盾构隧道实用抗震计算方法研究

首先分析了各国盾构隧道抗震计算的现状,总结了常用的盾构隧道抗震计算方法,分析了这些方法的优缺点及适用性。在此基础上介绍了在盾构隧道抗震分析方法方面笔者带领的研究团队近年来取得的部分进展,主要有:在盾构隧道横向抗震计算中提出修正静力法,解决了静力法的计算合理性问题;提出考虑环间接头非线性刚度的纵向迭代计算方法,进一步发展了纵向广义反应位移法的适用性,以期解决大型复杂结构在非均匀地层中的高精度计算问题;并介绍了上述研究进展在中国相关抗震规范中的采纳应用情况。最后对隧道实用抗震计算方法进行了展望:在管片结构劣化对盾构隧道抗震的影响、拟静力计算方法如何考虑地层非线性、近场地震动对隧道的影响等方面有待进一步研究。     

盾构隧道纵向刚度及影响因素模型试验研究

为研究盾构隧道纵向刚度及影响因素,研制盾构隧道纵向刚度分析模型试验装置,对盾构隧道纵向变形特性和抗弯刚度进行试验研究,揭示不同因素对隧道纵向刚度的影响规律,并开展试验成果与既有研究结论的对比分析。研究结果表明:盾构隧道在竖向荷载作用下纵向弯曲下沉,管片自身变形很细微,其底部位移能表征盾构隧道等效连续梁的弯曲特性;盾构隧道纵向荷载～位移并非严格遵循同向线性关系,不同荷载水平对应不同的纵向刚度有效率;管片环宽与接头数量对盾构隧道纵向刚度影响显著,纵向刚度对管片环宽和接头数量变化的响应具有典型的非线性特征;试验依托盾构隧道纵向刚度有效率0.04～0.125,刚度有效率随外部荷载增大而减小,且荷载达到一定程度后趋于稳定,增大荷载会放大接头对管片刚度的削弱作用;借助数值法取接头单元刚度为特定经验值,计算盾构隧道纵向刚度存在不容忽视的误差。利用等效连续化模型计算盾构隧道纵向刚度时,建议按20%～30%折减。     

浅埋大直径盾构隧道衬砌的抗震计算方法适用性研究

浅埋大直径盾构隧道衬砌抗震性能攸关其自身及毗邻和交叉建筑物的安全性,抗震设计需要采取合理的抗震计算方法。文中建立了某外径12.4 m盾构隧道工程的平面应变有限元模型,采用动力时程分析法、反应位移法、反应加速度法和整体式反应位移法等抗震计算方法,对比分析砂土、粉质黏土等不同土层条件、90%～320%的隧道直径埋深时隧道衬砌结构的弯矩、剪力和轴力变化规律。结果表明,反应位移法和动力时程分析法的内力变化规律相似、计算值最接近,反应加速度法和整体式反应位移法的计算结果偏差较大。在隧道埋深浅、土层均匀的情况下,可采用反应位移法进行盾构隧道衬砌抗震设计。     

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。     

基于钻孔数据的盾构隧道纵向结构参数化计算

为推动盾构隧道工程数字化设计的发展，提升结构计算效率，提出一种基于地质钻孔数据的盾构隧道纵向结构参数化计算方法。本方法考虑了三维地质空间的不确定性以及隧道纵向结构的三维空间线型特点，利用K最近邻与普通克里金算法建立地层数据库； 然后，与隧道轴线的空间信息建立引用关系，并输出结构约束条件与荷载大小； 最后，利用等效刚度梁模型进行隧道纵向结构计算。以武汉市两湖隧道东湖段QXK6+300~+400区间为对象，将本方法与现有方法进行对比，结果表明： 本方法的约束条件可以不依赖人工经验保守取值，而通过预编译的程序自动计算得出； 同时，参数化计算流程有利于满足后续多区间核算需求，并且可以把内力分析结果精确地反映在三维应力云图上。因此，本方法能有效提升设计效率。     

盾构隧道结构纵向优化设计方法研究

目前的纵向设计方法均假定盾构隧道结构纵向刚度不变。在此基础上进行的盾构隧道纵向结构设计,无法达到结构纵向的变形受力协调,也无法实现结构纵向优化设计。在传统的纵向等效连续化模型的基础上,提出纵向刚度非均匀等效连续模型。模型最大的优点是可以实现盾构隧道纵向刚度分配的非均匀性,从而为纵向设计优化以及隧道结构纵向变形和受力协调的实现打下基础。在该等效纵向模型的基础上,建立2种优化设计模型,其一是以变形为目标、受力为约束的优化模型,其二是以受力为目标、变形为约束的优化模型。利用2种模型对盾构隧道穿过软弱夹层等工况进行分析,验证了模型的正确性。另外,利用优化的结果可以得到较为合理的隧道结构纵向刚度分布方式,以及纵向受力和变形协调的刚度取值范围,从而最终实现变形和受力协调。     

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。     

公路盾构隧道地震响应的反应位移法分析

以某越江公路盾构隧道为工程背景,在利用成层反射理论分析场地地震波特性的基础上,采用反应位移法研究了公路盾构隧道的动力响应特性,其中:盾构隧道衬砌结构环向和纵向接头采用弹性铰模拟,天然地层作用在隧道结构上的剪切力和强制位移由成层反射理论动力分析程序DYNEQ获得.研究表明:由剪切力和强制位移引起的地震附加内力规律基本相当...     

下穿铁路的盾构隧道纵向力学行为研究

采用梁-地层弹簧模型,进行了在铁路列车荷载作用下盾构隧道纵向力学行为有限元分析。结果表明:当等效的管片环数较多时,环数的变化对其纵向刚度的影响很小,两侧计算边界取1倍上部荷载作用长度;当盾构隧道的埋深大于2倍隧道外径时,纵向内力和变形很小,满足强度和刚度要求,其纵向设计不需特殊考虑;随着埋深的增加,列车荷载所产生的管片纵向附加内力和变形减小。     

盾构隧道纵向地震响应的多尺度分析方法

针对目前盾构隧道抗震设计仅限于横断面分析,缺乏有效的纵向地震响应分析方法的问题,提出了一种用于模拟盾构隧道纵向地震响应的宏-细观多尺度分析方法,其中宏观等效模型用于描述盾构隧道结构整体的地震响应特性,细观精细化模型用于捕捉结构关键断面接头处的变形响应。宏观等效模型采用黏弹性地基梁来模拟,即将盾构隧道沿纵向简化为作用在黏弹性地基上的三维梁单元,且充分考虑了由于环缝影响引起的梁纵向等效刚度折减以及隧道内部结构对纵向等效刚度的附加效应。基于宏观等效模型的地震响应规律分析,确定出盾构隧道沿线的最不利断面位置,从而将这些关键区段替换为考虑隧道环缝接头的细观精细化模型,即采用沿环向分布的轴向拉压弹簧和切向剪切弹簧来真实模拟地震作用下的环缝张开量和错位量等变形,克服了传统连续均质化模型无法反映环缝变形量的不足。最后,将该多尺度分析方法成功应用于世界首个特高压GIL电力盾构隧道,为实际重大工程的结构纵向抗震设计和安全性评价提供了科学依据和技术手段。     

沉管隧道纵向静力计算问题探讨

为进一步综合分析长距离沉管隧道纵向内力和变形,保障其接头水密性,讨论了沉管隧道结构纵向静力分析计算模型和应考虑的一些问题,包括接头受力机制、GINA止水带选型和水密性检算,以及纵向沉降差与纵向弯矩和剪力的关系等。总结了简单而高效的弹性地基梁纵向计算模型及其接头模拟方法;提出使用地层-结构模式和强制位移法的三维壳体模型作进一步的补充细化分析;指出隧道纵向沉降曲线的曲率及曲率变化率分别影响着结构的纵向弯矩和剪力;给出接头的止水带选型及水密性验算工作如何与隧道结构纵向计算相互结合。     

盾构隧道抗浮计算模式及其适应性分析

施工期盾构隧道的上浮问题随着盾构隧道的大量修建而引起了广泛关注。基于盾构隧道施工中的上浮问题,系统分析了隧道上浮原因,将其归纳为上浮力作用、轴向偏心荷载作用、切口水压影响、地基回弹作用、上覆土的反向压缩效应以及砂土液化等6个方面;重点分析了因上浮力引起的隧道上浮的抗浮计算模式：从横向和纵向角度提出了局部及纵向总体2种抗浮计算模式。在局部抗浮计算模式中,依据上浮力的特性和作用范围,分为单一管片错动分析模式和整环管片错动分析模式;在纵向总体抗浮计算模式中,讨论了纵向沉降与上浮的异同,进而说明了二者的相通性;并分析了2种抗浮计算模式的适应性。     

越江盾构隧道纵向受力及变形分析研究

以某越江盾构隧道工程为背景,采用三维梁-弹簧模型对水位变化、河床冲刷等不同情况下盾构隧道的纵向受力及纵向变形进行数值模拟,并对数值计算结果进行了分析.分析可知,纵向上的沉降主要发生在地质条件变化处、地形条件突然变化处以及盾构隧道与竖井的连接处.探讨了盾构隧道与竖井的不同连接方式对于隧道纵向内力及变形的影响,并进行了对比分析,根据分析结果提出采用柔性连接的建议.     

考虑纵向残余顶推力的盾构隧道纵向抗弯刚度解析算法

纵向抗弯刚度是盾构隧道的基本力学参数,其取值的合理性直接关系到盾构隧道纵向响应分析结果。针对盾构隧道纵向抗弯刚度取值未考虑环缝接头拉伸刚度与纵向残余顶推力的问题,提出了一种考虑纵向残余顶推力的盾构隧道纵向抗弯刚度解析算法。首先,通过理论分析将盾构隧道的纵向挠曲变形考虑为均质圆管的纵向挠曲变形与管片环环缝张开导致的纵向挠曲变形两部分,并由此得到了盾构隧道纵向抗弯刚度解析算法,其结果与管片材料的弹性模量、隧道外径、管片幅宽、环缝接头数量、环缝接头拉伸刚度和纵向残余顶推力等因素有关。然后,设计了可考虑环缝接头拉伸刚度与纵向残余顶推力的缩尺模型盾构隧道,并开展了纵向抗弯刚度模型试验,分别对模型隧道的纵向挠曲变形量与环缝张开变形量进行了测试。最后,通过试验数据对纵向抗弯刚度解析算法进行了验证。结果表明：模型盾构隧道实测纵向抗弯刚度与理论算法求解得到的纵向抗弯刚度基本一致;当不施加纵向残余顶推力时,随着加载的增加,盾构隧道纵向抗弯刚度总体变化不大,而当施加纵向残余顶推力时,对于相同纵向残余顶推力,盾构隧道纵向抗弯刚度随着加载的增加而减小,并逐渐趋于稳定;在盾构隧道纵向响应分析中,需要减小纵向残余顶...     

盾构隧道围岩压力的现场监测试验研究

介绍了某工程盾构隧道围岩压力的现场监测方法和测试结果,包括测量元件的选择及埋设、测试方法、测试结果及分析等.通过对试验数据的分析,得到了盾构隧道围岩压力随时间的变化规律,并对围岩压力监测值与理论值进行了对比.研究表明目前设计中常用的惯用设计法土压力计算模型是合理的,计算土压力与实测土压力基本接近.盾尾注浆压力比实测土压力大,是施工过程管片外表面受到的最大外部荷载,设计时外荷载取值应考虑盾尾注浆压力.     

盾构管片纵向接缝位置对结构内力和变形的影响分析

根据盾构隧道管片衬砌之间的连接特性、衬砌结构与土层之间的相互作用性质，提出了基于弹性地基理论的盾构隧道管片衬砌结构的梁-弹性铰-地基系统模型，并研制了相应的有限元分析程序FHEF，该模型能直接计算出盾构隧道管片衬砌结枸的轴力、剪力、弯矩和变形，将计算结果直接用于工程设计。依据二维计算模型，就盾构隧道管片衬砌结构纵向接缝不同位置对衬砌结构的内力影响进行了详细计算分析，计算结果表明，纵向接缝的不同位置对结构的内力和变形不容忽视，工程设计时应从结构设计和防水设计等多个角度来确定纵向接缝的设置，从而指导工程实践。     

火灾高温下盾构衬砌结构试验与力学模型综述

复杂运营环境下自然与人为因素所引发的众多隧道火灾已造成了重大的社会影响和经济损失。火灾已成为威胁隧道安全运营的主要灾害之一,其对隧道衬砌结构会产生严重的损伤乃至破坏。盾构衬砌为装配式结构,接缝多以螺栓连接,火灾高温下易发生管片爆裂和接缝连接薄弱部位受损而诱发的突然破坏;同时,由于盾构隧道周围地层的约束作用有限,其衬砌结构体系受火损坏后垮塌的风险极高。为提高软土地层环境下盾构隧道装配式衬砌结构体系的耐火能力及火灾安全性,本文调研了盾构隧道火灾安全研究现状,对与盾构隧道火灾安全研究相关的试验及理论分析工作做了较为全面的综述,主要包括:火灾高温下盾构隧道衬砌管片力学特性试验与理论分析模型,火灾高温下管片接缝力学特性试验与理论分析模型,火灾高温下盾构衬砌体系力学特性试验与理论分析模型,火灾高温下盾构隧道周围地层力学行为研究。在此基础上,针对大直径盾构隧道的火灾试验,高温引起的盾构衬砌管片材料性能劣化评价及主动式抗火管片的材料设计,火灾高温条件下盾构衬砌结构计算模型精细化这3个核心问题,展望了盾构衬砌受火灾影响的研究方向和思路。     

采用轻质填料填筑路堤对其下方盾构隧道的影响研究

在城市已运营盾构隧道附近建设新的工程,是城市建设中越来越难以避免的课题。无论在盾构隧道上方加载或者卸载,都将对盾构隧道的结构受力和安全运营产生长期的影响。针对此问题,在填筑路堤时,提出先挖方,后采用轻质填料等荷载置换法,解决填筑路堤施工对盾构隧道的影响这个问题。在分析过程中,以实际工程为依托,采用Plaxis有限元软件建立路基-隧道-土耦合模型,考虑位移、超孔水压力等方面,研究了路基施工对地铁盾构隧道的影响,并分析变形规律,得到相应的结论。其成果可为同类工程起到参考作用。     

浅埋盾构隧道近接桩基础渗流应力耦合安全性分析

对于岩土结构,水流的渗流作用往往会造成结构受力发生变化,进而引起变形。如水域中的桥梁桩基础在盾构隧道近距离侧穿施工时,地层的扰动会对群桩基础及上部结构产生不利影响。为研究渗流作用下盾构隧道侧穿桥梁基础施工的安全性问题,以某市穿越河流施工的地铁盾构隧道为对象应用有效应力原理,借助数值仿真法建立水域三维动态盾构隧道施工有限元计算模型。结果表明,浅埋盾构隧道推进过程中会使影响范围内的土体产生部分地层隆起。开挖完成后,桥面中部沉降位移较大,双线开挖最终沉降位移沿横桥向轴线对称分布。桩身纵向位移受影响最显著的是距盾构轴线2 D横向范围内,及沿桩身埋深变化的1. 5 D深度范围内区域。桩身横向位移整体呈大头型"S"分布,浅埋层桩身横向位移显著大于深埋层桩身横向位移; 15 m深度以上范围内的桩身横向位移在左线和右线开挖后的增加量约为1∶1。沿桥梁纵向延伸,桩身的竖向沉降呈现中部大于两端,即"中间大两端小"的分布形式。     

上海西藏南路越江隧道穿越M8线地铁区间隧道工程稳定性的理论计算与分析

通过模拟计算大型泥水盾构2次穿越已建成地铁隧道过程,得出大直径隧道掘进施工时既有地铁隧道的纵向位移、抗浮及隧道衬砌结构影响数据,并通过计算分析结果提出减小对已建隧道影响程度的加固措施,以达到对地铁隧道的保护目的。