盾构隧道结构计算分析方法研究

为了应对盾构隧道因复杂赋存环境、多元结构形式及使用功能所面临的计算模型精细化、荷载取值合理化、计算模型精准化等高要求,通过调研盾构隧道结构分析方法的发展现状,综述了当前盾构隧道结构计算分析中荷载计算方法,并结合近10年来笔者所开展的相关研究工作对盾构隧道静、动力分析方法与计算模型进行了汇总和梳理。在盾构隧道荷载取值方面,阐述了深层空间水土荷载作用机理、施工阶段流固耦合效应以及岩质地层地震荷载合理取值等方面的问题及进展;在结构分析理论及模型方面,重点论述了盾构隧道整体化分析方法的内涵及思路、盾构隧道复杂接缝面力学行为、基于接头非线性抗弯刚度计算的结构分析方法以及结构整体受力特征及破坏模式的试验与实测手段验证三方面取得的成果;综述了以地层-结构组合体系反应位移法和纵向广义反应位移法为代表的盾构隧道横、纵向抗震分析方面的研究成果,并对盾构隧道结构分析中考虑耐久性因素的研究现状做了介绍。最后,针对大深度、高水压、特殊环境等盾构隧道工程的建设形势,展望了盾构隧道结构分析方法的发展趋势。     

长江隧道衬砌结构地震响应的三维数值分析

以武汉长江隧道为工程依托,运用Ansys软件对盾构隧道在水平、竖向双向耦合地震作用下采用3种不同衬砌材料的地震响应进行三维数值模拟,分析这3种工况下隧道衬砌结构的不同部位上应力和位移的分布状况,探明了盾构隧道在地震作用下衬砌结构的动力响应规律,找出了衬砌结构的受力最薄弱部位,研究可对盾构隧道的抗震设计提供理论参考.     

深软场地盾构隧道横向地震反应分析

为了研究强震作用下深软地层盾构隧道的地震反应特性,以某海底盾构隧道为工程背景,选取不同的隧道横断面,采用弹性力学孔口问题解,分析了盾构隧道横向地震内力;分别采用反应位移法、反应加速度法对盾构隧道横向地震反应分析,并与动力时程分析结果进行对比。主要结论:圆形隧道结构的内力沿环向呈鹅蛋形分布,轴力和弯矩的最大值分别处于拱肩和拱脚位置;反应位移法和反应加速度法的计算结果差异很小,且两者的差异受地震动强度、频谱特性等因素的影响较小。     

盾构隧道结构设计模型综述

基于盾构隧道结构设计中常用的荷载－结构法,对盾构隧道的结构设计模型进行了全面归纳和总结,系统介绍了用于盾构隧道结构设计的结构模型及荷载模式,并分析了各模型的适用条件以及存在的问题。     

单双线盾构隧道下穿对油罐群变形影响的数值分析

随着城市建设的不断推进，城市建（构）筑物日渐密集，新建盾构隧道不可避免地会下穿既有建（构）筑物。分析盾构穿越对周边结构在全寿命周期内的影响，对既有结构物的维护极为重要。基于此，本文采用三维有限元方法分析某越江盾构隧道穿越工程地面油罐群变形的影响，重点研究施工期隧道穿越、运营期隧道内发生火灾及地震工况下地面油罐群的沉降情况，并对比分析采用单管双层盾构与双管单层盾构隧道建设方案造成的影响。研究结果表明： 施工期盾构顶推时，双管盾构造成的地层扰动大且范围广，故双管方案导致的地表油罐群沉降及倾斜率大于单管方案；当油罐群下方范围隧道发生火灾时，双管盾构同时发生火灾对油罐群的变形影响大于单管盾构发生火灾时带来的影响，而双管盾构中某一条隧道发生火灾对油罐群的影响介于以上二者之间；地震作用下，建设单管隧道与双管隧道后地面油罐的地震响应相对于未建隧道时的地震响应差异不大。     

武汉地铁工程紧邻四孔平行盾构隧道的地震响应分析

针对国内少见的武汉地铁工程紧邻四孔平行盾构隧道,为其评价抗震性能,采用有限元法计算分析了在武汉人工合成波作用下的三维地震响应规律:地震荷载引起隧道结构剪力增幅较大,轴力增幅较小,水平位移最大值仅1.93cm。计算分析结果表明,紧邻多孔隧道满足抗震要求。     

基于时程分析法的地铁盾构隧道抗震设计

地铁工程一旦遭遇地震作用的破坏,后果严重。目前地铁隧道常采用盾构法施工,为研究地震作用对盾构隧道的影响,先分析盾构隧道的抗震性能目标,再提出基于直径变形率的盾构隧道在性能要求I时和性能要求II时的变形限值,后采用midas软件进行非线性时程分析。分析表明,在E2地震作用下,盾构隧道承载力满足规范要求,变形满足性能要求I,即中震弹性;在E3地震作用下,盾构隧道变形满足性能要求II,即大震局部弹塑性。     

超大直径过江盾构隧道口字件不同连接型式地震响应特征研究

随着隧道设计施工技术的快速发展,水下超大直径盾构隧道在跨越江河中日益频繁。口字件在大直径公路盾构隧道断面结构采用较多,其具有施工速度快、充分利用断面空间资源等优点,一般采用预制装配式结构,与隧道管片的连接一般采用铰接或者刚接方式,在地震荷载作用下,口字件的不同连接方式对隧道断面结构的地震内力响应不同,为了对超大直径过江隧道盾构段的抗震设计提供可靠的依据,利用ABAQUS有限元分析计算软件,考虑50 a超越概率2%地震波加速度时程曲线(重现期2 475年),选取了4个代表性断面,采用时程分析法对盾构段隧道口字件部位在刚接与铰接的情况下的地震响应特征进行了计算对比研究。结果表明:在铰接的情况下,口字件部位截面的最大轴力有所减小或保持不变;当埋深较浅时,最大剪力略有减小,当埋深较深时,口字件部位最大剪力有所增大;采用铰接的情况下,最大弯矩均有所减小或保持不变,铰接部位的弯矩有显著减小,口字件部位最大变形有所减小或保持不变;从隧道抗震的角度来讲,口字件部位采用铰接的方式要优于刚接;在铰接的情况下,口字件部位轴力最大值向非铰接侧偏移,弯矩与变形的最大值向底板部位偏移,在隧道抗震设计中应对以上部位进行重点关注。     

盾构隧道-工作井节点振动台试验设计与分析

为研究盾构隧道-工作井节点地震响应特征,进行振动台模型试验。该试验几何相似比为1∶60,盾构隧道模型材料为聚乙烯,工作井模型采用尼龙材质进行3D打印技术制作;模型土采用砂与锯末按1∶2.5质量比混合配置;模型箱尺寸为10.0m×4.5m×1.5m的刚性箱。盾构隧道模型由衬砌环模型拼装而成,衬砌环模型纵向切槽模拟纵缝对管片横向刚度的弱化;通过环间卡扣式连接键模拟纵向螺栓,通过旋转模型拼装角度模拟管片错缝拼装。首先进行自由场模型试验,考虑不同地震动输入,得到模型土加速度响应;其次开展盾构隧道-工作井节点振动台模型试验,考虑不同地震动输入方向、不同地震动类型,得到隧道模型环缝张开量、加速度响应、环向应变等数据。研究结果表明:模型箱结构设计合理,边界条件满足要求,试验数据可靠;工作井模型和盾构隧道模型加速度响应频率成分相同,均受模型土控制,两者差异主要为加速度响应幅值不同;盾构隧道-工作井节点在地震作用下环缝张开量明显大于远离该节点的常规区段,前者为后者的1.6~4.5倍;地震动输入方向会导致区间段隧道模型环缝张开量明显变化,但对盾构隧道-工作井节点环缝张开量无显著影响;地震作用下盾构隧道-工作井节点会使工作井模型产生较大环向应变,但不会造成节点处盾构隧道模型环向变形增大。     

隧道管片拼装常见问题分析

管片拼装是盾构施工中的一个关键环节.由于管片拼装与隧道开挖同时进行,隧道设计轴线、盾构轴线、管片轴线三者在施工中存在不同的位置关系,压浆的作用荷载和土压力荷载,在盾构后方的衬砌环中引起变形,管片环面的平整度、千斤顶与管片的接触角度等因素都会造成管片拼装的工程问题.结合工程实际,总结了管片拼装中易出现的6类工程问题,对每一类工程问题从现象人手认识问题,剖析产生的原因,在此基础上提出预防的方法和治理措施,进而确保隧道管片的拼装质量,提高隧道使用的安全性与耐久性.     

盾构下穿施工对既有桩基承载性能的影响研究

针对地铁盾构隧道近接桩基施工情况,利用有限元软件,在考虑前方土体受到刀盘施工扰动、土仓压力、盾尾注浆作用等施工参数下,对盾构隧道动态施工中正上方桩基的承载性能进行了数值计算。结果表明,盾构施工对桩基沉降和承载力损失较大的区域主要集中在刀盘距桩轴线+6~-12m之间;盾构正下方穿越既有桩基时,存在一个特定安全施工距离,约为3m;盾构隧道施工前桩基承受的荷载不同,盾构施工过程对桩基承载力的影响也就会不同。     

盾构隧道穿越液化地基上浮振动台试验分析

随着城市地铁线路不断增加,可能出现盾构隧道穿越液化地层的现象。一旦发生地震,盾构隧道存在上浮破坏的潜在风险。为深入研究盾构隧道周边液化地层的动力响应,针对相同密实度砂土在3种不同峰值加速度作用下开展室内振动台试验,分析土体中超静孔压的发展特性和隧道上浮规律。结果表明： 1）砂土液化最先发生在地表及浅层土体处,随着深度增加砂土液化程度逐渐降低,即增加隧道埋深有利于降低隧道液化程度。2）模型试验揭示盾构隧道的上浮机制,即使液化地基未完全液化,当超静孔隙水压力引起的上浮力大于隧道残余上覆有效土压力与隧道重力之和时,隧道将出现上浮。设计时可从消除液化地基和增加隧道重力2个方面入手,提高盾构隧道的抗上浮能力,确保隧道结构在地震时的安全。     

盾构隧道管片接缝密封垫防水性能及受施工荷载影响研究

为研究盾构隧道接缝密封垫防水性能及施工荷载对其影响,依托某地铁盾构隧道工程自主研制密封垫防水性能足尺试验装置,设计并开展相应的足尺试验。在此基础上,建立密封垫数值分析模型并结合试验结果验证了其可靠性。借助数值分析得到了不同错台量条件下的密封垫防水性能变化规律。最终,构建了盾构隧道三维荷载-结构模型,综合考虑注浆压力、千斤顶推力和盾尾刷反力等施工荷载,探究了接缝变形特征及其对密封垫防水性能的影响情况。研究结果表明:极限状态下工程原设计密封垫无法满足设计水压要求;接缝错台量增大将导致密封垫偏心受压越发严重,可能引起欠压侧支腿翘起;相同施工荷载下,最大环缝变形为最大纵缝变形的1.5~2.0倍,环缝密封垫防水性能降低程度更大;确定密封垫极限状态时有必要考虑施工荷载造成的接缝变形。所提出的足尺试验装置能够很好地实现试验目的,相应方法与结果可为后续盾构隧道接缝密封垫防水性能足尺试验研究提供参考和指导。     

长江漫滩地区深基坑施工对盾构隧道影响及应急保护研究

为研究长江漫滩地区深基坑工程对邻近盾构隧道的影响因素,验证在该特殊土层实施针对性综合保护应急措施的可行性,以长江漫滩地区深基坑工程盾构隧道应急保护实际案例为背景,依据前期施工阶段监测资料,分析出该地质条件下深基坑施工对周边盾构隧道结构变形的主要影响因素为降水、侧向卸载及附加荷载。采用修正惯用法对各影响因素进行定量分析,针对后续施工叠加影响采取相应施工控制及隧道加固等综合保护应急措施。实施处置措施前后监测数据对比及反分析得出,长江漫滩地区邻近盾构隧道深基坑在设计、施工期间应着重对基坑降水、卸载及附加荷载进行控制,当盾构隧道出现结构安全问题时,采用综合保护应急措施可取得显著治理效果。     

盾构隧道联络横通道地震响应振动台试验

为探讨盾构隧道与联络横通道采用不同连接方式时的地震响应特性,基于考虑横向弯曲刚度有效率的等效刚度模型,采用4~28Hz的正弦拍波作为输入地震波,开展了几何相似比为1∶40的振动台模型试验,模型制作中将盾构隧道与联络横通道分别浇筑后采用不同刚度的材料进行粘接,以模拟盾构隧道与联络横通道的刚性连接方式和柔性连接方式,同时研究了地层和结构的加速度响应规律以及结构关键位置处的应变频谱特性。研究结果表明:地震动沿隧道横断面方向输入时,地层在竖直方向上加速度放大倍率随高度增加而增大;盾构隧道与横通道连接位置拱顶处的环向应变远小于纵向应变;盾构隧道与横通道连接位置拱脚处的主应变响应峰值最大;刚性连接下联络横通道对盾构隧道衬砌应变影响区域在3倍横通道横断面宽度范围左右;柔性连接可有效减小盾构隧道和联络横通道结构上各点的应变峰值,但不会改变其频谱特性;柔性连接可使联络横通道对盾构隧道衬砌应变影响范围减小至2倍横通道横断面宽度左右。     

砂卵石地层地下水对盾构隧道影响的离散元流固耦合分析

为探明砂卵石地层中地下水对盾构隧道衬砌上的土压力以及地层变形的影响,以成都地铁2号线为依托,采用颗粒流方法,从细观角度模拟分析地下水对盾构隧道衬砌荷载分布以及地层扰动的规律,研究盾构隧道动态施工过程中及后期稳定后的水、土压力分布。研究表明： 考虑地下水工况时的衬砌荷载小于不考虑地下水的工况,开挖后地下水位越高,衬砌荷载越小;地下水分布影响隧道开挖后洞周应力重分布,拱顶处受到的影响最大,拱肩处受到的影响最小;盾构隧道开挖后,拱顶上方存在一定范围的松动区,在松动区上方一定范围形成坍落拱,起到承载作用,同时将上方土荷载有效地传递到洞周两侧。考虑地下水时,由于有效应力减小,地层变形相应减小,地层受盾构施工扰动的影响减弱。     

超高水压越江海长大盾构隧道工程安全

随着中国交通建设和城市建设的迅猛发展,越江跨海盾构隧道工程大量增加,而且工程规模(隧道的直径和长度等)和水压条件也在增加。现阶段,仍未明确定义高水压,但一般以0.5 MPa作为高水压的分界线。近期,中国在长江、黄河以及珠江等所建设的高铁、公路以及地铁等盾构隧道工程水压均超过了0.5 MPa,正在筹划建设的琼州海峡隧道等水压更大,将高达2.0 MPa,面临巨大挑战。为此,国家决定针对超高水压(2.0 MPa)越江海长大盾构隧道工程安全问题展开“九七三”计划基础研究。研究采用理论分析、物理试验(室内、室外试验和模型试验)、数值模拟分析和监控测量等多种手段,针对其中涉及的多元、多相和多场耦合物理本质,对高水压水土与结构静动相互作用机理、盾构掘进中的动静力学机理、隧道结构特性及防水特性动态演化机理等核心问题进行深入系统的基础研究,提出了高水压下考虑渗流条件下的水土荷载计算理论和深水盾构隧道地震分析方法,建立了“机-土”动态作用力学模型,提出了盾构姿态、刀具磨损、开挖面稳定和高压成膜及闭气控制方法,提出了高水压大直径盾构隧道衬砌结构设计理论和高水压盾构隧道接缝长期防水安全与监控技术,最终形成超高水压越江海长大盾构隧道工程安全控制理论体系。为确保超高水压越江海长大盾构隧道工程安全提供设计理论依据,为实现大直径泥水盾构在超高水压等复杂条件下安全长距离施工提供理论支持。     

盾构隧道下穿机场的结构设计与施工沉降控制研究

随着机场为核心的城市综合交通枢纽、机场捷运系统的发展,地下结构下穿机场的工程逐渐增多。现以某机场捷运工程盾构下穿运营飞机滑行道为背景,对盾构隧道下穿机场的重点问题进行研究。通过对飞机荷载的合理等效计算,确定盾构埋深与飞机荷载取值的关系。结合工程实例,对下穿滑行道盾构管片进行受力分析并提出构造措施。研究盾构埋深及地层损失率对机场道面沉降的影响,总结控制盾构沉降的相关措施。     

超大直径盾构隧道纵向弯曲变形性能分析模型研究

基于某大型海底盾构隧道工程，建立了考虑螺栓非线性本构特征的超大直径盾构隧道纵向不连续实体模型，采用简易的荷载模式，对其纵向弯曲变形性能进行分析。结果表明:①对于超大直径盾构隧道而言，平截面假定不再适用；②随着弯矩值的增加，盾构隧道的纵向变形呈现出明显的弹塑性特征，其中性轴的位置几乎不发生变化；③螺栓的规格对盾构隧道的纵向变形影响显著，同等量值弯矩作用下，螺栓直径越大，隧道的变形越小。     

类矩形盾构隧道结构整体安全性试验与分析

为研究类矩形盾构隧道结构在意外堆载工况下的整体安全性,针对2环纵向接缝构造相同,管片配筋不同的衬砌结构进行整环足尺加载试验。试验通过30点集中荷载模拟类矩形盾构衬砌结构在意外堆载工况下的实际受力,利用位移计和电阻应变片等传感器得到类矩形盾构隧道结构在意外堆载工况下的破坏过程、结构变形、接缝变形及螺栓应变等试验结果,对其进行分析得到了类矩形盾构隧道结构在意外堆载工况下的破坏机理;并对比分析了2环试验结构试验结果,探究了不同管片配筋量对结构受力性能的影响。最后,从结构鲁棒性角度出发,分析了意外堆载工况下类矩形盾构隧道结构的鲁棒性指标,对类矩形盾构隧道结构整体安全性进行评价,并通过对比分析2环试验结构的鲁棒性指标,为提高类矩形盾构隧道结构整体安全性提出管片优化设计的建议。研究结果表明:类矩形盾构隧道衬砌结构的薄弱环节为管片间的纵向接缝及T块与中柱连接处;纵向接缝构造形式相同前提下,管片配筋量增加对纵向接缝受力影响不明显,不能使类矩形盾构隧道结构的鲁棒性明显提升;管片截面抗剪不足导致结构局部破坏而失去承载力不利于结构的鲁棒性,可通过优化管片本体截面的抗剪承载力提高类矩形盾构隧道结构的整体安全性。