盾构斜井结构内力分析及其极限状态评估

对神东补连塔煤矿#2 辅运平硐盾构斜井工程安全性，采用一种盾构斜井的内力分析及极限状态方法进行评估。斜井的内力受围岩蠕变效应和同步注浆浆液硬化效应的影响，结合盾构斜井管片接头刚度非线性的特性，运用有限元软件ANSYS模拟，求得内力随时间呈增大趋势。改进的极限状态评估方法主要分为:管片拉压、管片剪切和管片接头的安全评估，再根据内力分析方法可对斜井一段时期内的承载能力进行安全评估。结果表明:补连塔#2 号盾构斜井计算断面在同步注浆后1年之内的极限状态评估满足设计要求     

深部盾构斜井管片衬砌内力分析

以神华新街煤矿深部盾构斜井为工程背景,运用有限元软件ANSYS,建立管片衬砌-斜井围岩的二维模型,研究了衬砌围岩间两种接触作用和管片衬砌两种接头刚度模拟方式对斜井衬砌受力特性的影响。结果表明:在煤矿盾构斜井计算模型中,由于摩擦系数取值随意性大且计算收敛性差,衬砌围岩之间采用节点位移耦合接触作用更为合理;由于非线性抗弯刚度一般根据管片接头试验取值,计算结果相对合理,管片衬砌应采用非线性接头刚度。     

扬州瘦西湖盾构隧道衬砌结构受力的现场试验研究

以扬州瘦西湖盾构隧道为背景,对管片衬砌结构在施工期和后期的结构荷载和内力进行现场追踪试验,探讨施工阶段同步注浆对隧道衬砌结构受力的影响,总结隧道衬砌结构荷载和内力在施工阶段随时间的变化规律。研究结果表明:现场测试方法可以较为全面准确地得到隧道衬砌结构荷载和内力在施工期的分布;衬砌结构荷载总体随时间呈先减低后趋于平稳的规律,施工期的注浆作用会使衬砌结构荷载大于稳定后的结构荷载;衬砌结构内力在注浆阶段不稳定,注浆作用对结构的轴力影响较大。     

异形盾构施工注浆工况下衬砌结构受力分析与荷载设置

为更加精细化地指导大断面异形盾构隧道施工注浆荷载下的结构设计工作,依托宁波地铁3号线类矩形盾构隧道工程,探索施工荷载注浆工况下衬砌结构的受力特征,研究同步注浆填充阶段真实的浆液扩散过程及其压力分布规律,针对既有设计模型中注浆工况下的荷载施加模式、注浆填充扩散压力分布计算模型以及特殊工况下的实际受荷情况进行综合分析。结果表明： 按注浆填充扩散压力分析的结构受力较为均匀,而既有设计模型注浆工况和特殊条件下的荷载分布会使得管片结构受力更加不利,建议在类矩形盾构衬砌结构注浆工况设计模型中考虑浆液环向填充扩散机制对应的结构受力模式为基础,在拱顶、拱肩、拱腰及拱底处分别叠加100、150、200、250 kPa的分布压力较为合适。     

考虑接头非线性的壳-接触盾构隧道衬砌计算模型研究

处于低轴力水平、复杂受力过程的盾构衬砌,如输水盾构隧道、联络通道以及盾构法车站等工程施工全过程对应结构形式,其模型计算对隧道环纵缝接头刚度和强度随衬砌内力的非线性变化提出更高的要求。为解决上述具有特殊使用功能的盾构隧道衬砌内力计算中接头刚度非线性变化明显的问题,提出一种盾构衬砌管片计算模型——壳-接触模型,该模型考虑环纵向螺栓在管片厚度方向的空间分布,在管片接头处采用"压剪耦合"的设计理念。以接头抗弯数值模型与室内抗弯试验结果对比反映模型对接头弯曲特性模拟的合理性;通过与壳-弹簧模型分析结果对比,由管片错台差异体现模型接头整体抗剪刚度、抗剪强度的非线性特征,由环向螺栓力学差异确定模型在接头处于压弯力学组合状态下螺栓对衬砌刚度的实际贡献,由此验证壳-接触模型对衬砌力学行为模拟的合理性。     

矩形盾构隧道管片衬砌施工期结构性能的现场试验研究： 结合上海虹桥临空11-3地块地下连接通道工程

本文以国内首条矩形盾构隧道工程为背景,对矩形盾构衬砌结构在整个施工期的荷载及结构响应进行现场追踪测试,探索衬砌结构在施工期的主要受力阶段、结构外荷载及其响应随时间的变化规律,以全面掌握矩形盾构隧道衬砌结构在施工期的受力行为。研究结果表明： 1）衬砌结构在施工期的受力可划分为自重阶段、脱出盾尾阶段、同步注浆阶段和稳定荷载阶段; 2）脱出盾尾阶段和同步注浆阶段的结构外荷载分别为稳定荷载阶段的1.5~3.0倍和1.5~2.5倍,为衬砌结构在施工期的2个不利受力阶段; 3）稳定荷载阶段的结构外荷载及其分布与理论计算较为吻合; 4）衬砌结构在施工期的内力基本满足左右对称,内力分布特征与运营阶段基本一致。     

复合地层条件下水下盾构隧道衬砌结构受力特征研究

针对工程中常用的无衬垫接头抗弯刚度非线性的特点,采用描述接头轴力、弯矩及转角关系的解析公式,提出盾构隧道衬砌结构受力计算的迭代计算方法。基于南京市纬三路过江通道的工程背景,分析了接头抗弯刚度的取值对盾构隧道衬砌结构受力及变形的影响,对工程中遇到的典型土岩复合地层中衬砌结构的受力进行了计算。计算表明,所提出的迭代计算方法简便易行,收敛较快,复合地层中衬砌结构的受力分布与均一地层中相差较大。复合地层的作用使得衬砌结构内力分布更不均匀,可能使得某一部分管片内力显著增大,设计时需要针对实际地层分布形式进行计算。     

围岩蠕变对运营隧道衬砌安全性的影响

为探究在软弱围岩隧道运营期间围岩蠕变效应对二次衬砌安全性的影响,以九景高速公路隧道为依托,以Ⅳ级围岩区段二次衬砌支护结构为研究对象,采用室内试验和数值模拟手段,首先对该围岩区段泥质粉砂岩在不同应力水平下的单轴蠕变特性进行了室内试验分析,并采用Cvisc模型对蠕变试验数据进行了非线性拟合,获得了Cvisc模型的蠕变参数。然后,利用FLAC3D软件建立了两车道公路隧道三维数值模型,研究了单考虑围岩蠕变作用和同时考虑隧道埋深对运营隧道衬砌结构安全性的影响。结果表明:非线性拟合相关性系数在0.92～0.96之间,可认为Cvisc模型能够很好地描述泥质粉砂岩的衰减蠕变和稳定蠕变关系;单考虑围岩蠕变作用,在同一支护时间,二次衬砌安全系数较高的位置支护结构承受的围岩压力相对较小,围岩的蠕变变形量较大,但过小的支护承载又会导致围岩蠕变变形而增加围岩压力,进而不利于运营隧道衬砌结构的长期安全;同时考虑隧道埋深的影响,二次衬砌支护结构的承载随着隧道埋深的增加而减小,即围岩自身能够承担较大部分的因蠕变变形而增加的围岩压力,从而对运营隧道衬砌结构的长期安全有利。     

狮子洋隧道同步注浆与二次注浆技术

狮子洋隧道为全断面穿越基岩地层的大直径盾构隧道,在基岩地层施工过程中发现的同步注浆浆液流失的问题不同于一般软土盾构隧道,同步注浆浆液需改善其抗水分散性。通过在浆液中掺水溶性的有机絮凝剂的方式调制抗水分散同步注浆浆液,并采取同步注浆与适当的二次注浆相结合的注浆方式保证壁后填充效果。施工后采用探地雷达对全盾构隧道壁后注浆层进行检测,以确保盾构结构安全稳定。     

环向接头刚度对矩形管片力学特性的影响研究

为了保证盾构隧道衬砌结构的安全性,通过工程试验数据,利用均质圆环法和梁-弹簧模型,对比分析了考虑管片环向接头刚度与否对衬砌结构力学特性的影响;并对环向接头刚度值的大小对衬砌结构力学特性的影响做了分析,得出了矩形盾构隧道衬砌结构的内力和位移随环向接头刚度值的变化规律,同时利用工程试验数据与仿真结果作了相互映证。     

大断面上新统红色泥岩（NCr2）隧道支护受力特征研究

甘肃庆阳新近纪上新统红层由于特殊的成因,其工程力学特性与南方红黏土有较大差别。为系统研究穿越该地层大断面隧道支护结构的受力特征,以银西高铁庆阳隧道为研究对象,通过现场实测和有限元模拟获得衬砌结构内力、围岩压力、5~10 m围岩深部位移、支护收敛变形的时空分布特性,对现场监测结果体现的衬砌-围岩复合结构受力状态产生的原因进行分析,并利用ABAQUS软件模拟隧道开挖过程以对比验证衬砌结构受力规律,得出该地层隧道地应力、围岩压力、衬砌结构内力特征。研究结果表明： 1）围岩各项指标属于极硬土-极软岩临界范畴。2）该地层衬砌结构围岩质量较好,水平地应力为垂直地应力的2倍,可优化为Ⅲ-Ⅳ级围岩进行设计的同时增大侧压力系数。3）未闭合的初期支护不能有效限制围岩变形,可通过设置临时仰拱等措施改善受力状态;数值模拟结果与现场实测规律相符。4）该地层变形剧烈区为洞周开挖界限向围岩内1倍洞径范围,变形区域主要集中在拱顶;延迟开挖仰拱可有效减少仰拱内衬砌结构受力。     

活动断层粘滑错动条件下地铁隧道结构的受力特性分析

为探明拟建的乌鲁木齐轨道交通1号线在主城区通过九家湾断层粘滑错动条件下地铁隧道结构的受力特性,基于断层形成机制与连续介质分析方法,建立表征围岩与支护结构共同变形关系的地层结构模型,研究不同构造条件下隧道衬砌结构横向内力分布、纵向受迫影响效应,分析整体式隧道衬砌结构的内力、变形及塑性区分布规律。     

破碎泥质岩隧道滞后形变与衬砌刚度关系规律试验研究

为了解破碎泥质岩隧道滞后变形与衬砌刚度的关系,以云桂铁路小寨隧道工程为依托,通过室内模型试验对小寨隧道实际开挖、支护及支护完成后围岩的劣化过程进行模拟,对围岩劣化过程中二次衬砌的围岩压力、位移及内力的变化规律进行研究。研究结果表明： 衬砌刚度对于控制泥质岩隧道滞后变形有着重要的影响; 二次衬砌的刚度越大,其承受的围岩压力及内力越大,则最大弯矩越大,容易出现开裂;针对小寨隧道的实际情况,30 cm的初期支护+I25b型钢钢架+40 cm的C35钢架混凝土二次衬砌是较优的支护结构设置。     

不同围岩和埋深条件下土-结构接触界面对衬砌结构横向地震响应特性的影响分析

土与地下结构在强震作用下易发生错动滑移,会对地下结构的抗震性能产生较大影响。为确保隧道的长期安全性,运用有限元分析方法研究不同围岩和埋深条件下土-结构接触面对盾构隧道衬砌结构横向地震响应特性的影响。结果表明： 1)随着土质条件的提高,无论土-结构接触界面有无考虑错动滑移情况,隧道衬砌结构的轴力极值均显著增大,而剪力和弯矩极值均显著减小,且由土-结构接触界面错动引起的隧道衬砌结构动内力变化幅度显著减小; 随着隧道埋深的增加,由土-结构接触界面错动引起的隧道衬砌结构动内力变化幅度逐渐减小。2)考虑土-结构接触界面错动滑移时,随着土质条件的提高和隧道埋深的增加,隧道衬砌各部位水平滑移量均逐渐减小。3)当隧道围岩条件较差或埋深较浅时,隧道衬砌结构的横截面抗震设计应充分考虑土-结构接触界面对隧道抗震性能的影响。     

裂隙岩体中渗流作用对隧道围岩稳定性的影响分析

隧道穿越节理裂隙发育地质环境时，水压力以及节理裂隙发育程度会对开挖后围岩的稳定性产生影响。以某隧道为工程背景，运用离散元理论，考虑流固耦合作用，分析了水位高度和节理法向刚度对隧道开挖后洞周位移收敛、围岩剪应力及塑性区、支护结构受力的影响。计算结果表明:在一定范围内，水位高度和节理法向刚度越大，围岩塑性区的范围越小，衬砌结构受到的内力越小，隧道越安全。     

大断面公路隧道二次衬砌受力特性模型试验

为研究大断面公路隧道运营期二次衬砌受力特征,开展室内相似模型试验,采用主动加载方式模拟隧道在运营过程中承受的围岩压力,对3车道和加宽带2种断面二次衬砌受力、变形及破坏规律进行研究。试验结果表明： 1）按规范设计的大断面隧道衬砌结构在设计荷载作用下内力和变形均较小,结构具有较高的安全储备; 2）衬砌各截面内力（弯矩、轴力）随围岩压力的增加呈现先慢后快的增加趋势,偏心距则呈现逐渐减小的变化趋势; 3）开挖断面越大,内力控制截面越多; 4）开挖断面大小对衬砌变形及破坏形态也有一定影响,断面越大,拱顶、边墙变形越大,衬砌各部位开裂荷载差异越明显,且衬砌开裂过程持续时间越长。     

基于截面分条法的“人”字形柔性桩结构试验研究

利用桩截面分条计算方法对“人”字形柔性桩结构现场试验的数据进行分析整理,研究了“人”字形柔性桩结构在水平荷载作用下,桩身弯矩和轴力的变化规律、桩截面应力分布及桩身组成材料的荷载分担特征。结果表明:柔性桩结构的桩身弯矩分布具有明显的结构整体承载特征;桩身轴力受周围岩土介质等影响,其分布变化比较复杂;桩身轴力值一般比桩身弯矩值大一个数量级,说明“人”字形柔性桩结构能够充分发挥桩体材料性能;柔性桩截面内力主要由其中钢筋提供,即提高配筋率,可显著提高柔性桩截面内力。     

高应力泥质粉砂岩非线性蠕变损伤模型研究

为了研究高应力作用下泥质粉砂岩蠕变损伤特性,针对深埋硐室围岩和高陡边坡长期受高应力作用产生的蠕变影响,采用三轴流变试验仪对泥质粉砂岩进行分级增量加载研究其蠕变损伤特性。通过蠕变试验结果分析高应力泥质粉砂岩在硬化和软化2个阶段的不同损伤演化规律,硬化阶段考虑弹性模量、应力水平和应力作用时间综合影响的蠕变损伤效应;软化阶段基于损伤力学原理分析泥质粉砂岩在高应力作用下的蠕变损伤演化特性。通过建立考虑不同因素影响下的高应力泥质粉砂岩损伤演化方程,最终构建符合其蠕变特性的非线性蠕变损伤本构模型,并对改进后的蠕变模型参数进行识别反演。研究结果表明：高应力泥质粉砂岩的蠕变呈现明显的非线性特征,且蠕变硬化和软化特征明显,硬化阶段蠕变损伤变量随着应力水平的增大而增大,且随着时间增加而趋于稳定值;软化阶段蠕变损伤因子随应力水平和时间的增加呈明显的增长趋势,由此可见,高应力泥质粉砂岩蠕变在不同阶段其损伤受应力水平和应力作用时间的影响呈现明显的正相关趋势,说明该模型能够较好地反映泥质粉砂岩在高应力作用下应力水平与时间效应对蠕变损伤特性的影响,试验曲线与理论模型较为符合,研究成果可对高应力泥质粉砂岩深埋硐室及巷道围岩支护提供理论指导意义。