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。     

通缝拼装盾构隧道横向刚度有效率计算方法及其影响因素

基于盾构隧道横向刚度有效率的定义,推导根据管片纵缝接头刚度解析通缝拼装盾构隧道横向刚度有效率的计算公式,并以实例验证该计算公式的可行性。通过反演分析结果,阐明隧道所处地层的土体力学性能和隧道埋深对盾构隧道横向刚度有效率的影响机制。利用该计算公式分析多个单因素对横向刚度有效率的影响。结果表明:管片环的直径越大,盾构隧道的横向刚度有效率越大;管片截面的抗弯刚度越大、管片纵缝接头刚度越小、管片环分块数量越多,盾构隧道横向刚度有效率越小;盾构隧道横向刚度有效率不仅表征了管片纵缝接头对隧道横向刚度削弱的程度,也反映了管片纵缝接头转动变形而导致的管片环横向变形所占管片环横向总变形的比例,此比例越大,盾构隧道横向刚度有效率越小;反之亦然。     

压弯荷载作用下带有定位榫盾构隧道管片接缝的力学特性

依托于国内一地铁盾构隧道,采用有限元软件ABAQUS建立带有定位榫的盾构隧道管片接头三维模型,从管片应力、接缝位移、螺栓内力、定位榫内力与变形四个方面对带有定位榫的盾构隧道管片接头抗弯力学性能进行分析。结果表明：管片压溃区开始于纵缝处并向前后两块夹持管片延伸,最终呈杠铃状;纵缝削弱了其左右两侧0.33 m范围内管片刚度;环缝与纵缝交点错台量和张开量最大;定位榫对螺栓受力状态影响显著,螺栓中部截面角度-7.5°～7.5°区域轴力突然减小,剪力突然增大,两个纵向螺栓轴力分别在弯矩大于300 kN·m和大于600 kN·m时在该区域出现反向现象;定位榫在弯矩作用下内力较小,剪力最大值出现在0°截面处;弯矩越大,定位榫变形量越大,但定位榫不同角度变形量之间的关系基本不受弯矩变化影响。     

大断面水下盾构隧道管片接头抗弯刚度及其对管片内力影响研究

以大断面水下铁路盾构隧道-狮子洋隧道工程为研究对象,运用有限元数值分析方法,并结合管片接头原型抗弯试验,研究环向管片接头抗弯刚度,并运用梁-弹簧模型进行接头抗弯刚度对整环管片结构内力影响的研究.结果表明:该隧道管片接头抗弯刚度的取值范围为50～700MN·m·rad-1,在相同轴力条件下,接头抗弯刚度会随接头弯矩的增加降低1个数量级左右;在相同接头弯矩条件下,接头抗弯刚度随轴力的增加而增大;接头抗弯刚度对管片轴力分布的影响微弱,对管片弯矩的影响显著;随接头抗弯刚度的增大,整环管片的弯矩分布趋于均匀;在抗弯刚度取值范围内,极值弯矩相差最大达80％左右,极值轴力最大减小5％左右,变形最大减小20％左右;基于接头抗弯刚度-弯矩-轴力的非线性关系改进的梁-弹簧模型,更能体现接头对整环管片受力的影响,也更适用于大断面盾构隧道管片内力的计算.     

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。     

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。     

纵向残余顶推力对盾构隧道纵向刚度影响试验研究

针对盾构隧道纵向刚度影响因素复杂、客观存在的纵向残余顶推力常被忽略等问题，以南昌地铁盾构隧道管片环为原型设计1∶10的缩尺模型，按环缝连接接头位置的不同，分2组开展纵向残余顶推力对隧道纵向刚度影响的试验研究，并结合工程实际分析影响盾构隧道纵向刚度的若干因素。结果表明：横向受力相同时，不同于刚度均匀简支梁反演得到的纵向挠曲变形，模型盾构隧道实测得到的纵向挠曲变形表现出明显的非线性特性；盾构隧道残余顶推力对其纵向刚度影响显著，刚度增长与纵向预压力增加呈现非线性关系；在相同纵向预压力作用下，角码布设在与水平线呈45°位置时，模型管片环之间可能发生的剪切位移量更大；盾构隧道残余顶推力、隧道挠曲变形阶段、环缝连接螺栓数量与形式、管片环缝端部构造等均对盾构隧道纵向刚度产生影响；隧道纵向挠曲变形主要由环缝张开及管片环之间的剪切滑移2部分导致，且管片环之间的剪切滑移具有随机性。     

考虑接头影响的盾构隧道地震响应分析

为探明地震作用下盾构隧道管片接头与拼装方式对其横断面地震内力及变形的影响,分别针对匀质圆环模型以及梁—弹簧模型开展反应位移法计算,对不同转角错缝拼装管片环的地震内力与变形进行对比分析。研究结果表明:两种模型计算所得衬砌横断面地震弯矩、轴力均呈反对称分布,在左右拱肩、拱脚部位出现最大值,地震剪力呈近似对称分布,整环内力图在管片接头处出现内凹或突变;与匀质圆环模型相比,梁—弹簧模型因考虑了管片接头与拼装角度造成地震内力计算结果相差20%左右,变形值则最大可造成40%以上的误差。综上可知,盾构隧道接头对其地震内力分布以及接头处变形均影响显著,采用匀质圆环模型计算管片转角时存在较大误差,当需要精确求解时该模型不再适用。     

新建隧道下穿施工对既有上卧盾构隧道扰动影响规律研究

针对新建盾构隧道下穿施工时,对既有上卧盾构隧道结构的扰动影响问题,应用非线性接触理论和多尺度混合建模技术,建立三维非连续精细化数值模型,重点分析隧道正交下穿施工扰动下,既有上卧盾构隧道管片与接头受力和变形规律。研究结果表明:新建隧道下穿施工诱发既有上卧盾构隧道整体下沉,表现为隧道结构竖向收敛波动和仰拱沉降显著;纵缝接头变形以张开为主,环缝接头变形以错台为主,且同一环中拱顶处变形最大;环缝接头应力集中明显,靠近交叉点处管片环缝的最大、最小应力均接近混凝土强度设计值,局部裂损风险高;受下部开挖影响,上卧盾构隧道环缝接头螺栓剪应力值增加显著。     

大直径盾构隧道管片纵向连接抗剪刚度分析

盾构管片接头螺栓与螺栓孔存在装配间隙,剪切作用下管片纵向连接螺栓在受剪的同时还受弯矩作用。为得到更接近工程实际的管片纵向连接抗剪刚度,根据Timoshenko理论推导了大直径盾构管片纵向连接抗剪刚度计算公式,并通过上海长江隧道管片环缝抗剪性能试验进行了验证。研究结果表明:公式计算结果与试验结果吻合得较好;由于装配间隙的存在,剪切作用下管片纵向螺栓抗剪刚度主要由其弯曲刚度控制,螺栓变形也以弯曲变形为主。     

盾构隧道管片施工力学性能三维数值模拟研究

研究目的:施工阶段的管片外部荷载系统和力学性能与正常使用阶段相比均表现出较大差异,大量工程经验表明,管片在施工阶段破损的概率要远远高于正常使用阶段。本文通过建立考虑环、纵向接头不连续性的三维盾构隧道有限元模型,针对注浆压力、千斤顶推力以及拼装方式三个施工要素进行研究,拟为盾构施工提供合理的意见。研究结论:分析结果表明,在施工阶段,由于管片外部荷载沿隧道纵向有差异且接头存在非连续性,管片的力学性能沿隧道纵向存在较大差异,各环变形特征也不尽相同,与传统均值连续模型相比亦存在较大差异,注浆压力、千斤顶推力对施工阶段管片力学性能有较大影响,管片在错缝、通缝拼装条件下表现的力学性能存在较大差异,综合来看,错缝拼装结构相比通缝拼装具有更好的结构整体刚度。     

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。     

基于混凝土弹塑性损伤本构模型的盾构管片受力分析

在混凝土弹塑性损伤本构模型的基础上,考虑盾构管片拼装块与连接螺栓的非连续性和拼装块之间的接触关系,建立三维非连续接触计算模型。以苏州某地铁盾构隧道工程为例,对盾构管片的受力状况进行模拟计算,并与惯用法模型和修正惯用法模型的计算结果进行对比分析。结果表明:盾构管片内拱顶K拼装块部分区域的损伤因子超过了损伤临界值,这些部位将产生明显可见的裂缝;盾构管片拱顶与拱底内侧的受拉区域均产生了塑性变形,拱顶K拼装块的塑性区深度达到截面宽度的55%;盾构管片最大内力组合在两侧拱腰管片的接头处;三维非连续接触计算模型可以更好地反应管片接头对内力的影响和管片混凝土材料的受力及变形特性;模型中盾构管片接头处接触单元的设置消除了其他模型中接头刚度差异对计算结果的影响,对盾构管片抗压刚度及抗弯刚度均会产生影响。     

考虑公轨合建型内部结构的盾构隧道纵向力学性能研究

盾构隧道朝着超大断面发展,其内部结构形式愈加复杂多样化,内部结构对盾构隧道纵向力学性能的影响值得探讨。为研究考虑公轨合建型内部结构的盾构隧道纵向力学性能,以济南黄河隧道为工程背景,建立31环考虑公轨合建型内部结构的盾构隧道三维有限元实体模型,以集中力的形式作用在第16环管片环进行加载。结果表明:盾构隧道考虑内部结构后,通缝拼装隧道和错缝拼装隧道纵向刚度有效率分别提高21.4%~61.9%和14.3%~35.3%,说明内部结构能够有效提高盾构隧道的纵向刚度;通缝拼装隧道和错缝拼装隧道加载环最大Mises应力分别减小61.3%和69.2%,说明内部结构能够起到承载作用;隧道管片与内部结构会发生应力集中现象;错缝拼装形式有利于减小内部结构在纵向上的位移变形,同时内部结构的侧墙在施工时应尽可能保证混凝土的密实。     

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。     

荷载变化条件下不同深度榫槽对隧道结构承载性能的影响

为了研究盾构隧道接头部位的榫槽深度对盾构隧道承载性能的影响规律,考虑纵缝榫槽等结构的细部构造,建立三维精细化盾构隧道数值模型进行计算分析,并与足尺试验进行对比验证。结果表明试验及数值的数据基本吻合,采用该模型计算是合理可行的。研究结论:(1)正常承载及超载情况下截面弯矩和轴力对纵缝榫槽深度改变不敏感,当隧道结构遭遇极为严重的卸载情况时,截面弯矩和轴力才表现出随纵缝榫槽深度增加而增大;(2)卸载情况下不同纵缝榫槽深度对应的隧道结构横向、竖向收敛变形均显著大于超载情况;(3)增加纵缝榫槽深度可在一定程度上提高隧道结构抗变形能力,但当榫槽深度超过20 mm后,再增加榫槽深度对提高隧道结构承载力无明显效果。     

弱抗力地层盾构隧道失稳破坏的模型试验研究

以外径10.8m的大断面盾构隧道为研究对象,针对标准贯入度N≤5的软弱黏土地层条件,进行盾构隧道管片衬砌结构的失稳破坏模型试验,分析拼装方式、接头抗弯刚度、管片刚度、地层空洞及地层改良对盾构隧道稳定性的影响,探明盾构隧道的失稳破坏形态。结果表明,与增强管片结构刚度措施相比,地层改良更能显著提高盾构隧道的稳定承载力;地层空洞的存在加剧了管片衬砌的失稳,空洞位置越靠近隧道拱腰水平位置,盾构隧道的稳定性越差;从提高盾构隧道的稳定性方面考虑,建议采用错缝拼装方式、刚性管片接头,并避免管片缺陷的产生。盾构隧道失稳是管片衬砌结构强度破坏与整体刚度降低耦合发展的结果。在无管片缺陷、无地层空洞情况下,盾构隧道失稳时的管片衬砌最大单点位移80~140mm,椭圆扁平率2%~5%,可为外径10m级盾构隧道失稳判定提供参考。     

类矩形盾构隧道错缝管片环间传力性能研究

针对类矩形错缝拼装盾构隧道,通过三环拼装管片进行环间传力性能试验研究,并与纵缝压弯试验进行对比分析,分析环缝间产生的剪力对纵缝变形的限制作用,明确弯矩传递机制。相同弯矩作用下,随着纵向力的增大,弯矩传递系数呈增大趋势;相同纵向力但不同弯矩作用下的环间传力性能有所变化。研究指出该类型接头的环间作用力的局限性,明确类矩形错缝拼装接缝附近的薄弱环节,对新型地铁衬砌设计和施工提供试验依据和技术支持。     

盾构隧道与地层相互作用的模型试验设计

设计缩尺模型时,应使影响试验测试结果的主要因素满足相似关系,次要影响因素可以不满足相似关系,以最大限度地减小模型试验误差。当模型盾构隧道材料的弹性模量无法满足相似关系时,可以调整模型隧道的内径和管片厚度,使模型隧道横断面曲梁在相似的弯矩作用下产生相似的转角,以此作为管片厚度设计要求;模型隧道材料的密度可以不满足相似关系。开槽模型管片纵缝接头的转动刚度可控性良好,建议用于模型盾构隧道管片环。模型土的黏聚力与内摩擦角可以不满足相似关系;模型土的压缩模量与实际土体的压缩模量应保持相似关系,模型土取压应力(100/Cσ)kPa到(200/Cσ)kPa时对应的压缩模量。