千斤顶推力不均对盾构管片裂纹扩展的影响研究

针对上软下硬复合地层盾构隧道施工阶段千斤顶推力不均造成管片裂损问题,基于扩展有限元理论,运用ABAQUS有限元软件,建立管片三维有限元模型,模拟3种推力不均工况,对裂纹形态特征、扩展规律、扩展路径进行分析,并提出相应的工程改进措施。研究结果表明:管片裂纹多位于最大推力位置,裂纹形态表现为边角部、手孔和螺栓孔附近大范围线状裂纹。千斤顶推力大小、位置与管片裂纹的分布形态直接相关,千斤顶推力越大,最大推力位置越靠近端部,管片裂损区域越大。裂纹扩展呈现台阶式递增的特点,可以分为3个阶段,第三阶段的裂纹扩展最迅速,管片结构出现区域性破坏。通过优化管片结构、控制施工不良荷载与盾构姿态等措施,可减轻盾构施工阶段管片裂损程度。     

盾构隧道拱顶背后空洞引起管片裂损机理研究

同步注浆不均则衬砌管片背后易形成不密实或者空洞,导致管片变形、裂损和掉块。针对这一问题,依托一地铁盾构隧道建立三维地层结构模型,采用扩展有限元法对拱顶背后空洞引起混凝土管片裂纹的应变及变形特性进行探究。研究结果表明:拱顶背后空洞范围对管片裂纹的分布位置、扩展方向、最终裂纹形状都有很大影响,管片最大位移出现在拱顶背后空洞范围的中心,且随着空洞范围的增大而增大。     

新建盾构隧道纵向裂纹病害规律统计与数值分析

针对某地铁盾构隧道施工阶段管片大范围开裂、脱落等现象,对裂损病害进行现场调研,并深入分析危害最严重的纵向裂纹分布规律、裂损形态特征。在此基础上,建立扩展有限元数值模型,对纵向裂纹产生部位、外观形式、扩展规律、管片破坏形式进行探讨。研究表明:(1)施工阶段盾构隧道裂损可分为为纵向裂纹、拱顶脱落、边角部裂损三类,纵向裂纹是影响管片质量最主要因素;(2)纵向裂纹分为前裂纹和后裂纹,前裂纹比后裂纹数量多、波及范围广、病害程度深,是威胁隧道安全性及耐久性的最主要因素;(3)推力不均和推力过大是影响纵向裂纹产生的主要因素,管片破坏特征分别表现为剪切破坏、区域压溃破坏,推力过大在施工阶段对管片局部影响最大。     

纵向裂纹对盾构隧道衬砌管片力学特性的影响

盾构隧道衬砌管片在施工与运营过程中容易产生纵向裂纹,对管片的承载能力有较大影响。本文依托成都地铁2号线牛王庙—牛市口区间盾构隧道,应用有限差分软件建立裂损管片壳-弹簧计算模型,分析裂纹数量与裂损程度对管片力学特性的影响。结果表明:纵向裂纹会导致其附近管片的内力比无裂纹时明显减小;存在多条裂纹(单一分块仅出现单条裂纹)时,裂纹对管片弯矩影响较大区域的范围并未产生叠加,在同一裂纹影响区单条裂纹与多条裂纹作用效果相近;随着裂损程度的增加,裂纹附近管片的内力逐渐降低,裂纹对管片弯矩影响较大区域的范围有所增加。     

朔黄铁路神池南站钢轨剥落掉块原因的数值分析

采用有限元分析软件ANSYS,结合疲劳与磨耗耦合模型,分析朔黄铁路神池南站钢轨裂纹疲劳与磨损的行为机制。结果表明:裂纹扩展速率明显大于钢轨表面的磨耗速率,钢轨破坏形式以疲劳破坏为主;随着裂纹的不断扩展,其扩展速率由快变慢,当裂纹扩展到600μm时,其扩展速率达到最大;在裂纹初始扩展阶段,裂纹扩展方向基本与行车方向一致;当裂纹长度大于600μm后,裂纹扩展方向发生了改变(沿着与起始阶段相反的方向扩展),形成鱼钩形裂纹,导致钢轨表面出现剥离掉块。     

施工期盾构隧道管片衬砌裂损病害统计分析

研究目的:针对某地铁盾构隧道工程施工期管片衬砌结构大范围开裂及脱落现象,对管片裂损病害的形态特征、分布规律以及危害程度进行统计分析,以期探明多种施工因素影响下管片衬砌结构的裂损机理,从而为隧道维修养护提供参考。研究结论:(1)管片裂损按照所占比例由大到小依次为:拱顶脱落、纵向裂纹、边角部裂损,拱顶脱落及纵向裂纹是施工期影响管片质量的最主要因素,且管片裂损病害的主要致因包括不良千斤顶推力作用(推力过大和推力不均)、管片错台以及管片环间接触面不平整等因素;(2)纵向前裂纹数量更多、波及范围更广、病害程度更深,是威胁隧道结构承载力及耐久性的最主要病害形式;(3)拱顶脱落对隧道结构的纵向受力特性影响较大,但其发生、发展与管片结构榫槽设置有关,通过对管片参数的优化、调整能够有效降低这一管片病害的发生;(4)该研究对于盾构施工控制具有指导意义。     

地铁盾构隧道内径扩增对结构抗变形能力影响研究

隧道内径扩增是盾构隧道工程的发展趋势,而内径扩增后的管片抗变形能力仍值得探讨。基于南京地铁9号线工程,通过几何相似比为1∶10的模型试验,研究内径由5.5 m扩增至5.8 m对隧道结构抗变形能力影响,并提出内径扩增后的管片厚度优化建议。结果表明,正常加载阶段内,管片的收敛变形、应变和拱顶弯矩近似线性变化且增速较低,而在超载阶段内则均表现为非线性迅速增加;管片内径增大导致其整体变形、局部应变和弯矩均增大,且在超载阶段内尤为明显,使管片处于偏不利的受力状态,深埋条件下管片内径由5.5 m扩增至5.8 m导致其水平、竖向收敛值均增大了14.94%;增大管片厚度可有效控制收敛,尽管导致结构弯矩和偏心距增大,但最大结构拉应变/应力下降,在控制变形方面有较好的效果,也使管片整体处于更安全的受力状态。     

不同速度列车脱轨撞击盾构隧道的动力损伤特性

为研究不同速度列车脱轨撞击盾构隧道的动力损伤特性,基于撞击动力学以及混凝土塑性损伤理论,建立列车—隧道—围岩的非线性接触动力有限元模型,分析120,200,300 km·h-1这3种列车脱轨速度下,列车撞击盾构隧道时的撞击力特征以及隧道衬砌的损伤演化和分布规律。结果表明:3种速度列车脱轨时的撞击力变化规律一致;随着列车脱轨速度的增加,撞击力分量峰值均呈非线性增大;将撞击过程分为初始撞击、撞击耗能和稳定撞击3个阶段,隧道衬砌管片拉、压损伤值均在初始撞击阶段达到峰值,之后损伤的发展主要表现为损伤面积的不断扩大;衬砌管片外表面的损伤发展略滞后于内表面;压缩损伤的分布基本呈现出沿隧道轴向大于环向的"梭形"形态,而拉伸损伤的分布则更加广泛,损伤较大值(大于0.9)产生区域也更加分散;与压缩损伤相比,拉伸损伤更易导致衬砌发生大范围破坏;在较低脱轨速度下隧道衬砌即会产生较为严重的损伤,而损伤面积则随着列车脱轨速度的增加显著增大。     

盾构始发负环管片和反力架拆除时机的影响因素分析

采用FLAC3D软件,分别对北京地铁大兴线01标盾构始发工程和一般地铁盾构始发工程进行模拟,分析负环管片水平位移与拼装管片环数之间的关系,研究负环管片和反力架的拆除时机及其影响因素.结果表明:随着拼装管片环数的增加,负环管片水平位移的增加经历了初始增长、快速增长、缓慢增长和稳定4个阶段.在负环管片水平位移进入第4阶段时,负环管片和反力架不再承担盾构推力,此时是拆除负环管片和反力架的最佳时机;摩擦系数、隧道埋深和管片外径3个因素对负环管片水平位移的影响显著;随着摩擦系数、隧道埋深的增加,水平位移均逐渐减小,且影响程度逐渐减弱;随着管片外径的增加,水平位移逐渐减少,但影响程度逐渐增强.     

大型管片衬砌结构受千斤顶推力作用的裂缝分析

针对盾构隧道开始施工阶段在千斤顶推进时发生的管片环少量裂缝现象,通过管片组合体加载模型对管片内部应力场的分布和传递特征进行了分析,得出了裂缝产生的主要原因,然后给出了相应工程措施.研究表明,对于有矩形手孔的钢筋混凝土管片,管片平均应力的集中部位呈八字形分布,从手孔外侧拐角处开始,沿着约30～45°斜向幅宽边缘延伸;剪切应力的集中部位则呈剪刀状,以手孔和定位孔为中心,沿着与环缝边缘约45°夹角方向从孔边拐角向四周延伸;非均匀接触的情况下,除硬物附近.其他管片边缘部位的应力总体水平也将有成倍提高;环向轴压对管片裂缝具有一定程度的抑制作用.     

盾构隧道管片施工力学性能三维数值模拟研究

研究目的:施工阶段的管片外部荷载系统和力学性能与正常使用阶段相比均表现出较大差异,大量工程经验表明,管片在施工阶段破损的概率要远远高于正常使用阶段。本文通过建立考虑环、纵向接头不连续性的三维盾构隧道有限元模型,针对注浆压力、千斤顶推力以及拼装方式三个施工要素进行研究,拟为盾构施工提供合理的意见。研究结论:分析结果表明,在施工阶段,由于管片外部荷载沿隧道纵向有差异且接头存在非连续性,管片的力学性能沿隧道纵向存在较大差异,各环变形特征也不尽相同,与传统均值连续模型相比亦存在较大差异,注浆压力、千斤顶推力对施工阶段管片力学性能有较大影响,管片在错缝、通缝拼装条件下表现的力学性能存在较大差异,综合来看,错缝拼装结构相比通缝拼装具有更好的结构整体刚度。     

盾构隧道沉降下整体道床变形及层间脱空分析

研究目的:盾构隧道管片沉降引起的整体道床脱空已成为影响地铁安全运营的重要因素。为揭示盾构隧道管片沉降下整体道床力学特性,建立轨道-整体道床-管片衬砌空间耦合有限元模型,并依托北京机场线T2支线东、西两侧线路的管片实际沉降监测数据,分析道床脱空下整体道床的变形以及破坏特征。研究结论:(1)当管片发生局部沉降,沉降波谷位于伸缩缝处时,道床上表面在沉降起始处出现开裂,道床底部两侧小范围会出现开裂;沉降波谷位于两伸缩缝中间位置时,道床上表面会出现大范围的开裂现象,且出现在管片沉降的起始位置,道床底部两侧及管片沉降波谷处会出现开裂现象;(2)当管片发生连续沉降,在两个沉降区的波谷都不位于伸缩缝处时,道床底部会出现大范围的开裂,道床上表面所受拉应力比较小,不会出现开裂;在其中一个管片沉降区的波谷位于伸缩缝处时,道床的两侧小范围会出现开裂,道床上表面会出现大范围的开裂;(3)该研究成果对地铁盾构隧道的养护维修具有一定的借鉴价值。     

基于浆液黏度时变性的盾构壁后注浆模型研究

研究目的:盾尾同步注浆是盾构施工过程中重要环节之一,其浆液包裹促使管片处于"悬浮漂移"状态,稍有不慎极易造成隧道结构上浮或错台,进而引起管片开裂破损。基于Magg柱面扩散理论,推导考虑浆液黏度时变性与否两种情况下盾构隧道壁后注浆浆液扩散半径和注浆压力公式,通过算例对比分析注浆过程中隧道管片压力随时间、同步注浆浆液初始压力、扩散半径变化规律,为盾构管片设计施工提供理论基础。研究结论:(1)无论考虑浆液黏度时变性与否,管片所受压力及浆液扩散半径均与时间呈正向增长关系;(2)浆液扩散半径与初始注浆压力呈正向增大关系,管片所受到的压力与初始注浆压力呈指数增长关系;(3)不考虑浆液时变性的计算结果均高于考虑浆液时变性的计算结果的5%～10%,最大可超过70%,实际盾构同步注浆应予以重视;(4)实际工程可以通过调节初始浆液黏度比来降低管片压力,其初始浆液黏度比有效调控范围在2～6之间;(5)本研究成果可为盾构隧道结构设计和施工提供参考。     

地铁盾构施工过程中底部管片的上浮机制研究

为研究地铁盾构隧道施工过程中底部管片的上浮现象,文章按照管片拼装、千斤顶顶推、同步注浆及注浆浆液凝结4个盾构施工阶段对底部管片的上浮进行分阶段理论分析。通过理论分析可得,底部管片的上浮现象属于局部上浮,对底部管片在同步注浆阶段进行力学分析,主要考虑动态上浮力、环间阻力、粘滞阻力和重力之间的相互协同作用,利用分离变量的方法推导出底部管片的上浮量计算公式,并依托深圳地铁13号线某区间的工程实测数据对管片的上浮量进行计算,验证底部管片上浮量计算公式的科学性。研究表明：底部管片的上浮阶段按其发展状况分为上浮量突增阶段、上浮量缓慢增加阶段和上浮量逐渐稳定阶段。通过控制变量的方法对注浆压力、注浆材料水胶比分别对上浮量的影响进行分析,依据分析结果提出科学有效的上浮控制措施,研究成果可为盾构隧道管片抗浮设计及安全施工提供一定的技术依据。     

波磨激励下的地铁钢轨滚动接触疲劳裂纹瞬态扩展行为

针对地铁曲线段钢轨波磨与滚动接触疲劳损伤共存现象,在ANSYS/LS-DYNA软件中建立了采用显式时间积分的瞬态有限元模型,分析钢轨短波波磨对其上滚动接触疲劳裂纹瞬态扩展行为的影响。以我国某地铁R450 m圆曲线段低轨损伤为例,考虑21条长度15 mm、深度3 mm、倾角30°且等间距分布的半椭圆形裂纹,波长30 mm、波深范围为0.03～0.09 mm的典型短波波磨,分析在速度67.6 km/h、摩擦因数0.5和牵引系数0.1等条件下,导向轮对通过时低轨侧瞬态滚动接触行为和裂纹群瞬态扩展行为。结果表明：裂纹群对轮轨接触产生持续周期性激励,且造成法、切向动态轮轨力波动幅值远低于典型短波波磨;处于波磨激励下动态加载时段内的裂纹,其最大裂尖动态应力强度因子较无波磨工况更大,而在减载时段内则相对更小,整个裂纹群的动态应力强度因子结果呈现出与波磨几何相对应的周期性波动;当波深增加时,最大裂尖动态应力强度因子也相应增大。在波长30 mm、波深0.09 mm的波磨激励下,裂纹群内的等效动态应力强度因子最大值较无波磨工况增加了34.4%,采用文献中报道的裂纹稳态扩展速率Paris公式发现,对应裂纹扩...     

车轴裂纹扩展寿命的分析与计算方法

在由加载条件试验得出车轴裂纹扩展规律的基础上,引入有效应力强度因子范围ΔKeff值,建立适用于各种加载条件的裂纹扩展规律模型;给出实际运用条件下初始裂纹尺寸、超偏载、轮轴压装配合导致应力集中等因素影响车轴裂纹扩展的理论分析方法;建立车轴裂纹扩展寿命的计算模型,并采用Romberg数值积分法和Newton-Rophson迭代法对车轴剩余寿命进行预测。运用本文给出的模型和计算方法,以RD轴轮座部为例,对不同运用工况、不同尺寸裂纹车轴的剩余寿命进行了计算分析;以某客车RC轴断轴事故为例,对车轴初始裂纹尺寸进行计算,验证了超限裂纹漏探是导致该车轴断裂的主要原因。     

深埋不同水头条件下TBM管片结构力学特性与结构设计

通过使用ANSYS梁-弹簧模型,结合某大直径深埋TBM公路隧道管片设计,对不同高度水头下管片结构力学特性进行分析。得到随着水头高度的增加,管片结构的力学特性主要分为4个阶段。第一阶段为拱顶受拉控制。水头高度为0~1D,安全系数逐渐减小;第二阶段仍然为拱顶受拉控制。水头高度为1D~2D,安全系数逐渐增加;第三个阶段为拱顶受拉转变为拱脚受压控制。水头高度为2D~4D,安全系数逐渐减小;第四阶段属于管片环拱腰位置受压控制。水头高度大于4D,安全系数继续减小直到管片破坏。通过研究管片厚度、混凝土强度等级、配筋量3个设计因素对管片水头承载能力的影响,提出不同水头高度条件下的分段设计方法:管片处于第一和第二阶段时,增加管片配筋量和管片厚度能显著提高结构安全性;管片处于第三和第四阶段时,提高管片厚度和混凝土强度等级能显著提高管片安全系数和最终的水头承载能力。     

通用环管片点位确定条件下千斤顶行程差范围计算及其对盾构机推进过程的控制

为保证已计算出点位的待拼装管片可以顺利安装,基于盾构机与当前环管片和待拼装管片的空间位置关系,建立盾尾间隙改变量的计算模型;通过计算1环管片推进结束后盾构机千斤顶行程差和待拼装管片点位导致的盾尾间隙改变量,结合当前环管片拼装后盾构机的实际轴线与设计轴线的位置关系,给出管片点位确定条件下设定"盾尾间隙允许值"的千斤顶行程差范围计算方法;根据计算结果控制盾构机的推进过程。以宁波城市轨道交通2号线1期工程为例,验证了计算方法的可行性。根据工程实例,进一步给出了点位确定条件下保持盾尾间隙不变这种特殊情况下的行程差计算方法和计算结果;在实际工程中,可参考特殊情况下的计算结果选择合适的千斤顶行程差,控制盾构机的推进过程。     

背后存在空洞时盾构隧道管片的开裂机理及承载能力分析

为探讨盾构隧道管片背后存在空洞时管片空间受力特征及承载力变化情况,基于扩展有限元原理,采用载荷-结构计算方法,以长沙轨道交通2号线为研究背景,建立隧道衬砌三维计算模型,分别对衬砌结构16点位和2点位背后存在空洞时衬砌结构空间受力特征进行分析比较,根据分析结果,再对衬砌结构2点位背后存在空洞时衬砌结构极限承载力变化情况、开裂形态进行模拟分析。研究结果表明:衬砌结构16点位和2点位背后分别存在沿环向20°,30°和40°范围空洞时,空洞处衬砌应力集中明显,但均未出现开裂现象;随着荷载的增大,管片开裂主要位于管片环8点位和2点位方向,8点位处表现为内侧纵向开裂,2点位处表现外侧环向开裂;空洞的存在明显降低了衬砌结构的极限承载力,当衬砌结构2点位背后存在沿环向40°空洞时,衬砌极限承载力下降了30.68%。该研究可为隧道衬砌裂缝诱因分析、衬砌病害防治与修复研究提供一定的参考与借鉴。     

轮轨接触位置对钢轨斜裂纹扩展行为影响的仿真

采用ANSYS软件，仿真研究不同线路条件下轮轨接触位置变化对钢轨踏面斜裂纹扩展行为的影响。分析表明：轮轨接触位置沿纵向仅在距离钢轨踏面斜裂纹左右各1／4跨距范围内对斜裂纹扩展有突出影响，其余位置影响很小，可以忽略。在直线线路，当轮轨接触位置位于轨顶面中央时，钢轨踏面斜裂纹以Ⅰ-Ⅲ型的复合型方式扩展为主，扩展缓慢；偏离轨顶面中央5mm，钢轨踏面斜裂纹则以Ⅰ-Ⅱ型的复合型方式扩展为主，在踏面以下4mm内可能发生水平转向，5．8～12mm内容易发生横向转向。在800m曲线线路外股，当轮轨接触位置偏离轨顶面中央16．5mm时，钢轨踏面斜裂纹以Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型的复合型方式扩展为主，而且比直线线路扩展迅速；在踏面以下2．1～4．8mm内，斜裂纹可能发生水平转向，而一旦扩展至更深位置时很可能会保持初始角度扩展下去。