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。     

淤泥质土封闭作用下侧压力试验研究

天然软土上覆的硬壳层对其下的软土具有封闭作用,会改变其下软土层侧压力分布及传递规律。为探究封闭作用下淤泥质土侧向土压力特性,通过模拟3种不同工况的室内试验,研究含水率、加载方式、硬壳层完整性对侧压力竖向分布规律,侧压力系数及横向传递特性的影响。试验结果表明:侧向土压力沿深度呈上段抛物线、下段近似直线的半抛物线形分布,其半抛物线趋势受含水率、荷载等级的影响;侧压力系数在一定范围内随深度增加,之后趋于稳定,受含水率影响不大。该结果证明,封闭状态下淤泥质土侧向受荷性能具有类似流体的性质,从工程安全角度考虑,设计时可将封闭状态下淤泥质土侧压力系数取为1。同时,硬壳层完整性对淤泥土中应力传递具有一定影响。     

基于谷仓效应的砂卵石隧道围岩荷载计算研究

研究目的:砂卵石围岩颗粒体系级配分布不均匀，颗粒间点对点接触，隧道施工过程中易引起围岩松散、失稳坍塌等突出问题。本文针对砂卵石围岩典型的颗粒物质特性，基于谷仓效应原理，采用颗粒物质离散元理论，探明砂卵石隧道围岩荷载计算方法，分析砂卵石土在不同细观组构下的细观力学行为，探究砂卵石颗粒级配对土体压力的影响特征，揭示隧道跨度对隧道围岩荷载的影响规律。研究结论:(1)提出了用于计算砂卵石土竖向压力的修正Janssen计算公式，并确定了公式中重要系数转向比；(2)揭示了砂卵石颗粒级配对土体竖向压力与侧压力的影响规律，得到了砂卵石土体底部压力和侧压力的计算公式；(3)通过不同跨度的隧道模型模拟试验，提出了竖向荷载修正系数，使用修正系数法的砂卵石围岩荷载计算值与模拟计算的结果相近，验证了该公式计算的准确性；(4)建立了基于Janssen模型的砂卵石围岩荷载计算方法，可为砂卵石地层隧道精细化设计提供理论基础。     

黏土中圆形低真空隧道管片结构内力分布及其影响因素

针对盾构隧道管片结构在不同环境下的受力性能,建立基于修正惯用法的力学模型,推导出圆形低真空隧道管片结构内力的解析解;以武汉黏土作为模拟地层,分别采用修正剑桥模型和弹簧模型,模拟分析圆形低真空隧道结构的内力分布;在获得解析解和2种数值解的基础上,对比分析特定工况下3种方法得到的隧道管片结构内力分布,探讨真空力、弯曲刚度有效率、地基抗力系数、侧向土压力系数这4个关键参数的影响规律。结果表明:对于黏土中的圆形低真空隧道,顶部与底部的管片结构正弯矩较大,腰部则是轴力与负弯矩较大;真空力对管片结构的弯矩几乎没有影响,但对轴力影响非常显著,且随真空力的增大而增大;管片结构弯矩随弯曲刚度有效率的增大而增大,随地基抗力系数和侧向土压力系数增大而减小;管片结构轴力随地基抗力系数的增大而增大,随弯曲刚度有效率增大而减小;在隧道腰部附近,轴力随侧向土压力系数的增大而减小,但隧道底部和顶部附近则与之相反。对比3种方法,解析解与数值解具有较好的一致性,但求解结果偏于保守。     

土的侧向压力对盾构隧道衬砌圆环内力的影响

通过采用荷载结构模式中连续的自由变形圆环法，对某城市地铁区间隧道衬砌圆坏内力的计算，发现土的侧抗力、侧土压力值对内力影响很大，特别是对弯矩的影响，这将对工程造谷产生很大影响，提出如将抗力系数取为实验值1／4到1／6，或土压力系数稍高于静止土压力系数，将侧向抗力和侧向土压力综合考虑，内力计算结果将是合理的。     

黄土隧道基底区域围岩应力分布规律研究

为研究黄土隧道基底区域围岩压力的分布规律,采用数值方法建立三维有限元模型,用围岩应力等效围岩压力,分别考虑隧道不同施工方法、不同埋深的影响,从而得出隧道基底区域围岩压力在上述影响因素下的变化规律。分析可得台阶法基底围岩竖向应力值比其他施工方法小,CD法和CRD法在基底中线区域竖向应力值较大;在所研究的埋深范围内随隧道埋深的增加,其基底竖向应力值随之增大且埋深每增加10 m竖向应力增大系数在1.2~1.4等结论,为基底处理方案提供参考。     

下穿建筑物土压平衡盾构土仓土压力参数研究

采用现场监测和理论分析相结合的方法,对盾构穿越既有建筑过程中控制沉降措施进行了分析,分析结果表明:盾构开挖时,土仓土压应该大于开挖前地层侧向土压力的理论值,在本工程中,通过现场试验和监测,得出土压系数取实测侧压力系数的1.2~1.3倍时,盾构开挖时地表沉降达到较好的控制。当盾构穿越既有建筑物时,应考虑建筑物附加应力对地应力的影响,调整土仓中土压参数。从现场监测结果表明,调整前后地表沉降量有较显著的变化。     

盾构隧道管片设计若干问题研究与探讨

研究目的:目前盾构隧道管片设计的随意性较大,计算方法缺少相应的理论支撑,计算模型的选取无法体现管片的实际受力情况,无法体现地层与衬砌结构的相互作用,计算参数的取值与实际情况出入较大等。为了进一步加强管片结构设计的准确性与可靠性,对管片设计中涉及的一些主要问题进行研究。研究结论:通过分析得出,对于管片结构,应该采用梁—弹簧模型进行受力分析;管片结构上受到的水压力应按径向加载,隧道拱底反力应取浮力与竖向荷载的较大值,管片与地层的相互作用应通过管片四周设置的径向与切向土弹簧来实现;采用地层应力释放系数来模拟盾构施工对周围地层的扰动效应,得出应利用浆液的最小屈服强度控制盾尾后方隧道的上浮趋势。     

盾构管片设计中静止土压力系数选取的探讨

研究目的:静止土压力系数是盾构隧道管片结构设计的重要参数之一。在饱和软土地区进行盾构管片配筋设计时,由于地勘资料提供的静止土压力系数较小,有时会出现配筋量过大甚至难以配筋的情况。本文通过现场实测和室内试验开展对静止土压力系数的研究,为饱和软土地区盾构管片设计中静止土压力系数选取提供参考。研究结论:(1)室内试验测定静止土压力系数时,对于粉质黏土,初期侧压力系数较大,随加载时间的增加,侧压力系数逐渐减小并趋于稳定;而对砂性土,侧压力系数随加载时间变化不大;(2)现场实测静止土压力系数明显大于室内试验所测静止土压力系数固结稳定后的值,更接近于室内静止土压力系数初始值;(3)由于土体的卸荷作用,盾构施工后的静止土压力系数会有所增大;(4)水土合算法与水土分算法计算侧压力时应采用不同的侧向压力系数,建议该工程地区黏性土静止土压力系数水土分算时取0. 5,水土合算时取0. 7;砂性土采用分算法,依据地勘资料取其侧压力系数;(5)本研究成果可应用于盾构管片结构设计中静止土压力系数的选取。     

南京长江隧道管片结构耐火性分析

研究目的:本文以南京长江隧道管片结构为例,对盾构管片环进行三维分析,研究在火灾工况下,受内部不均匀温度场作用下管片结构的应力重分布情况、钢筋安全性、结构变形、裂缝扩展和承载力等变化情况,特别是研究在叠合水土压力条件下,钢筋的应力状况,判断结构的安全性。研究结论:研究结果表明发生火灾后,依靠防火涂料的保护,在2 h内,钢筋混凝土管片衬砌及其内部的钢筋可以安全地承受住250℃高温。本研究对合理选用防火材料以减少工程造价、减小火灾对结构的损伤、延长火灾后盾构隧道的寿命、灾后隧道修复等方面具有重要意义。     

首穿黄河散粒体地层盾构管片力学行为研究

研究目的:兰州地铁1号线区间隧道首穿黄河散体状巨厚砂卵层,其面临高水压(0.4 MPa)、高渗透(62 m/d)、高强度(59～90 MPa)的工程地质问题。通过研制的具有水土压力独立加载功能的模型试验与数值试验对比研究,揭示变水头、不同侧压力系数、不同拼装形式下穿黄盾构管片内力特征分布规律,达到管片结构优化的目的,确保安全服役。研究结论:(1)球应力状态的水压力增加,对于改善管片内力分布具有积极意义;(2)定水头条件下,管片弯矩和偏心距随侧压力系数的增加而显著减小;(3)错缝拼装较通缝拼装在刚度、防水及受弯性能上具有明显优势,应以黄河低水位、错缝拼装组合为控制工况开展管片结构设计;(4)相关试验成果可为轨道交通领域盾构预制管片设计和施工提供借鉴。     

电缆隧道圆形竖井结构设计方法研究

基于各行业规范中没有明确提及圆形竖井设计方法的现状,在进行相关规范解读分析的基础上,对比分析竖井侧压力、国内外规范中提到的圆形水平径向荷载的计算方法,并采用3种结构计算方法对实例进行分析论证,得出合理的结论。结果表明:竖井侧压力采用朗肯土压力计算公式;圆形水平径向荷载引入折减系数,该值为25%;荷载结构法采用主动荷载+被动荷载模式,推荐采用二维荷载结构法设计为主,三维荷载结构法及三维连续介质有限元法设计为辅的设计方法。     

侧压力系数对高地应力隧道二次衬砌承载力的影响

高地应力区隧道的地应力和侧压力系数往往沿线有所变化。为了研究高地应力条件下,侧压力系数对隧道二次衬砌承载力的影响规律,首先分析了隧道试验段的实测地应力和接触应力,确定了隧道所处的地应力及侧压力系数的大小。然后利用有限元软件ANSYS,采用荷载结构模型计算了在0.25~4.00不同侧压力系数下隧道二次衬砌的内力。最后根据内力值计算出安全系数,从而推断其极限承载能力,并总结了侧压力系数对隧道二次衬砌极限承载能力的影响规律。     

浅埋地铁车站结构内力影响因素分析

以某地铁车站为计算实例,分析了浅埋地铁车站的荷载取值和结构计算问题。通过有限元计算,分析了地下水位、水压力折减因数、侧压力因数、弹性抗力系数等因素对结构受力的影响,总结了影响规律,提出在地铁车站结构计算中应考虑这些因素变化造成的影响。     

水下盾构隧道基岩爆破扰动地层管片外荷载实测分析

为探明盾构隧道基岩爆破对管片外荷载的影响,以珠海马骝洲交通隧道工程为依托,介绍改进的基岩爆破预处理措施,采用现场测试的方法对隧道无基岩地层断面及基岩爆破扰动地层断面处的管片外侧水土压力进行长期自动监测。得到以下结论:(1)基岩爆破装药结构经现场验证具有良好的爆破效果,可简化施工作业,利于盾构施工;(2)海底基岩爆破破坏土层的原有结构,爆破地层施工过程中水压力消散较慢,水土"耦合"更为复杂,隧道侧压力增大;(3)监测数据表明无论土层爆破与否,隧道围岩压力均表现以水压力为主的特征。     

钢纤维混凝土管片结构力学特性研究

为探究钢纤维混凝土管片结构力学性能,对主筋用量不削减、掺入30 kg/m³钢纤维的钢筋钢纤维混凝土管片结构开展极限承载力试验。管片错缝拼装形成试验结构,通过环向24组千斤顶模拟水土作用对结构施加荷载,通过逐步减小腰部荷载模拟侧部卸载工况,直至结构破坏。在卸载工况下,结构每环在0°,90°,180°或270°等弯矩较大位置附近的3处纵缝先后发生混凝土压裂和压碎,最终在0°或180°附近管片钢筋屈服、混凝土压碎,结构形成4个塑性铰破坏。根据试验测试的应变数据对结构内力进行计算,分析钢纤维混凝土对结构刚度和承载力的提升作用。研究结果表明,相比普通混凝土结构,在刚度方面,管片初裂时,钢纤维混凝土管片刚度提升6.91%,当裂缝宽度超过0.2 mm时,钢纤维混凝土管片刚度提升3.45%,提升作用降低的原因是随着荷载增大,钢筋应力逐渐增加,钢筋对管片刚度的作用增大而钢纤维混凝土对刚度作用基本不变;接头混凝土压裂时,钢纤维混凝土接头刚度提升18.7%。在承载方面,钢纤维混凝土管片极限承载力提升6%,接头极限承载力提升3%,整体结构极限承载力提升4.2%。并且,由于钢纤维混凝土对接...     

基坑施工对盾构隧道的影响分析

运用同济大学曙光软件,采用荷载结构法和盾构隧道修正惯用法,以广州地铁黄沙车站上建设物业商住发展项目为研究背景,计算了隧道外壁侧向土压力、水位降、土层基床系数和隧道上方超载四种因素不同组合工况下的隧道结构受力,分析了基坑施工对紧邻地铁盾构隧道的影响.研究结果表明,影响紧邻盾构隧道受力的最主要因素为隧道外壁侧向土压力释放程度,当外壁侧向土压力由静止土压力进入主动土压力状态,将导致隧道弯矩增大143%,并致使管片开裂,环缝接头张开增量1.36 mm,影响隧道正常使用,在其它不利因素共同作用下,将危及隧道结构安全.     

考虑松动区高度影响的城市深埋隧道松动土压力研究

传统的太沙基松动土压力理论是基于浅埋地层这一基本假定建立的，其对于城市深埋地层不具备适用性。在深埋土质隧道土拱效应完全发挥情况下，考虑主应力轴旋转修正无黏性土侧压力系数计算方法；基于有限差分数值平台开展不同埋深、不同内摩擦角下的有限元模拟确定深埋黏性土层的破坏模式。给出考虑主应力轴旋转和内摩擦角对松动区高度影响的深埋无黏性土、黏性土地层的松动土压力计算公式，以实现对城市深埋土质隧道上覆土压力的准确计算。修正公式计算结果与文献、数值模拟结果对比分析结果表明：在深埋情况下，无黏性土层松动土压力修正公式计算结果与文献结果吻合良好；土体强度参数会对黏性土松动区高度造成影响，即随着内摩擦角的增大，松动区高度不断减小；黏性土层松动土压力修正公式计算结果与数值模拟结果吻合良好。     

下穿高速铁路浅埋盾构隧道管片动力响应特征分析

以广州地铁9号线下穿武广高速铁路为工程案例,采用ABAQUS建立隧道-地层-路基三维耦合有限元分析模型,通过施加简化后的高速铁路列车振动荷载,研究了不同埋深条件下盾构管片和螺栓的动力响应。结果表明:随着埋深的增加管片最大主应力先减小后增大,埋深7 m时管片最大主应力最小,约为1.21 MPa;列车振动荷载作用下隧道拱底为受力最不利位置,且环向螺栓的最大主应力峰值远小于纵向螺栓;随着埋深增加拱底纵向连接螺栓的最大主应力峰值由30.35 MPa减小至13.86 MPa,远小于螺栓的屈服强度。     

侧压力系数对盾构隧道管片衬砌受力及破坏形态的影响研究

随着盾构隧道建设规模的增大,地层复杂性的特点越趋明显,侧压力系数作为一个重要的表征参数,直接决定着隧道衬砌结构荷载分布及量值,对隧道结构的受荷情况及长期力学特性影响显著。以狮子洋隧道工程为依托,采用相似模型试验的方法,对比分析了侧压力系数对管片衬砌结构力学特性及破坏模式的影响规律。研究结果表明:在一定范围内,随侧压力系数的增大,衬砌结构的承载能力得到了提高,结构达到临界失稳状态时的最大位移值减小,结构从局部出现宏观裂纹到发生整体失稳的过程变长;当侧压力系数较小时,以纵向裂纹为主,大部分集中在左、右拱腰位置,侧压力系数较大时,结构出现横向裂纹并呈逐渐增多的态势,裂纹逐渐向拱顶、拱底部位发展。