基于弹性地基梁的盾构隧道纵向上浮分析

盾构隧道施工中刚脱离盾尾的管片经常会出现局部或整体上浮。盾构隧道施工期管片上浮的原因有上浮力作用、纵向偏心荷载作用、切口水压作用、上覆土的反向压缩效应以及地基卸载效应等,重点分析上浮力对施工期管片上浮的影响。将上浮力分为静态上浮力和动态上浮力,分别分析其作用机理,给出计算式。以一隧道工程为例,根据纵向等效连续化模型将其简化为一纵向梁,基于弹性地基梁理论将上覆土的抗浮效应简化为地基弹簧,在求得其纵向等效抗弯刚度、静态上浮力、动态上浮力以及上覆土地基弹簧参数后,运用同济曙光软件,计算得到100 m长管片在静、动态上浮力作用下的上浮量为4-15 cm。该计算值与实测结果比较吻合,表明弹性地基梁方法可以分析盾构隧道的纵向上浮。     

基于浆液黏度时变性的盾构壁后注浆模型研究

研究目的:盾尾同步注浆是盾构施工过程中重要环节之一,其浆液包裹促使管片处于"悬浮漂移"状态,稍有不慎极易造成隧道结构上浮或错台,进而引起管片开裂破损。基于Magg柱面扩散理论,推导考虑浆液黏度时变性与否两种情况下盾构隧道壁后注浆浆液扩散半径和注浆压力公式,通过算例对比分析注浆过程中隧道管片压力随时间、同步注浆浆液初始压力、扩散半径变化规律,为盾构管片设计施工提供理论基础。研究结论:(1)无论考虑浆液黏度时变性与否,管片所受压力及浆液扩散半径均与时间呈正向增长关系;(2)浆液扩散半径与初始注浆压力呈正向增大关系,管片所受到的压力与初始注浆压力呈指数增长关系;(3)不考虑浆液时变性的计算结果均高于考虑浆液时变性的计算结果的5%～10%,最大可超过70%,实际盾构同步注浆应予以重视;(4)实际工程可以通过调节初始浆液黏度比来降低管片压力,其初始浆液黏度比有效调控范围在2～6之间;(5)本研究成果可为盾构隧道结构设计和施工提供参考。     

盾构隧道管片上浮的机制研究

盾构法施工时难以避免地会对隧道周围地层造成扰动,引起地表位移,对盾尾间隙的充填可以有效地控制盾尾地表沉降。但在盾构掘进、盾尾间隙注浆施工中,隧道管片局部或整体上浮现象也时有发生。对管片结构在施工过程中受力状态进行分析,将管片的上浮归为四大类,即管片封闭成环的上浮、盾构掘进顶推时的上浮、脱出盾尾后管片的上浮、浆液初凝后管片的上浮。并提出管片脱出盾尾后至浆液初凝前的上浮计算方法,此外针对盾构施工期间管片的上浮,提出了管片上浮的控制措施。研究成果可为盾构隧道管片抗浮设计及施工提供一定的技术依据。     

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。     

富水承压地层盾构管片上浮规律及 控制措施探讨

在地铁盾构施工过程中,隧道管片上浮问题十分普遍,严重时甚至会造成隧道轴线偏差超限,影响整个 线路的设计规划。总结分析国内盾构管片发生上浮的现象和特征,指出承压水对诱发管片上浮起重要作用。依托 北京地铁 17 号线香西区间盾构隧道,开展盾构穿越富水承压地层的理论分析和数值模拟。结果表明：导致该工 程管片发生较大上浮现象的原因不应仅考虑浆液浮力和地层回弹的作用,还应考虑承压水作用的影响。缩短同 步注浆凝结时间和补充二次注浆是针对浆液浮力的措施,而在隧道周边径向注浆则可同时减少地层回弹和承压水 的影响,径向注浆对减小管片上浮效果明显。     

盾构隧道管片上浮力学特性精细化模拟分析

针对盾构隧道施工阶段的管片上浮问题，计算地层抗力系数和管片横向刚度有效率，建立盾构隧道管片上浮三维荷载-结构计算模型，分析上浮荷载作用下管片结构与接头螺栓的力学特性。结果表明：考虑注浆压力时管片均出现上浮，最大上浮量出现于盾尾第6环管片处；管片顶底部和左右两侧的Mises应力均先增大后减小，在上浮荷载作用下管片环呈上下挤压状态；盾尾第6环管片的上浮位移和应力较大，管片左右两侧螺栓的剪应力大于管片顶底部。     

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。     

盾构隧道管片上浮机理及控制技术

基于Maag球面扩散公式,通过引入等效孔隙率替代土体本身的孔隙率,对盾构隧道壁后注浆的渗透范围及对管片造成的上浮力进行了理论推导,并从注浆方法、浆液选择、注浆参数控制、管片上覆土及盾构姿态等多方面提出了控制隧道管片上浮的针对性措施.     

深厚软土地区盾构管片上浮特性数值分析

深厚软土地区盾构管片上浮是较为普遍的现象,对盾构过程和周围环境安全影响较大。结合福州某地铁盾构工程,考虑地层损失和软土扰动影响,建立了深厚软土地区盾构过程中管片上浮的数值模拟方法,并利用实测数据对该模型进行验证。利用已验证的数值模拟方法分析了同步等效注浆压力、注浆量、浆液压缩模量、土仓压力和隧道埋深等对盾构参数对管片上浮量和上浮规律的影响,并建立了管片上浮量的经验计算公式。研究表明数值模拟结果与实测值吻合度较高,能够较真实反映盾构管片的上浮特性;随着注浆压力、土仓压力、注浆量、浆液模量的增大,管片上浮量增大;随着埋深的增加,管片上浮量降低。     

盾构隧道管片结构设计中几个问题的探讨

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了很大影响。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了分析,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。通过研究提出了以下解决方案: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。     

中国铁路桥梁技术发展与展望

研究目的:和公路桥梁相对而言,铁路桥梁荷载大,冲击力大,要求能抵抗自然灾害的标准高,特别是结构要求有一定的竖向横向刚度和动力性能。本文以大量事实论述了100多年来中国铁路建桥技术取得的举世瞩目的进步。研究结论:中国铁路桥梁研究制造出高强度耐久的新材料,设计出先进合理的桥式结构,拥有科学先进的制造和施工工艺设备。中国桥梁的设计和施工已经达到了世界先进水平。新世纪还需进一步开展多项科技研究。     

青山长江大桥主航道桥结构动力特性分析

研究目的:青山长江大桥主航道桥是目前世界最大跨径全漂浮体系斜拉桥,桥塔为目前世界最高的A形桥塔,主梁为目前长江上最宽的钢箱梁,其动力特性是结构受力特性的关键,与常规斜拉桥相比具有独特之处。本文采用ANSYS建立空间有限元计算模型,对青山长江大桥主航道桥成桥状态、施工阶段最大单悬臂状态结构动力特性进行分析,从而为进一步进行结构抗震、抗风性能分析研究奠定基础。研究结论:(1)在成桥状态时,结构前3阶振型分别为纵飘、对称侧弯、对称竖弯,对应周期分别为14.22 s、6.25 s、4.78 s;在最大单悬臂状态时,结构前3阶振型分别为侧弯、竖弯、竖弯,对应周期分别为8.4 s、4.44 s、2.93 s,两种状态均属于长周期结构;(2)成桥状态和最大单悬臂状态时,结构侧向刚度均偏弱,对横向风致振动响应敏感;(3)结构采用A形桥塔、超宽主梁、空间双索面提高了结构的扭转频率和抗扭刚度,增强了结构的抗扭稳定性,边跨设置辅助墩提高了结构频率和刚度;(4)在成桥状态时,结构的高阶振型中出现了振型的耦合现象;在最大单悬臂状态时,结构的低阶振型中即出现了振型的耦合现象;(5)本研究成果可为大跨度全漂浮体系斜拉桥结构抗震、抗风设计提供依据。     

大跨度铁路桥梁刚度统一描述方法探讨

研究目的:本文在已建成的桥梁基础上,进一步开展了大跨度铁路桥梁刚度描述方法和预应力混凝土连续梁(刚构)桥刚度的限值研究,以提出一种大跨度铁路桥梁刚度问题的统一描述方法。研究结论:采用设计荷载下的梁端横向、竖向、扭转角及非梁端处横向、竖向、扭转角的变化率(即曲率)描述桥梁刚度,推导了大跨度铁路预应力混凝土连续梁(刚构)桥刚度设计参考限值。该方法不但能方便地描述简支梁的刚度问题,与现有规范相衔接,而且在描述规范所不能涵盖的大跨度桥梁、特殊桥梁结构刚度问题时也非常方便。研究方法和研究成果有利于提高桥梁刚度研究和设计水平,为发展更大跨度桥梁提供技术支撑。     

既有线框构桥顶进施工纵、横梁加固体系的分析

研究目的：针对框架立交桥顶进施工的安全关键，综合分析各种线路加固体系的特点及适用范围，并在综合分析的基础上，通过实桥试验的方式，验证纵、横梁加固体系在限速45km／h的运输条件下顶桥施工的安全性，为此类加固体系的设计及施工提供理论依据。研究方法：对加固体系采用强度及刚度两方面分析，并采用理论计算及编组试验列车进行实桥试验的方法。研究结论：通过分析得出纵、横梁加固体系可适用于任何跨度、宽度及轴长的框架桥顶进施工，同时试验结论显示，该加固体系在限速45km／h条件下，安全可靠，并提出改进方向，具备进一步提高速度的可能性，是既有线顶桥施工中较好的一种加固方案，具有较强的推广应用价值。     

北京地下直径线橡胶浮置板道床力学分析

对北京地下直径线隧道内连续式橡胶浮置板的力学特性进行研究,提出时速100 km国铁橡胶浮置板钢轨位移限值,进行浮置板道床的位移检算、结构配筋及锚固设计。根据连续式橡胶浮置板的传力特点,建立橡胶浮置板计算模型。考虑在列车荷载作用下道床板结构的弯矩、道床板所承受的由刹车和启动荷载引起的纵向力、因混凝土收缩及温度变化引起的道床板纵向力等。对连续式橡胶浮置板的力学特性进行计算分析,确定橡胶浮置板钢轨位移限值,检算轨道结构的竖向位移,并对浮置板道床进行了结构配筋及锚固设计。计算结果表明:(1)时速100 km国铁浮置板道床钢轨垂向变形限值可按4 mm取值;(2)本线采用的橡胶浮置板道床结构可以满足竖向位移限值的要求;(3)考虑垂向及纵向力的共同影响,连续式橡胶浮置板配筋量较大,配筋率约为1.28%;(4)为限制浮置板道床的纵向位移,需进行锚固连接,道床板锚固长度约为19 m。     

高速铁路连续梁拱组合桥钢管拱拼装方案设计研究

连续梁拱组合桥作为高速铁路大跨结构的重要桥型,一般采用先梁后拱的施工顺序。本文结合某实际工程案例,从施工难度、施工质量、施工安全、经济性、施工进度五个方面对比分析了原位支架大节段浮吊拼装和异位支架+滑移+竖直提升法两种钢管拱施工方案,最终选定原位支架大节段浮吊拼装法施工,并建立有限元模型,对支架和拱肋进行验算,验证了方案的可行性及安全性。     

西安城墙在地铁建设与运营中的保护措施分析

西安地铁已建和在建的地铁线路多次穿越西安城墙及护城河,如何保证古城墙在地铁建设和运营期间的安全成为较为突出的问题。结合城墙的自身结构问题与工程地质情况的特殊性,通过对比分析相关工程资料和文献,指出:施工阶段,双线分离规划线路是盾构安全下穿城墙的重要前提,合理的土仓压力和注浆参数加之连续施工是盾构安全下穿最主要的主动防范措施,城墙地基土层注浆加固加之门洞钢架支护是盾构安全下穿必要的被动防范措施;运营阶段,采用钢弹簧浮置板道床可以明显减小地铁列车穿越城墙时引起的振动,保证地铁运营期间古城墙的安全。     

黄土隧道洞口段饱和滑坡体处理

某新建铁路刘坪隧道出口段穿越不稳定富水饱和黄土地层,洞口段为疑似滑坡体。为保证工程施工及运营安全,采用现场钻孔补勘和水文地质调查等方法,确定了滑坡体的规模、滑动方向,结合区域地质构造,分析了洞口段滑坡体的成因,并结合施工过程,提出了洞外设置防护桩及坡脚反压回填、洞内超前帷幕注浆与基底加固等相结合的处理方案。目前,该隧道已贯通。实践证明:(1)防护桩及坡脚反压回填对控制滑坡体位移效果明显;(2)帷幕注浆能有效提高土体稳定性;(3)帷幕注浆能有效减少洞内涌水,并可降低土体含水率约10%。     

道岔区钢弹簧浮置板轨道结构静力分析

为研究道岔区钢弹簧浮置板轨道结构的受力特性,为道岔区钢弹簧浮置板的设计和使用提供依据,根据国外道岔区钢弹簧浮置板的设计,并结合某地铁线路道岔区的线路条件,建立了道岔区钢弹簧浮置板轨道的三维有限元模型,分析直向和侧向施加静荷载时道岔浮置板的纵横向弯矩包络图、应力以及基本轨和里轨垂向位移差的分布规律,并比较荷载作用在道岔浮置板直股和曲股以及正线浮置板时,钢弹簧浮置板弯矩包络图的区别。通过分析得出道岔区钢弹簧浮置板沿纵向和横向的受力虽不均匀,尤其是转辙部位和辙叉至道岔浮置板后端部位,但是道岔浮置板所受弯矩和应力以及基本轨和里轨的位移差都在允许范围内。