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。     

盾构隧道的纵向地震响应

基于与盾构隧道纵向变形性能相似的梁单元建立盾构隧道纵向等价连续化模型,通过等价刚度的方法考察管片间接头螺栓对隧道结构刚度的影响.分别采用反应变位法和有限元法进行盾构隧道的地震响应研究和抗震性能分析,并以实例比较2种方法的有效性和应用条件.研究结果表明:在盾构隧道的纵向抗震设计时,应采用螺栓最大张开量作为设计的重要控制指标,并应尽量将隧道设计成可适应其变形的柔性结构;采用等价连续化模型进行盾构隧道纵向受力分析时,其等价弯曲刚度受轴向力的影响较大,故在单元等价弯曲刚度计算中计入轴向作用力的影响是十分必要的;螺栓进入塑性受力状态后,建议采用有限元法计算的结果进行抗震设计.     

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。     

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。     

基于纵向不均匀沉降的盾构隧道渗漏水机理分析

研究目的:对于地铁盾构隧道,由于衬砌由管片拼装而成,地铁通车运营后,盾构隧道会因多种原因产生纵向不均匀沉降,导致管片接头张开量的增加,从而造成管片之间的接缝处发生渗漏水。因此,有必要对盾构隧道渗漏水机理进行分析、研究。研究结论:隧道纵向不均匀沉降在一定程度上会造成环缝的张开,进而造成弹性密封垫防水性能的减弱、引起管片之间发生渗漏水;环缝影响长度系数对环缝张开量几乎没有影响,而不同环宽、不同螺栓与混凝土的刚度比对环缝张开量均有一定影响:较大的环宽和螺栓与混凝土的刚度比不利于管片接缝的防水。本项研究可为隧道防水设计及运营阶段的维护等提供参考。     

铁路盾构隧道双层衬砌结构耐火性能的数值模拟分析

以某铁路盾构隧道为背景,选用RABT和RWS共2种火源曲线,通过数值模拟方法,分析在不均匀温度场作用下,铁路盾构隧道管片及二衬的应力和变形、管片混凝土的劣化深度、裂缝的产生及发展,并与单层管片衬砌结构进行对比,研究铁路盾构隧道双层衬砌结构的耐火性能。结果表明:在2种火源曲线下,无论是否使用防火涂料,铁路盾构隧道单层衬砌结构都无法达到耐火设计标准,而双层衬砌管片的温度远低于250℃的耐火极限;与单层衬砌相比,施作二衬后,管片温度与应力的变化幅度受火源曲线的影响减小,管片的最大主拉应力和主压应力均减小,衬砌结构的整体刚度增加、整体变形减小;衬砌的劣化深度对隧道半径和埋深不敏感,劣化深度为125~150mm;双层衬砌盾构隧道的防火效果较好,但建议二衬的混凝土设计标号不小于C30,设计厚度不小于150mm。     

基于纤维梁单元的盾构隧道钢筋砼管片配筋优化研究

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,忽略了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,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),通过对截面刚度进行积分,获得衬砌结构精确的弯曲刚度值。此外,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,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。研究所得的优化方案在符合受力机理以及满足设计要求的同时,很大程度节省了盾构隧道的钢筋用量。     

管片错台对盾构隧道接头 力学性能的影响机理

为分析管片错台对隧道结构受力性能影响。本文以某越江地铁盾构工程为依托,建立了管片接头三维精细化数值分析模型,结合等效荷载施加方式,重点分析了管片不同错台状态下接头螺栓、管片接触面的受力演变规律,揭示了管片错台对对盾构隧道接头力学性能的影响机理,得出的主要结论有：随着错台量的增大,接头螺栓与螺栓孔间接触关系发生连续改变,影响接头螺栓受力性能;错台量越大、接头螺栓受力越大,受力集中部位从螺栓中部向螺栓两端转移,且接头螺栓所受剪应力明显增加;随着管片错台量的增大,管片接缝面混凝土实际应力发生了重分布,受力较大区域均向螺栓孔处汇集,最大、最小主应力极大值均处于螺栓孔内壁处。研究成果为盾构管片结构设计及整体安全性分析具有重要借鉴作用。     

施工期局部破损对成形管片衬砌结构性能的影响

施工期由于设计不合理、施工控制不当容易导致管片衬砌局部破损,影响成形管片衬砌结构性能。在对施工期管片破损进行致因分析的基础上,以某城市地铁施工期管片破损具体实例为依托,采用构建三维精细化有限元模型的方法,从结构内力、整体位移及破损管片局部应力等方面着手,对正常状态下与破损状态下的管片衬砌结构性能进行对比分析研究,研究提出管片破损导致管片局部刚度弱化,整环管片受力状态发生应力重分布现象,但破损前后管片变形基本无明显变化;管片局部破损导致结构受力出现变化,但其总体量级普遍偏小、结构主体材料仍处于弹性受拉范围内,无须置换管片采取常规加固即可。研究成果对盾构隧道管片破损后的性能评估具有重要指导作用。     

隧道衬砌结构地震响应的三维数值分析

运用Ansys软件对盾构隧道在不同地质条件下的水平、竖向耦合地震的响应进行三维数值模拟，分析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。     

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。     

泥炭质软土地区盾构隧道抗震性能研究

文章采用ANSYS有限元分析软件,对土体与衬砌管片组成的耦合系统进行盾构隧道抗震三维有限元分析,其中考虑了土层的内摩擦角、内粘聚力。对不利于抗震的泥炭质土层采用多线性随动强化处理,使计算结果更加真实可靠。管片采用实体梁单元模拟,地震波选取汶川地震的地震动曲线。计算结果包括隧道周围土体的时程位移曲线、管片的轴力、剪力、弯矩等。最后从地震对盾构隧道的影响,对隧道抗震性能进行了初步评估,其结论可供昆明地区盾构隧道抗震设计参考。     

海底盾构隧道双层衬砌 柔性垫层研究

针对大连地铁5号线工程梭鱼湾南站单洞双线盾构区间隧道施工建设问题,探讨岩溶发育区海底隧地铁盾构隧道支护技术。考虑岩溶发育地区工程地质情况复杂及在特殊工况,如地震作用下,结构发生附加变形时的隧道安全,提出使用盾构隧道双层衬砌结构及柔性柔性垫层,通过理论分析、数值计算等方法,分析一定强制位移条件下,不同厚度及密度的柔性垫层对盾构隧道双层衬砌结构内力分布的影响。研究结果表明：随着材料密度的增加,隧道外衬所受最大弯矩先减少后增加,而内衬所受最大弯矩先增大后减小。相同密度情况下,随着材料厚度的增加,外衬最大弯矩逐渐增大,内衬最大弯矩逐渐减小。当柔性垫层材料性能适中能提供充分的协调变形空间时,隧道内外衬砌能合理分配结构附加变形产生的内力,从而大幅提高隧道支护的安全性能。     

地铁盾构隧道与矿山法隧道接口段抗震计算研究

为确保地裂缝条件下地铁盾构隧道与地裂缝设防段矿山法隧道接口抗震设计满足要求,采用数值模拟与理论分析相结合的方法,针对西安地铁5号线某区间盾构隧道与地裂缝设防段矿山法隧道接口部位进行横向地震作用时程分析,并与横向地震作用的反应位移法结果进行对比,结合现有理论及规范,分析地铁隧道接口处的抗震性能及合理的计算方法,发现对于结构断面形式突变的地下结构,宜采用反应位移法进行强度及变形计算,同时采用时程分析法进行校核,明确了不同断面接口两侧隧道横向剪切刚度的差异是导致位移与变形差异的主要原因,同时提出减震层、管片柔性结构与弹性垫圈、变形缝以及加强钢筋与后浇环梁等抗震措施,在高烈度地区还可考虑将矿山法隧道设计为圆形或类圆形断面以提高整体抗震能力,研究结论可为类似工程提供参考。     

盾构隧道内力分析方法的对比研究

阐述了修正惯用法、弹性支承法和梁-弹簧-压杆法的计算原理,结合某盾构隧道实例,分别运用3种方法对比分析了盾构隧道弹性抗力的分布特点和规律及其对结构内力的影响。研究表明:管片接头效应主要影响衬砌弯矩,对衬砌轴力影响有限;径向弹性抗力有助于削弱管片衬砌弯矩,增大管片衬砌轴力;修正惯用法获得的弯矩值最大,弹性支承法次之,梁-弹簧-压杆法最小,而轴力值基本不受分析方法的影响。建议盾构隧道初步设计时采用修正惯用法,施工图设计时采用可编程的弹性支承法,工程研究分析时采用梁-弹簧-压杆法。     

泥炭质土不同赋存条件对盾构隧道衬砌结构动力响应特性影响分析

以昆明地铁3号线工程为依托,运用有限元动力分析研究泥炭质土不同赋存条件对盾构隧道衬砌结构动力响应特性的影响,为泥炭质土层盾构隧道衬砌结构抗震设计提供理论指导。结果表明:当隧道周围地层中富含泥炭质软弱夹层时,在地震荷载作用下,隧道结构受力形态呈"椭圆"状,隧道结构轴力、弯矩及主应力减小幅度较大,剪力略小,其中,两侧泥炭质土夹层组合减小幅度最大,对隧道抗震最为有利;当隧道上覆和下卧泥炭质土层时,地层交界面与隧道结构的接触点产生异常的动应力集中,是隧道结构抗震的薄弱环节,因此,盾构隧道的设计、施工应充分考虑隧道结构外侧岩土体的不均匀性,以确保隧道的长期安全性。     

富水砂卵石地层双层衬砌类圆形断面矿山法地铁隧道适应性研究

针对富水砂卵石地层条件下矿山法隧道下穿既有地铁盾构隧道,首先从工期要求与既有工程经验方面进行总体方案设计,明确矿山法隧道近距离下穿既有隧道的优势;随后基于规范要求与富水砂卵石地层特性,提出施工变形控制标准;最后对初期支护+双层衬砌结构型式下的沉降变形、结构内力等进行深入分析,并与常规初期支护+二衬结构型式进行对比分析,明确双层衬砌结构型式的优势。研究结果表明:类圆形断面在减小隧道开挖轮廓与改善结构受力性能等方面具有明显优势,同时本工程双层衬砌构造型式,围岩荷载主要由二次衬砌承担,永久结构(三次衬砌)承担的荷载较小,永久结构在承载力与稳定性,尤其是安全储备方面具有明显的优势。