结构正负弯矩、剪力、纵向螺栓剪力设计值;通缝拼装控制变形量和地层抗力设计值。对于内力较大的拼装方式,在施工中应采用回避的方式解决,所以配筋设计中可只按一般的内力值进行计算,以便减少管片结构的配筋量和减小螺栓直径,从而降低工程造价。     

大直径盾构隧道下穿南水北调中线总干渠设计研究

以新郑机场至郑州南站城际铁路盾构隧道下穿南水北调中线总干渠为例,研究下穿段盾构隧道结构、沉降、防水、加强措施、监测方案等设计关键问题,以指导盾构下穿施工。通过模拟不同工况下盾构隧道结构受力,计算确定盾构管片的配筋方案;通过三维数值模拟分析盾构下穿施工对南水北调中线总干渠的影响。考虑南水北调工程的重要性,设计中采取一系列确保总干渠安全的措施。盾构隧道安全、顺利穿越南水北调中线总干渠,各项监测数据及指标满足预期,表明本文提出设计措施有效地控制了盾构下穿施工对总干渠的影响,确保了盾构施工安全和南水北调中线总干渠安全。     

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。     

深埋双圆盾构隧道衬砌荷载模式及其接头效应分析

双圆盾构隧道在我国的应用才刚刚起步,其力学特性尚未完全认识和把握。为进一步揭示双圆盾构隧道的力学特性,在分析盾构施工特点和双圆盾构隧道结构形式的基础上,提出基于Terzaghi公式的深埋双圆盾构隧道地层荷载模式,并采用梁-弹簧模型对双圆盾构隧道进行了接头不同转动刚度的接头效应分析,对比了梁-弹簧模型和匀质圆环模型的分析结果。分析表明:纯粹按照匀质圆环模型进行双圆盾构隧道结构设计将难以保证其安全,建议在采用匀质圆环模型进行双圆盾构隧道设计时,同时采用梁-弹簧模型进行校核。     

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。     

大型水下盾构隧道管片衬砌结构配筋问题研究

以大型水下盾构隧道工程为背景,首先采用壳-弹簧计算模型分析运营期间管片衬砌结构的三维力学分布特征,并用相似模型试验对结论做初步验证,提出主筋优化分布的配筋措施,然后采用三维管片组合体模型分析施工期间在千斤顶推力作用下的管片内部应力分布规律,并与施工现场调查统计的管片裂缝进行印证,提出管片局部配筋措施.研究表明,大幅宽条件下,幅宽边缘部位的最大弯矩值明显大于幅宽中央,建议主筋沿幅宽采用中疏边密的阶梯状分布配筋率;施工期间的管片应力集中主要发生在靠近管片环缝边缘部位,建议将此区域设置成刚性较大的钢筋整体梁式骨架;千斤顶推力作用下,管片平均应力集中部位呈八字形分布而剪切应力集中部位呈剪刀状,建议按照应力走向配置局部加强钢筋.研究结论可为分析管片结构安全和合理优化管片结构配筋提供有实用价值的参考.     

螺栓对高轴压盾构管片接头抗弯性能影响研究

在大埋深、高水压等特殊条件下进行盾构隧道管片结构设计时,具有复杂接缝面的管片接头形式得到广泛运用,为具体探究其抗弯性能以及螺栓的作用,采用有限元软件Abaqus,结合具体工程实例,建立大直径盾构隧道管片接头三维非连续接触模型,针对高轴压作用下管片接头的变形特征、抗弯性能和承载能力进行对比分析。计算结果表明:(1)对于大直径盾构隧道管片接头结构,有无螺栓工况之间极限承载弯矩的差值随着轴力的增大而逐渐减小。结构体系失稳前同一弯矩下有无螺栓工况之间的张开量差值随着轴压的减小而逐渐增大;(2)高轴压作用下管片接头接缝面混凝土压溃破坏时螺栓尚未进入屈服阶段,且随着轴力的增加,有无螺栓工况下接头抗弯刚度的相对数值差异显著减小;(3)较之有无螺栓工况,对于高轴压盾构管片接头变形特征和抗弯刚度的影响而言,两种不同等级螺栓的区别不大。总体来说,随着轴压的增加,螺栓对于管片接头的变形控制和抗弯性能提升的贡献逐渐减小。     

北京地铁盾构隧道管片设计方法比较

根据北京地层的土质特性及其与管片的相互作用特点,研究北京地层条件下的管片合理设计理论与模式,详细介绍修正惯用法和梁弹簧模型法计算管片衬砌内力的理论。针对北京地铁盾构管片设计采用的修正惯用法,使用与实际情况较接近的梁弹簧模型分别计算了北京盾构施工的2个工程实例。通过理论分析,使用梁-弹簧模型法更符合北京地铁隧道工程实际,可对北京地铁隧道管片进行设计优化,为北京地铁工程创造更高的经济效益和社会效益.     

装配整体式盾构管片结构及力学性能研究

传统盾构隧道管片由预制管片和螺栓连接而成,需要依靠围岩荷载才能形成稳定的结构体系。接头的存在也会造成管片结构整体刚度偏低、抗变形能力减弱,影响隧道结构的安全性和耐久性。本文提出一种装配整体式盾构隧道管片结构,该装配整体式管片由预制T型管片和叠合区混凝土组成。盾构施工阶段进行T型管片拼装,隧道洞通后采用喷射或现浇方式进行叠合区混凝土施工。基于ABAQUS软件对比分析装配整体式管片和传统管片的力学性能。结果表明：在施工阶段,装配整体式管片和传统管片的内力相近,但装配整体式管片的变形稍大。当隧道附近有基坑开挖时,T型管片与叠合区混凝土共同承担隧道荷载,叠合区混凝土刚度大,对T型管片具有保护作用,并且装配整体式管片的后期变形小于传统管片,表现出更好的整体性和抗变形能力。装配整体式盾构隧道管片结构适用于非均质或大变形地层,且能更好地应对邻近施工和邻近穿越等工况,可为盾构隧道工程建设提供新的技术方案。     

考虑管片环向接头效应的盾构近距离施工影响分析

由于受地质条件和施工水平的制约,新建盾构隧道近距离穿越既有隧道施工过程中,除引起地表沉降外,对既有隧道也将产生不利扰动影响。针对新建盾构隧道近距离垂直下穿既有运营隧道施工形式,重点考虑盾构管片环间接头非线性特征,构建三维弹塑性有限元模型,对穿越施工进行全过程模拟,对比分析盾构隧道近距离穿越施工引起既有隧道的受力和变形,并基于弹性铰接圆环模型,结合隧道结构力学理论计算方法对数值模拟结果进行比较验证。研究表明:盾构穿越施工期间,既有隧道顶部和底部的变形量均呈增大趋势,加入螺栓之后的既有隧道变形较均匀;既有隧道底部的变形增幅相对顶部变形偏大,管片环间加入螺栓时,既有隧道顶部和底部的变形大小趋于接近。     

盾构隧道管片计算模型参数的敏感性分析

目前国内盾构隧道设计没有统一的国家规范,因而各设计单位主要参考国际隧道协会推荐的设计方法及日本等国规范、并结合设计者自己的工程经验进行设计。由于大和超大直径盾构隧道管片结构试验很少,管片设计参数取值只能参考日本规范和国内通过试验获取的有限资料。这些资料提供的参数取值范围较大,因而管片设计参数的取值具有一定的随意性。结合国内常用的管片结构计算方法——惯用计算法和梁-弹簧模型法参数取值进行分析,提出设计中应重点关注的参数取值建议。结论为:管片结构的抗弯刚度及纵向接头的抗剪刚度对管片内力影响显著而复杂,匀质圆环模型中的刚度折减系数及错缝拼装中的弯矩提高系数对计算管片变形和内力的准确性影响很大。     

高速列车撞击盾构隧道的混合多尺度动力分析模型

列车脱轨会对隧道结构产生重大损害,为此提出一种在保证计算精度的前提下能大幅度提高计算效率的列车撞击盾构隧道混合多尺度动力分析模型,以降低列车脱轨事故的潜在风险.首先,建立考虑管片接头效应的常规非多尺度模型及2种单一多尺度模型(同类型单元粗细网格耦合多尺度模型和不同类型单元壳-体耦合多尺度模型),通过3种模型的管片静力学...     

强刚度低配筋预应力盾构隧道 管片衬砌技术研究

传统盾构隧道管片是由环向和纵向螺栓连接而成的非连续性结构,存在整体性差、抗变形能力弱等缺陷, 造成盾构隧道在施工和运营过程中常出现管片变形过大、接头开裂、螺栓锈蚀、漏水等问题,严重威胁盾构隧道 安全。为解决上述问题,将预应力系统引入盾构管片结构,提出强刚度低配筋预应力盾构隧道技术。通过对盾构 管片施加环向和纵向预应力,可将盾构管片连接为整体,提高盾构隧道的整体性、抗变形能力等性能。通过数 值模拟对比分析预应力管片和传统管片的性能差异,研究表明：采用该技术可提高管片轴力,降低管片弯矩和变 形,同时用钢量较传统管片可降低至少 45%。本技术可有效解决传统盾构隧道存在的问题,并且降低钢筋用量, 可为轨道交通、市政、铁路、公路等行业的绿色低碳新技术研究提供借鉴。     

盾构隧道非均质等效梁模型的建立与分析

盾构隧道管片设计力学模型有均质圆环模型、多铰圆环模型、梁-弹簧模型等.在分析上述力学模型基础上,从管片接头截面力学性质出发,提出一种盾构隧道力学分析方法,建立非均质等效梁模型,即接头处单元与非接头处单元均采用等效参数不同的梁单元模拟,并从理论上推导接头处梁单元高度、宽度、弹性模量等截面性质等效参数解析式.根据现场试验数据,采用正交试验反演分析截面性质等效参数,验证理论解析式的有效性,得到一定条件下截面性质等效参数.将该模型内力结果与现场试验结果及梁-弹簧模型结果进行对比得出:非均质等效梁模型控制性截面内力值比现场试验值偏于安全,其安全系数介于现场试验值与梁-弹簧模型之间.结果表明:该模型可使管片接头力学性质更直观、明确,可在工程中推广应用.