山岭隧道预制拼装二次衬砌结构设计及计算方法研究

为探索地铁双线山岭隧道中采用预制拼装二次衬砌结构的技术可行性,首先,提出地铁双线山岭隧道结构设计方案,其中二次衬砌采用预制拼装及错缝拼装形式;然后,研究结构内力计算方法,推荐采用荷载-结构法,并采用梁-弹簧模型来模拟预制拼装二次衬砌结构内的接头力学行为,并推荐采用5环梁-弹簧整体分析模型。结构配筋分析结果显示,在3种围岩条件下,30cm厚度预制拼装二衬结构的配筋均在合理范围之内,可实现一套模具适应不同地层情况的效果。     

高速铁路水下盾构隧道管片内力分布规律研究

以在建的广深港高速铁路狮子洋隧道为背景,采用自行开发的"多功能盾构隧道结构体试验系统"装置,对大断面宽幅管片衬砌结构在通缝及错缝拼装方式下环向内力的分布规律进行原型试验实测与分析,并对正弯区和负弯区目标管片表面应力的分布进行测试,同时采用数值计算进行对比分析。研究结果表明:通缝拼装管片结构内力沿幅宽的变化很小,而错缝拼装管片结构在不同荷载条件下,内力沿幅宽的分布有所差异,水压越大其差异越小;管片手孔密集区往往会出现应力集中,同等条件下正弯区表面应力状态比负弯区更为不利;管片厚度方向表面应力分布呈显著的非线性变化,高水压使其非线性变化加剧。     

地裂缝环境下盾构隧道结构性状及适应性研究

为了揭示地裂缝环境下不同拼装方式盾构地铁隧道结构性状及适应性,以拟建西安地铁8号线为依托工程,考虑采用盾构隧道穿越地裂缝场地为工程背景,建立三维有限元数值模型,对地裂缝错动作用下不同拼装方式盾构隧道结构变形与内力及适应性进行分析。主要结论:地裂缝错动时通缝拼装盾构隧道沉降变形明显大于错缝拼装盾构隧道;拼装方式对管片衬砌结构内力分布规律的影响不大,均表现为拱底位置出现管片接头挤压破坏和两侧拱腰位置受剪最为严重,但数值上通缝隧道内力更小一些;通缝隧道的环间相对垂直位错量及影响范围均大于错缝隧道。从地裂缝场地盾构隧道适应性来看,当地裂缝位错量s≤10 cm时,两种拼装方式的盾构隧道均可用于地裂缝场地,而当地裂缝位错量s10 cm时,错缝拼装的盾构隧道更适合地裂缝场地。     

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。     

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。     

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。     

地铁盾构隧道结构设计的几项优化

介绍管片衬砌内力计算的4种基础理论,结合基础理论分析模型建立的条件,以北京地铁某盾构隧道为例,计算了管片的内力大小,分析了最不利内力组合,对管片的配筋形式、配筋量进行设计,同时列举了类似工程结构设计状况。在综合考虑环宽、管片连接螺栓设计以及施工组织等因素的情况下,提出技术和经济上有利的管片优化设计方向。还介绍了因施工原因造成的管片边角局部集中受力时,为避免局部破坏,在钢筋布设方面的应对措施。     

隧道管片设计优化分析

影响管片设计的主要条件包括管片形状尺寸、管片结构设计计算方法及荷载、管片设计细节等;结合工程实例,对管片的厚度、管片环的整体偏转、管片分块与接头位置、管片拼装方式等进行了设计优化。分析认为:如简单地加大管片厚度,会导致弯矩增大,同时引起混凝土的裂缝增大;所有管片设计参数不变,只将管片环整体偏转一个角度,其受力特征会发生明显的变化;合理对管片进行分块和布置螺栓接头位置,可以改善其受力性能。     

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。     

狮子洋水下盾构隧道衬砌结构受力的现场测试与计算分析

以狮子洋水下盾构隧道为背景,对管片衬砌在施工期和后期所受外荷载和结构内力进行长期现场追踪测试,总结衬砌结构外荷载和内力随时间变化规律。并采用三维壳-弹簧计算模型对大断面宽幅管片结构内力分布形态进行研究,与现场测试结果相互验证。研究结果表明:施工期管片衬砌脱环后容易形成无水压环箍作用下土体偏压状态;施工后期水、土压力长期随时间增长,结构内力随之增大,结构轴力较弯矩增幅明显。三维壳-弹簧计算模型适应大断面宽幅管片衬砌结构计算。试验和数值计算结果在量值和分布规律上一致。封顶块处弯矩较小,其弯矩由临近环衬砌结构承担;受环间接头错缝效应影响,幅宽边缘靠近衬砌结构纵缝处轴力发生突变。     

高水压岩质盾构隧道二次注浆压力的控制

采用梁—弹簧模型模拟盾构隧道管片衬砌结构,针对不同的二次注浆方式,包括注浆孔的布置、充填空隙的长度和注浆压力,进行力学分析。结果表明:不同注浆方式下管片结构的力学特征不同,在注浆压力及所填充空隙长度相同的条件下,不对称注浆对管片结构的受力最不利;在注浆方式相同、注浆压力和所充填空隙长度不同的条件下,管片结构的内力和变形形状相同,但内力和变形的大小不同,随着注浆压力和所充填空隙长度的减小,管片结构的内力和变形减小。在岩质盾构隧道施工中,二次注浆所充填的空隙长度是不确定的,故从安全出发,最大二次注浆压力应控制在0.6 MPa以内,注浆压力的下限值可由能注入浆液进行控制。     

二衬厚度对盾构隧道双层衬砌纵向力学性能的影响

盾构隧道作为一种复杂的三维线性地下结构,容易受围岩特性不均等因素影响产生不均匀变形,引发结构局部破坏等病害。为研究双层衬砌盾构隧道在运营过程中的纵向力学行为,结合武汉地铁8号线越江隧道工程,建立纵向三维壳-弹簧力学分析模型,结合工程实际探讨二次衬砌厚度对盾构隧道双层衬砌力学性能的影响,以期获取合理的二次衬砌厚度取值。研究结果表明:(1)盾构隧道双层衬砌结构的纵向等效弯曲刚度随二次衬砌厚度增加呈线性增加;(2)施作二次衬砌可降低隧道纵向不均匀沉降量及管片间的错台量,二者随二次衬砌厚度增加而减小,但幅度不大;(3)在隧道纵向出现极端不均匀变形条件下,施作二次衬砌会导致位移突变点附近部位的管片局部内力及环缝张开量增大;(4)综合分析盾构隧道管片衬砌变形及受力,同时考虑工程造价和二衬是否设置配筋等因素,对于直径12 m级盾构隧道,其二次衬砌厚度建议取20~35 cm。     

地铁盾构隧道管片接头刚度影响因素研究

在对我国地铁单线区间盾构隧道衬砌结构及内力统计分析的基础上,引入面-面接触单元和衬垫单元,采用三维有限元手段对盾构隧道管片纵向接头在不同轴力、弯矩、偏心矩、螺栓预紧力、管片尺寸、衬垫厚度和螺栓位置下的接缝端面转角和接头抗弯刚度进行了深入研究,通过-θM关系曲线和三维图形曲线分别揭示和探讨了不同影响因素单独和共同作用下的接缝转角和接头抗弯刚度变化规律。     

考虑围岩蠕变特性的TBM隧道管片衬砌受力特性研究

为研究深部高地应力岩层中修建TBM隧道时管片衬砌结构的力学行为,以某深埋TBM工法隧道为研究对象,建立基于围岩蠕变和管片分块效应的衬砌-围岩复合模型,研究考虑时间效应下管片衬砌的受力特性。结果表明:考虑围岩蠕变效应下管片衬砌受力表现出明显的时间效应。随着围岩蠕变时间的延长,管片衬砌的形变、内力和接缝张开量均呈现两阶段增长,具体表现为前期呈线性增长,后期增加趋缓。洞周围岩应力经历三阶段变化,即先减小后增大直至稳定。围岩蠕变时间为100年时,管片衬砌的内力和形变量均接近极限值。研究结果可为深部高地应力且考虑围岩蠕变效应下的TBM隧道衬砌结构设计提供参考。     

大断面水下盾构隧道管片设计参数及其统计分析

以国内大型水下盾构隧道的构造设计为基础,结合国外典型盾构工程实例,分析我国水下盾构隧道衬砌构造设计现状,并对管片外径与管片楔形量、管片厚度、管片分块数、标准块圆心角、标准块重力等衬砌构造设计参数的相关性进行统计分析,论述管片厚度与最大水压、管片外径与隧道最小覆盖层厚度之间的关系。研究表明:我国大型水下盾构隧道接缝构造正在向单道止水密封、非榫槽平顺接缝、通用楔形平板型管片错缝拼装方面发展;研究还得出管片外径与管片厚度、管片分块数和标准块重力之间呈正相关性等一系列结论。     

山岭隧道高水压下衬砌结构三维数值模拟

采用三维有限元数值模型,分析圆梁山隧道高水压条件下衬砌结构受力及变形特征。研究结果表明,高水压对隧道衬砌结构影响显著,在高水压作用下衬砌结构的受力和变形都较大,衬砌结构上存在较大的纵向弯矩。水荷载是隧道衬砌结构的主要荷载之一,应引起足够的重视。     

动力作用下盾构隧道接头破坏行为研究

为揭示盾构隧道接头在高速列车动力撞击下的破坏行为,通过建立盾构隧道三维数值模型,对螺栓开裂与否两种工况下的管片接头破坏情况进行分析对比,同时捕捉管片接头与螺栓的动态开裂过程。研究结论:是否引入螺栓开裂对于管片纵向接头的开裂情况有较大影响,引入螺栓开裂后管片纵向接头部位不会出现完全破坏的单元,但其裂缝张开度总体上反而有所增大。撞击荷载下,管片纵向接头率先出现开裂的部位均为弯螺栓处,且环向弯螺栓呈环状断裂破坏,纵向直螺栓纵向剥离破坏。     

逆斜切式隧道门的受力机理

采用有限元对逆斜切式隧道门的受力进行三维数值模拟分析,并用几何相似比为1∶30的模型试验结果进行验证。分析结果表明,逆斜切式隧道门结构的受力基本特征是:隧道洞口结构处于三维受力状态,按壳体结构进行设计比较合理;当进入洞内距离超过隧道洞径约2.5倍的洞身地段,纵向轴力值远小于横向轴力,且横向弯矩是纵向弯矩的6~10倍,因此在结构设计中可不必考虑纵向内力的影响,简化成平面应变问题;在衬砌突出部位与岩层的交界面上,拱顶沿隧道纵向的轴力达到最大值,而且处于受拉状态,因此对洞口段衬砌结构纵向应进行配筋设计。