北京地铁盾构隧道管片设计方法比较

根据北京地层的土质特性及其与管片的相互作用特点,研究北京地层条件下的管片合理设计理论与模式,详细介绍修正惯用法和梁弹簧模型法计算管片衬砌内力的理论。针对北京地铁盾构管片设计采用的修正惯用法,使用与实际情况较接近的梁弹簧模型分别计算了北京盾构施工的2个工程实例。通过理论分析,使用梁-弹簧模型法更符合北京地铁隧道工程实际,可对北京地铁隧道管片进行设计优化,为北京地铁工程创造更高的经济效益和社会效益.     

盾构隧道衬砌内力计算模型比较分析

详细论述了盾构隧道衬砌结构设计中常用的两种计算模型:匀质圆环模型和梁-弹簧模型;结合目前正在施工的武汉长江隧道工程实例,比较了这两种模型的计算结果。     

错缝拼装及土层刚度对盾构隧道横向刚度有效率的影响研究

针对盾构隧道横向刚度有效率取值及其影响因素,借助有限元软件建立三维壳-弹簧模型,计算综合考虑错缝拼装与地层抗力作用下的横向刚度有效率,探讨不同错缝拼装角度和地层抗力系数对隧道横向刚度有效率的影响。结果表明:典型珠三角地区错缝拼装时的横向刚度有效率为0.75,较通缝拼装0.65增加了15%。横向刚度有效率随着错缝角度的增大而增大,当错缝角度超过45°时,刚度有效率的变化趋于稳定。横向刚度有效率随着地基反力系数的增大,呈现线性增长趋势。     

基于弹性极限理论的盾构隧道收敛变形研究

为研究隧道横向收敛变形对隧道结构安全的影响,从变形协调的角度出发,应用修正惯用法求出螺栓在弹性极限状态下管片截面的弯矩值,并根据管片横截面受力与隧道横向变形之间的关系,反推出管片环的弹性极限曲率半径。基于上海地铁单圆隧道的设计参数,对弯矩传递系数ξ分别取0.3、0.4及0.5进行计算,得出隧道收敛变形的限制值分别为18.6mm、23.4mm及30.2mm。最后,以上海轨道交通8号线某区间隧道的实测横向收敛数据为基础,将该方法得出的限制值与设计控制值5‰D(D为隧道外径)进行了对比。通过对比表明:该收敛变形的限制值能够反映出管片接头处螺栓的受力状况,可以为地铁运营隧道的安全评判提供重要参考。     

考虑接头影响的盾构隧道地震响应分析

为探明地震作用下盾构隧道管片接头与拼装方式对其横断面地震内力及变形的影响,分别针对匀质圆环模型以及梁—弹簧模型开展反应位移法计算,对不同转角错缝拼装管片环的地震内力与变形进行对比分析。研究结果表明:两种模型计算所得衬砌横断面地震弯矩、轴力均呈反对称分布,在左右拱肩、拱脚部位出现最大值,地震剪力呈近似对称分布,整环内力图在管片接头处出现内凹或突变;与匀质圆环模型相比,梁—弹簧模型因考虑了管片接头与拼装角度造成地震内力计算结果相差20%左右,变形值则最大可造成40%以上的误差。综上可知,盾构隧道接头对其地震内力分布以及接头处变形均影响显著,采用匀质圆环模型计算管片转角时存在较大误差,当需要精确求解时该模型不再适用。     

深埋双圆盾构隧道衬砌荷载模式及其接头效应分析

双圆盾构隧道在我国的应用才刚刚起步,其力学特性尚未完全认识和把握。为进一步揭示双圆盾构隧道的力学特性,在分析盾构施工特点和双圆盾构隧道结构形式的基础上,提出基于Terzaghi公式的深埋双圆盾构隧道地层荷载模式,并采用梁-弹簧模型对双圆盾构隧道进行了接头不同转动刚度的接头效应分析,对比了梁-弹簧模型和匀质圆环模型的分析结果。分析表明:纯粹按照匀质圆环模型进行双圆盾构隧道结构设计将难以保证其安全,建议在采用匀质圆环模型进行双圆盾构隧道设计时,同时采用梁-弹簧模型进行校核。     

盾构隧道管片结构设计几个问题的探讨

由于国内盾构隧道结构现有计算方法考虑因素不全面、部分计算方法不合理,造成盾构管片配筋量偏大,对管片预制及工程造价都带来很大影响。为提高现有盾构隧道结构设计方法的准确性和可靠性以及优化管片配筋,通过大量的盾构隧道结构计算和工程经验,对多个设计问题进行分析,结果表明:深埋等复杂地质条件下长大盾构隧道结构计算需要考虑管片的环、纵向接头作用;极限状态法没有区分施工和运营工况受力特点等。通过研究提出以下解决方案:(1)采用改进管片接头单元的梁-弹簧模型,结合接头试验对抗弯刚度等取值进行优化;(2)考虑盾构隧道施工阶段为短暂设计工况,运营阶段为持久设计工况进行安全校核;(3)提出纤维梁单元模型,对管片配筋进行校核;(4)提出多种管片配筋优化设计方法,减少钢筋用量。     

类矩形盾构隧道与圆形盾构隧道振动特性对比分析

以宁波地铁3号线一期工程采用的类矩形盾构隧道为研究背景,分别建立类矩形盾构隧道和圆形隧道有限元模型,并对两种隧道结构的振动特性作了对比分析。研究结果表明:与圆形盾构管片相比,类矩形盾构管片自振频率更高,对控制管片结构与轮轨振动的共振更为有利;无论是道床中心、隧道壁还是线路正上方的地面位置,类矩形盾构隧道的振动水平均要小于圆形盾构隧道;当振动由隧道壁向地面传递时,圆形盾构隧道的振动衰减得更快;考虑地铁设计选线因素,在地面建筑敏感点位置,类矩形盾构隧道可以减少Z振级3～6 dB。类矩形盾构隧道在自身结构和线路规划等方面对地铁振动的控制均具有优势。     

双车道公路盾构隧道管片衬砌结构力学特性分析

针对市政双车道公路盾构隧道,采用有限元法进行了管片结构力学特性数值模拟分析。结果表明:通缝拼装比错缝拼装条件下管片结构的变形要大,而弯矩和剪力要小,轴力变化不大;同是错缝拼装,随着K块的位置不同,其内力和变形也不相同;通缝和错缝拼装的变形图和轴力图的形状是相同的,而弯矩图和剪力图形状不同。     

考虑公轨合建型内部结构的盾构隧道纵向力学性能研究

盾构隧道朝着超大断面发展,其内部结构形式愈加复杂多样化,内部结构对盾构隧道纵向力学性能的影响值得探讨。为研究考虑公轨合建型内部结构的盾构隧道纵向力学性能,以济南黄河隧道为工程背景,建立31环考虑公轨合建型内部结构的盾构隧道三维有限元实体模型,以集中力的形式作用在第16环管片环进行加载。结果表明:盾构隧道考虑内部结构后,通缝拼装隧道和错缝拼装隧道纵向刚度有效率分别提高21.4%~61.9%和14.3%~35.3%,说明内部结构能够有效提高盾构隧道的纵向刚度;通缝拼装隧道和错缝拼装隧道加载环最大Mises应力分别减小61.3%和69.2%,说明内部结构能够起到承载作用;隧道管片与内部结构会发生应力集中现象;错缝拼装形式有利于减小内部结构在纵向上的位移变形,同时内部结构的侧墙在施工时应尽可能保证混凝土的密实。     

基于Burgers蠕变模型的圆形隧道内力分析方法对比研究

以高黎贡山TBM施工的特定段圆形隧道为工程对象,基于围岩蠕变的Burgers模型,提出了隧道衬砌内力计算的地层结构分析法和荷载结构分析法,对比研究两种分析方法的异同点和特点,得出以下结论:(1)地层结构分析法能模拟地层自重应力及其重分布、隧道开挖和支护效应,并能通过蠕变的非线性迭代获得隧道衬砌内力结果,在隧道开挖后围岩蠕变的整个过程中,模拟精度较高,但计算耗时稍长;(2)荷载结构分析法不能考虑地层自重应力以及隧道开挖支护效应,建模相对简单,计算耗时短,但计算前需准备等效节点荷载,对蠕变早期的模拟精度相对较差,对蠕变中后期的模拟结果与地层结构分析法较为一致;(3)综合考虑各种因素,建议围岩蠕变下的隧道衬砌内力分析优先选用地层结构分析法。     

地铁盾构区间隧道抗震分析

我国对地铁区间隧道的抗震分析研究,长期以来多是采用等效静力法来模拟地震对区间隧道的作用,由于隧道结构与地层之间的特殊关系,这种分析结果与实际出入较大,未能真实反映区间隧道与地层的相互作用,文章结合国内外地铁区间隧道抗震研究及相关规定,提出地铁抗震验算方法,可为地铁抗震设计提供参考。     

大直径盾构隧道新型扩挖结构关键构件力学特征分析

结合北京地铁14号线?10m盾构隧道扩挖车站试验段工程,研究分析采用盾构中洞—边桩法扩挖修建地铁车站施工过程中结构体系的受力转换、受力行为及变化特征。通过地层结构数值模拟方法,动态分析确定盾构管片、边桩导洞、中导洞扣拱初衬及中柱等构件的内力和变形特征。研究结论可为类似工程的设计和施工提供参考。     

西安地铁隧道盾构开挖面支护力安全范围分析

研究目的:本文以西安地铁2号线某区间隧道工程为依托,根据具体的地质情况,运用FLAC3D数值仿真模拟软件以隧道开挖面上方地表点和洞顶点沉降为衡量标准,确定施工中开挖面支护力的安全范围,从而防止隧道穿过埋深变化较大的地点时地表出现过多的沉降和隆起。研究结论:(1)盾构隧道的开挖面存在最小支护力和最大支护力,即支护力具有合理的安全范围。当支护力超出范围时,隧道周围土体易发生破坏,或埋深较浅时地表出现较多沉降和隆起现象。(2)隧道埋深大于1.5倍洞径后,地表点已不能有效反映隧道周围土体变形,应该用隧道洞内测点来监测控制土体变形。(3)开挖面支护力的安全范围随埋深的增加而增加。当埋深较浅时,支护力的安全范围很小,可采用地面堆载的方式来等效达到增大隧道埋深的目的,扩大支护力安全范围,降低施工难度。     

大断面矿山法隧道开挖对小净距盾构隧道的影响分析

以厦门地铁1号线集美中心站站后停车线隧道工程为背景,采用FLAC3D三维有限差分软件,对此大断面矿山法隧道开挖对小净距盾构隧道的影响进行了三维数值分析。分析了CRD(交叉中隔墙)四步开挖法、CRD六步开挖法(靠近盾构隧道部分后开挖)及CRD六步开挖法(靠近盾构隧道部分先开挖)对盾构隧道的影响,揭示了盾构隧道位移和管片弯矩的变化规律:大断面矿山法隧道开挖时对先施工的小净距盾构隧道产生4~9 mm的位移值,盾构管片产生80~170 kN·m的弯矩值。另外,CRD四步开挖对盾构隧道不利,盾构隧道的位移和弯矩分别增大约33%和6%,并且靠近盾构隧道的部分对盾构扰动更大,因此,推荐使用CRD六步开挖法(靠近盾构隧道部分后开挖)。最后对比分析了盾构隧道的现场监测位移值和数值模拟结果。     

大直径盾构隧道轨下结构设计方案比选研究

京张高铁清华园隧道为国内首次采用全预制轨下结构的盾构隧道。以该工程为背景,为得出适合大直径盾构隧道的轨下结构方案,选择轨下结构全现浇、中箱涵预制两侧现浇、全预制3个方案,通过论述分析和建立有限元模型计算,从工期、施工工序、对隧道结构的影响、结构受力和变形特征、施工环境和环保要求、工程造价等方面对方案优缺点进行分析、比选。研究结论:轨下结构全预制方案在工期、施工工效、施工质量、施工环境等方面具有明显优势;全预制轨下结构在受力和变形上能够满足高速铁路的运营要求;施工实践表明,全预制轨下结构有效解决了本工程工期短、距离长、要求高的工程难点问题。     

深埋双圆盾构隧道的横向地震响应特性研究

阐述反应位移法的基本原理和深埋双圆盾构隧道的地层荷载模式,并基于反应位移法和梁弹簧模型,对双圆盾构隧道仅受静载和静载与水平剪切地震荷载同时作用下结构的变形和内力等动力响应特性进行研究。分析表明:与对称静载作用下相比,在静载与地震荷载同时作用时,结构的变形和内力不再是对称的;弯矩和变形走势基本一致,两洞各自上半圆的迎地层位移侧和下半圆的背地层位移的衬砌基本都有向洞内的位移和内侧受拉的弯矩,两洞各自上半圆的迎地层位移侧和下半圆的背地层位移的衬砌基本都具有相反方向的位移和弯矩,与中柱底部连接处的弯矩集中现象得到消除;衬砌的轴力不再是全部为受压值,而是出现大范围受拉的情况,且拉力值较大,中柱的压力值减小十分明显;与中柱连接处的剪力集中现象消除明显,远离中柱处的管片衬砌剪力绝对值增大明显。