盾构隧道新型衬砌结构受力性能与设计参数

盾构隧道衬砌结构由管片和接头组成,接头的形式直接影响盾构隧道的整体力学性能。上海地铁18号线盾构隧道衬砌结构环间采用了插入式快速接头,块间采用了新型的滑入式快速接头,这种新型衬砌结构受力性能尚不明晰。文章针对通、错缝拼装的新型衬砌结构,分别进行设计工况下的整环足尺试验。通过试验结果分析,得到了不同拼装方式下新型衬砌结构的受力性能;讨论了结构的计算模型,计算了不同工况下结构修正惯用法设计参数,为新型衬砌结构的拼装方式比选、设计计算提供了参考和依据。     

快速接头盾构隧道衬砌结构设计参数研究

管片接头受力性能是影响盾构隧道衬砌结构设计参数的关键因素,而采用快速连接件的接头受力性能尚不明确。文章参考国外盾构隧道衬砌快速连接件的研究和应用情况,结合上海市天然气管线过江隧道工程,通过管片接头荷载试验,对快速接头的纵缝转角刚度、纵缝抗剪刚度、环缝抗剪刚度进行研究。结合试验结果建立了基于梁弹簧法的三环错缝分析模型,给出了该模型关键参数的具体取值范围。最后通过计算对比提出了该种快速接头盾构隧道衬砌结构的修正惯用模型设计参数——刚度折减系数、弯矩传递系数。     

深埋蓄排水盾构隧道衬砌结构力学性能试验及数值分析

深埋蓄排水盾构隧道承受高内水压力及较大的外部水土荷载,与公路、地铁盾构隧道在计算理论、建造技术及运营维护等方面有很大不同。鉴于蓄排水隧道衬砌结构承载模式的变化,文章开展了整环力学行为试验及三维数值分析,研究了内水压作用、错缝拼装及接头螺栓安装方式等对蓄排水盾构隧道力学性能的影响。研究结果表明:通缝拼装的蓄排水盾构隧道从隧道内空水变化至隧道内满水时,隧道的变形大幅增加;内水压0.6 MPa时隧道的竖向和水平收敛变形分别为空水时的2.2倍和3.2倍。与通缝拼装的蓄排水盾构隧道相比,错缝拼装时衬砌环的收敛变形减小15%～25%,最大接头张开量及螺栓拉力减小25%～40%。内水压增大会造成蓄排水盾构隧道接头螺栓屈服,最先出现螺栓屈服现象的接头位于衬砌环最大负弯矩荷载作用位置附近;由于盾构隧道的破坏多源于接头螺栓屈服,该接头位置为蓄排水盾构隧道的薄弱点。对于采用双排螺栓连接的蓄排水盾构隧道,拱顶、拱底90°区域范围内靠近接头外弧面位置的螺栓可以不拼装;但两侧拱腰90°区域内靠近接头内弧面位置的螺栓必须安装,否则会造成最大负弯矩荷载作用位置附近的接头螺栓拉力增大5%～14%。     

盾构隧道地震响应及减震措施研究

文章提出了一种能够有效模拟盾构隧道衬砌管片动力行为的有限元计算模型,即用旋转弹簧模拟管片横向接头,而将多个管片环对应的剖面用剪切弹簧单元连接,从而模拟环间接头的多层平面应变分析模型。同时以显式形式将多次透射边界条件引入动力分析控制方程,以模拟无限域的影响。随后利用该方法对武汉长江隧道工程盾构段典型横断面进行了隧道地震响应分析,研究了不同的结构及接头参数对结构受力与变形的影响规律以及地基加固的减振效果。分析还表明,对盾构隧道周围的土体采取适当方法进行地基加固处理,能有效降低结构的内力和变形,减振效果显著。     

拼装方式对盾构隧道衬砌结构变形和内力的影响分析

文章结合广州地铁区间盾构隧道管片衬砌结构设计,采用梁-弹簧模型计算法对不同拼装方式下的盾构隧道衬砌环变形和弯矩、轴力、剪力等内力分布以及衬砌环变形量和内力随隧道埋深的变化规律进行了探讨和分析.通过对盾构隧道装配式衬砌结构变形和内力分布规律及影响因素的系统研究,深入探讨了拼装方式对盾构隧道管片衬砌结构设计的影响.     

盾构隧道预应力管片的两维有限元数值模拟与分析

针对预应力混凝土管片这一新型的盾构隧道衬砌结构进行了模型试验研究,介绍了利用有限元方法进行模拟计算的过程,采用不同的接头力学模型对其整环试验进行了两维模拟,在与试验结果分析比较的基础上,得出合适的模型参数,为预应力管片用于设计和施工奠定了基础。     

考虑接头真实性能的盾构隧道衬砌结构计算模型与混合分析方法

由于接头的存在,盾构隧道衬砌结构分析面临巨大的挑战。基于接头处的位移量测数据,混合分析方法可以有效地降低衬砌结构分析的复杂程度。但对于设计阶段的盾构隧道,接头处的位移量测数据是未知的。为此,文章基于圆形拱的线弹性理论的解析解,结合接头的线性刚度模型,针对盾构隧道衬砌结构的设计,提出了一种解析计算方法。为了验证线性接头刚度模型的适用性,该种解析方法被应用于盾构隧道衬砌结构足尺试验的分析并将相应的结构分析结果与已经发表的混合分析方法所得结果进行对比。结果表明:基于线性接头模型的结构分析能较好地计算内力的分布;在位移方面,该方法的预测精度尚有不足。     

错缝拼装盾构衬砌结构力学性能试验分析

错缝拼装盾构隧道衬砌结构由于存在环间传力行为,具有与通缝拼装衬砌结构不同的力学特性。文章通过三环压弯试验获得错缝拼装管片的极限承载力和力学行为规律,分析了衬砌结构纵缝、环缝及管片本体的相互协同作用,并通过一系列试验设计工况得到了纵向力和荷载水平对结构性能的影响规律。同时对比分析了三环与单环压弯试验结构的受力特性和破坏模式的差异,获得错缝拼装盾构衬砌的力学性能和环间传力效应。     

盾构隧道管片接缝结构可靠度分析

盾构隧道管片衬砌结构设计的依据是地层勘察资料、设计文件、相关设计规范等,各部分资料的准确程度直接影响到结构设计的可靠度;其次,盾构隧道是由管片和螺栓等拼装而成,由于预制管片和施工方面的原因,各种参数总有一定的偏差;再次,土中水压力的作用效果也不是十分明确的,而管片接头作为管片衬砌环的薄弱环节,其力学特性的明确至关重要。文章依托南京长江隧道采用蒙特卡罗法和响应面法对管片接头结构的可靠性进行了分析研究。     

盾构隧道环间接头抗弯刚度计算及其影响因素研究

为得到盾构隧道纵向梁-弹簧模型中环间接头抗弯刚度的计算方法,文章以志波模型为基础,采用解析方法分别推导了纯弯、拉弯条件下环间接头抗弯刚度的解析公式,并据此对各影响因素的敏感度及影响方式开展定量分析。结果表明:盾构隧道环间接头抗弯刚度的影响因素主要有幅宽、断面尺寸、环间螺栓参数以及纵轴拉力等,其中断面尺寸对环间接头刚度影响最大,环间螺栓参数次之,幅宽影响最小;纵轴拉力对环间接头抗弯刚度的影响方式与前述因素不同,在其作用下,环间接头抗弯刚度表现出显著的非线性特点,环间接头抗弯刚度与纵向弯矩、纵向轴力在三维空间中呈现"台阶状"曲面形态,其量值维持在上、下台阶面对应的量值之间;当环间接缝面在拉弯作用下完全张开时,环间接头抗弯刚度相比接缝面部分张开时被削弱约40%。     

基于局部刚度修正法的盾构隧道下穿历史保护建筑数值模拟分析

局部刚度修正法可以考虑接头和手孔对管片衬砌环的刚度影响,其假定管片接头及手孔附近区域的刚度应该进行修正,而管片其余区域的刚度却保持原有刚度。文章考虑管片环向接头引起的衬砌环刚度折减,采用小应变硬化土本构模型分析盾构掘进引起的衬砌结构内力、地表沉降和周边土体位移响应,建立了隧道-土体-建筑相互作用的三维有限元数值模型,并在上海地铁11号线双线区间盾构隧道下穿越历史保护建筑物工程中进行了应用。作为对比,建立了基于惯用法的三维数值模型,并与现场实测结果进行对比,结果显示,局部刚度修正法和实测值吻合更好。模拟结果表明,既有建筑不仅改变了地表的沉降槽,而且极大地减小了沉降槽相关点的水平位移;既有建筑的扭曲值与隧道开挖面和既有建筑的位置有关,且最终既有建筑的扭曲值并未随施工的结束而减小,而是保留了较大的残余扭曲。文章所提出的模拟方法可为软土地区盾构施工扰动控制研究提供参考。     

类矩形盾构隧道装配式衬砌结构设计参数研究

以曲墙曲拱的类矩形断面形式设计两车道拼装式盾构隧道衬砌,考虑地层抗力系数、覆土厚度、设计荷载等因素的影响,建立类矩形盾构隧道衬砌的梁-弹簧模型。结合昆明地区典型地质剖面,分别对均质环模型和梁-弹簧模型进行内力计算,验证计算模型的合理性。研究结果表明:随着地层抗力系数的增加,衬砌结构弯矩及剪力逐渐减小,轴力逐渐增大,改善了管片结构的受力状态。     

武汉长江隧道盾构施工段衬砌管片方案设计

结合武汉长江隧道盾构施工段的衬砌设计,对管片环结构、管片分块方案、管片环宽等关键设计参数进行计算分析,提出合理的管片方案。     

基于遗传算法的盾构隧道管片接头刚度反演研究北大核心CSCD

梁-弹簧模型在管片衬砌结构计算中应用较广泛,目前接头刚度取值方法主要有模型试验法及经验取值法,模型试验法耗时长、成本高昂,而依据经验取值难免存在一定主观性。鉴于此,利用C++编程语言,基于遗传算法开发了盾构隧道管片结构位移反分析程序,首先通过弹性模量值反演算例,得出反演值与理论值误差为1.4%,验证了算法和程序的可行性。利用程序将反演接头刚度值与实际设计案例管片接头刚度值进行对比,反演计算结果表明:正弯矩下管片环向接头转动刚度值反演误差为2.6%,负弯矩下管片环向接头转动刚度值反演误差为4.3%。     

卸载工况下盾构隧道结构承载性能数值模拟分析

周边卸载导致的隧道横向大变形对地铁的正常运营与安全使用产生严重影响,对于隧道结构从周边卸载开始直至破坏的全过程,需要发展一种高效并能保证精度的数值模拟方法。文章首先进行不同接头刚度下衬砌环的内力及变形数值分析,表明管片接头刚度值对衬砌环轴力分布及大小影响很小,可以先使用相对简单的等刚度圆环法计算得到管片接缝处的轴力值,再将此预分析轴力值作为确定接头抗弯弹簧弯曲刚度曲线的轴力值,用三维直梁实体单元进行精细分析得到不同轴力下的管片接头抗弯刚度模型。最后将接头抗弯刚度模型参数赋给二维梁-弹簧模型中的弹簧参数,运用二维梁-弹簧法计算得到衬砌结构各级荷载下的内力和变形。该方法得到的数值模拟结果与试验结果一致,全过程数值分析表明:在侧向压力卸载过程中,接头截面处弯矩不断增大、轴力不断减小,各接头处抗弯刚度快速下降,最终结构达到破坏状态。     

矩形断面盾构隧道在火灾高温作用下的力学性能研究

矩形断面盾构隧道以其显著的空间利用优势得到了越来越多的应用与推广,但其特殊的断面型式也导致了衬砌结构内力的不合理分布,往往需要专门设计承载力较高的复合管片及接头构型,而且一旦在矩形断面盾构隧道中发生升温速率快、峰值温度高的大型火灾,以复合管片为基本单元的衬砌结构在火灾高温作用下极易劣化,严重威胁结构安全。文章以上海市某大断面矩形盾构隧道为工程背景,基于不同量级的火灾温升曲线建立了相应的热-力耦合有限元模型,讨论了衬砌结构的温度场、位移场及应力场分布。研究表明,导致矩形盾构隧道不满足正常使用极限状态的温度量级在Tem400左右;而导致结构不能继续承载的温度量级在Tem600左右。     

输水管道盾构隧道衬砌结构内力计算比较分析

盾构隧道衬砌内力计算的方法有多种，但各有优缺点。针对潮河输水管道盾构法隧道衬砌结构，分别采用荷载结构法中考虑土体侧向弹性抗力的匀质圆环修正惯用法和连续介质有限元法进行内力计算。通过比较衬砌管片结构内力和变形分布规律，得到了对设计有参考价值的结论。     

盾构法隧道错缝拼装衬砌的受力分析

对错缝拼装衬砌的内力计算分析的关键是如何考虑隧道纵向剪切作用以及由此而产生的环间弯矩传递。目前在错缝衬砌的设计中，用得最多的是η-ξ法，而η和ξ值的确定主要凭工程实践经验，具有较大的随意性和不确定性。为此，通过错缝拼装衬砌的三维受力性态分析，研究在错缝拼装条件下环缝接头对管片接头的约束作用以及由此而产生的环间弯矩传递。     

广州地铁越～三区间盾构隧道的设计

广州地铁二号线越秀公园～三元里区间盾构隧道已于2002年建成并投入试运营.文章阐述了该隧道的设计概况,主要内容包括盾构隧道的线路拟合,衬砌环的构造形式,管片的结构设计和结构防水.文中总结了广州盾构隧道设计中的成功经验,并对当前盾构隧道设计中的有关问题提出了建议.     

9块等分管片设计及其工程应用研究

文章就城市双车道公路盾构隧道设计了一种9块等分管片,采用有限元法进行了管片结构内力和变形分析.分析结果表明,9等分管片的受力合理,管片结构的内力和变形都满足设计要求.管片一环9块等分有利于优化配置运输能力和管片拼装机械手的拼装能力,同时减少管片的接头数量,增加隧道衬砌的防水能力,值得在我国城市双车道公路盾构隧道中推广应用.