狮子洋水下盾构隧道衬砌结构受力的现场测试与计算分析

以狮子洋水下盾构隧道为背景,对管片衬砌在施工期和后期所受外荷载和结构内力进行长期现场追踪测试,总结衬砌结构外荷载和内力随时间变化规律。并采用三维壳-弹簧计算模型对大断面宽幅管片结构内力分布形态进行研究,与现场测试结果相互验证。研究结果表明:施工期管片衬砌脱环后容易形成无水压环箍作用下土体偏压状态;施工后期水、土压力长期随时间增长,结构内力随之增大,结构轴力较弯矩增幅明显。三维壳-弹簧计算模型适应大断面宽幅管片衬砌结构计算。试验和数值计算结果在量值和分布规律上一致。封顶块处弯矩较小,其弯矩由临近环衬砌结构承担;受环间接头错缝效应影响,幅宽边缘靠近衬砌结构纵缝处轴力发生突变。     

基于梁-非线性弹簧模型的盾构隧道管片环极限变形特征研究

管片环极限变形特征是盾构隧道结构设计的关键控制指标和结构安全监测的重要依据。已有的接头弯曲加载试验表明,当弯矩较大时,接头变形具有明显的非线性特征。针对上海地铁区间盾构隧道管片环内的无衬垫式接头,建立其力学模型并推导其变形解析式,得到一定轴压作用下接头变形非线性特征的定量化描述,将其与试验数据对比,验证接头力学模型和变形解析式的工程适用性。基于非线性弹簧单元建立管片环梁-非线性弹簧模型,采用有限元方法对考虑外荷载及接头自身性能等因素不确定性的各工况管片环极限变形特征进行计算分析,根据分析结果提出对盾构隧道管片环结构设计及运营期结构安全监测提出建议。     

弱抗力地层盾构隧道失稳破坏的模型试验研究

以外径10.8m的大断面盾构隧道为研究对象,针对标准贯入度N≤5的软弱黏土地层条件,进行盾构隧道管片衬砌结构的失稳破坏模型试验,分析拼装方式、接头抗弯刚度、管片刚度、地层空洞及地层改良对盾构隧道稳定性的影响,探明盾构隧道的失稳破坏形态。结果表明,与增强管片结构刚度措施相比,地层改良更能显著提高盾构隧道的稳定承载力;地层空洞的存在加剧了管片衬砌的失稳,空洞位置越靠近隧道拱腰水平位置,盾构隧道的稳定性越差;从提高盾构隧道的稳定性方面考虑,建议采用错缝拼装方式、刚性管片接头,并避免管片缺陷的产生。盾构隧道失稳是管片衬砌结构强度破坏与整体刚度降低耦合发展的结果。在无管片缺陷、无地层空洞情况下,盾构隧道失稳时的管片衬砌最大单点位移80~140mm,椭圆扁平率2%~5%,可为外径10m级盾构隧道失稳判定提供参考。     

深埋软岩盾构隧道围岩压力控制方法研究

以广佛环线东环隧道工程为背景,从盾构隧道动态施工全过程出发,参考考虑开挖面空间效应的二阶段分析方法,拓展盾构隧道施工全过程的两阶段分析方法,以此分别建立盾构隧道施工第一阶段和第二阶段分析模型,研究围岩蠕变过程中围岩应力释放率、填充层厚度、填充层弹性模量对大埋深软岩盾构隧道围岩和支护结构相互作用规律的影响。结果表明:(1)施工过程中可从两方面控制围岩压力,分别为第一阶段中围岩的应力(位移)释放率及第二阶段中管片和填充层的联合支护效果;(2)第一阶段,超挖量、盾壳长度及填充层滞后距离越大,围岩传递到管片衬砌上的荷载越小;(3)壁后填充层在管片衬砌与其的联合支护体系中能起到缓冲作用,使围岩传递到管片衬砌上的荷载更均匀;(4)壁后填充层的弹性模量存在临界值,其值在50～200 MPa范围内,当壁后填充层的弹性模量远大于此临界值时,能分担较多围岩压力,当其弹性模量小于临界值时,围岩能释放一定的围岩应力,以此减小管片衬砌所受围岩压力;(5)第一阶段应力释放率对管片衬砌变形和内力的影响程度在围岩的蠕变作用下有所减小,但填充层厚度及其弹性模量对管片结构的作用规律几乎不受围岩蠕变的影响。     

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。     

盾构下穿施工对既有隧道管片接头力学性能影响机制研究

基于多尺度混合建模技术和非线性接触理论,建立考虑管片接头细部构造和静动应力累积的盾构隧道精细化数值计算模型,研究盾构正交下穿施工扰动下,既有隧道管片结构(含接头)的静动力力学特性。研究结果表明:新建盾构隧道的下穿施工将引起既有隧道管片结构纵向不均匀下沉,并伴有一定的扭转;管片接头变形、螺栓内力和接头混凝土应力均表现出波动性增长,其峰值出现在既有隧道中部及其前后约6 m处;下穿施工扰动下,既有隧道管片拱腰处纵缝接头张开量的增加与拱底环缝接头错台量的增长分别对隧道的防水及螺栓受力不利;螺栓所在位置拉应力集中明显且显著增长,接近管片混凝土极限抗拉强度。在列车荷载作用下,管片接头变形,螺栓内力和管片应力3项指标表现出相似的变化规律,在轮轨经过时,量值迅速增大并产生剧烈波动,其中螺栓剪力和动拉应力在轮轨荷载交替时存在一定叠加效应。     

盾构隧道管片环向接头刚度的解析分析法

基于盾构隧道管片接头的细部构造,分析在正、负弯矩作用下接头分离前后接头的不同力学机理。通过建立接头力学平衡关系,给出在正、负弯矩作用下接头分离前后接头的抗拉刚度和抗弯刚度的非线性解析公式,以及接头的抗压刚度和抗剪刚度的线性解析公式。利用给出的解析公式获得接头的力学参数,通过建立匀质圆环模型、线性接头模型和非线性接头模型3种有限元模型,对比3种模型的内力和变形特征。结果表明:接头抗弯刚度会在接头分离时出现突变,此后接头抗弯刚度较分离前会表现出一定程度的减弱;螺栓预紧力是影响接头分离时螺栓拉力的主要因素,决定接头分离时的分离转角;考虑接头效应,衬砌的弯矩和剪力都会出现明显的减小,衬砌变形会出现较大程度的增加,但对轴力影响较小;管片环向接头分离后,接头抗弯刚度减弱,管片环弯矩尚有进一步减小,变形尚有进一步扩大的趋势。     

地裂缝环境下盾构隧道结构性状及适应性研究

为了揭示地裂缝环境下不同拼装方式盾构地铁隧道结构性状及适应性,以拟建西安地铁8号线为依托工程,考虑采用盾构隧道穿越地裂缝场地为工程背景,建立三维有限元数值模型,对地裂缝错动作用下不同拼装方式盾构隧道结构变形与内力及适应性进行分析。主要结论:地裂缝错动时通缝拼装盾构隧道沉降变形明显大于错缝拼装盾构隧道;拼装方式对管片衬砌结构内力分布规律的影响不大,均表现为拱底位置出现管片接头挤压破坏和两侧拱腰位置受剪最为严重,但数值上通缝隧道内力更小一些;通缝隧道的环间相对垂直位错量及影响范围均大于错缝隧道。从地裂缝场地盾构隧道适应性来看,当地裂缝位错量s≤10 cm时,两种拼装方式的盾构隧道均可用于地裂缝场地,而当地裂缝位错量s10 cm时,错缝拼装的盾构隧道更适合地裂缝场地。     

盾构隧道内力分析方法的对比研究

阐述了修正惯用法、弹性支承法和梁-弹簧-压杆法的计算原理,结合某盾构隧道实例,分别运用3种方法对比分析了盾构隧道弹性抗力的分布特点和规律及其对结构内力的影响。研究表明:管片接头效应主要影响衬砌弯矩,对衬砌轴力影响有限;径向弹性抗力有助于削弱管片衬砌弯矩,增大管片衬砌轴力;修正惯用法获得的弯矩值最大,弹性支承法次之,梁-弹簧-压杆法最小,而轴力值基本不受分析方法的影响。建议盾构隧道初步设计时采用修正惯用法,施工图设计时采用可编程的弹性支承法,工程研究分析时采用梁-弹簧-压杆法。     

列车脱轨撞击下盾构隧道管片衬砌开裂与接头螺栓动力响应特性研究

建立盾构隧道非线性开裂三维有限元模型,研究时速200km列车脱轨撞击荷载作用下,盾构隧道管片衬砌裂缝的分布、大小、扩展过程以及接头螺栓的最大主应力、振动速度、振动加速度等动力响应特性。研究表明:在列车撞击下,管片衬砌开裂的位置主要集中在管片衬砌受撞击的中心区域及其附近纵向接缝部位;不同部位的裂缝扩展形态有差别,撞击中心区域的裂缝为贯穿性不规则曲线裂缝,纵向接缝部位的裂缝通常呈现直线裂缝或多段折线裂缝;撞击中心区域主裂缝的张开度与距撞击中心的距离有关,除撞击中心处以外,距撞击中心越近位置的裂缝其张开度越大;螺栓的最大主应力峰值、振动速度峰值均出现在荷载震荡作用阶段,而振动加速度峰值则出现在荷载峰值阶段,同一水平位置上位于撞击区域后侧的管片接头螺栓所受到的最大主应力、振动速度和振动加速度等动力响应总是大于前侧螺栓。     

基于壳-弹簧模型大断面盾构隧道管片衬砌设计参数灵敏度及取值研究

随着盾构隧道直径及幅宽的加大,综合考虑衬砌接头的传力及分布特性,传统的二维计算(梁-弹簧)模型已不足以更为全面地反映衬砌结构的空间力学特征。以ANSYS为平台,基于内置APDL和UIDL语言编制的"盾构管片衬砌三维分析程序"(3D Segment Lining Analysis Program of Shield Tunnel-SLAP 3D),建立壳-弹簧模型,对比分析地层参数(包括侧压力系数、地基抗力系数)、接头刚度参数(包括接头抗弯刚度、轴向抗拉压刚度、切向剪切刚度)对衬砌内力的影响,给出相关参数的取值原则。研究表明:进行衬砌内力计算时,接头抗弯刚度的取值宜通过工程类比或试验确定,在无法准确确定时可偏安全的取较大值;接头抗压、抗剪刚度在结构计算中可偏于安全的取大值。     

地铁盾构隧道结构设计的几项优化

介绍管片衬砌内力计算的4种基础理论,结合基础理论分析模型建立的条件,以北京地铁某盾构隧道为例,计算了管片的内力大小,分析了最不利内力组合,对管片的配筋形式、配筋量进行设计,同时列举了类似工程结构设计状况。在综合考虑环宽、管片连接螺栓设计以及施工组织等因素的情况下,提出技术和经济上有利的管片优化设计方向。还介绍了因施工原因造成的管片边角局部集中受力时,为避免局部破坏,在钢筋布设方面的应对措施。     

盾构隧道管片接头抗弯刚度的三维数值计算

管片接头是装配式盾构隧道的关键部分,其抗弯刚度对管片环的内力及整体性能均有重要的影响,使得接头抗弯刚度的取值显得尤为重要.本文以广州地铁盾构隧道使用的管片为研究对象,采用三维有限元法,利用通用有限元软件ADINA,在建立精细有限元模型的基础上,计算得到正负两方向及不同偏心距荷载下接头变形的特点和接头的抗弯刚度.从而可知,正弯曲刚度具有一定的非线性性质,线性回归得到的刚度量值为1 236.7kN·m/rad;负弯曲刚度曲线为线性,线性回归得到的刚度量值为2 295.1 kN·m/rad.接头刚度受接头内力组合的偏心距影响,偏心距越大,接头刚度越大.在接头的模拟计算中,有必要建立和实际相同的数值模型,从而避免各种误差.     

水压条件下盾构隧道双层衬砌力学特性分析

研究目的:针对国内某些盾构隧道开始出现内部构筑二次衬砌的工程实际,为探明二次衬砌与管片衬砌的相互作用机理,提出相应分析模型,以便正确评价二次衬砌的功能以及为合理地应用二次衬砌提供参考。研究结论:采用提出的双层衬砌抗剪压模型分析了三种典型工况下结构的内力特性,结果表明:增设二次衬砌将加大管片衬砌的弯矩,减小管片衬砌的轴力,这在管片衬砌发生渗漏后更加明显;相对管片衬砌而言,二次衬砌仅发挥了辅助性的承载作用;增设二次衬砌后,双层衬砌的整体受力并非更加合理;理想中的双层衬砌联合承载作用必须在特定荷载和地层结构参数的情况下才能发生。二次衬砌的作用主要体现在管片衬砌完全失效后可立刻发挥承载潜能,担负安全储备的作用。     

郑州地铁盾构隧道管片衬砌不同计算模型比较

针对郑州地铁某盾构区间隧道,在隧道覆土厚度、地层、地下水位和其他条件相同情况下,采用均质圆环法和梁-弹簧模型两种方法对管片衬砌的内力和变形进行了计算比较。均质圆环法弯矩较大,相应变形和轴力较小。均质圆环法与圆环刚度有效系数相关,有效系数越大,弯矩越大,变形和内力越小。梁-弹簧模型不仅考虑环向接头刚度还考虑了纵向接头刚度(径向和切向),与实际情况较为接近。     

大直径泥水盾构隧道管片结构力学特性研究

以扬州瘦西湖隧道为例,介绍了盾构隧道穿越地层的工程地质与水文地质条件、典型断面管片布置形式,以及管片结构受力监测方案。共设计了4个监测断面,对管片的力学特性进行监测。通过实测结果分析和数值模拟分析,得出的主要结论是:柔性土压力计和光栅传感器能够较好地应用于管片的现场监测工作,可以得到较为全面准确的隧道衬砌结构荷载和内力在施工期的分布;衬砌结构荷载总体随时间呈先减低后趋于平稳的规律,施工期的注浆作用会使衬砌结构荷载大于稳定后的结构荷载,同时注浆压力控制不当会导致结构荷载的分布不均匀(在设计时应重点关注);注浆阶段(同步注浆到注浆效应消散),衬砌结构内力处于波动状态,与各同步注浆孔压力分布不均有关,稳定后的结构轴力大致为注浆作用下最大值的60%~65%,注浆作用对结构轴力影响较大。     

软土地区通缝拼装地铁盾构隧道管片纵缝接头的优化

针对软土地区地铁盾构隧道管片纵缝接头因地表超载易发生破损的问题,考虑软土地层的特性,提出在软土地区盾构隧道横向刚度设计中,采用加大隧道结构刚度和强度的"刚性衬砌"设计理念,对管片纵缝接头进行优化。通过局部或者整体增加管片的厚度,均可增加管片纵缝接头的抗弯刚度,从而明显减小管片环的变形,虽然由此使得管片环的弯矩有所增大,但管片环变形减小的幅度远大于其弯矩增大的幅度;分别设计外张纵缝接头与内张纵缝接头连接螺栓的位置,纵缝接头的连接螺栓应靠近接头张开的一侧;在管片环分块时尽量将管片纵缝接头设计在弯矩较小的位置,同时在满足施工的条件下,尽量减少管片环的分块数量;局部加强纵缝接头位置的管片棱角,以预防管片接头棱角破损;通过合理设计防水密封垫的位置及断面形式,加强盾构隧道管片纵缝接头的防水能力。     

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。     

高速铁路水下盾构隧道管片内力分布规律研究

以在建的广深港高速铁路狮子洋隧道为背景,采用自行开发的"多功能盾构隧道结构体试验系统"装置,对大断面宽幅管片衬砌结构在通缝及错缝拼装方式下环向内力的分布规律进行原型试验实测与分析,并对正弯区和负弯区目标管片表面应力的分布进行测试,同时采用数值计算进行对比分析。研究结果表明:通缝拼装管片结构内力沿幅宽的变化很小,而错缝拼装管片结构在不同荷载条件下,内力沿幅宽的分布有所差异,水压越大其差异越小;管片手孔密集区往往会出现应力集中,同等条件下正弯区表面应力状态比负弯区更为不利;管片厚度方向表面应力分布呈显著的非线性变化,高水压使其非线性变化加剧。     

地铁盾构隧道管片接头刚度影响因素研究

在对我国地铁单线区间盾构隧道衬砌结构及内力统计分析的基础上,引入面-面接触单元和衬垫单元,采用三维有限元手段对盾构隧道管片纵向接头在不同轴力、弯矩、偏心矩、螺栓预紧力、管片尺寸、衬垫厚度和螺栓位置下的接缝端面转角和接头抗弯刚度进行了深入研究,通过-θM关系曲线和三维图形曲线分别揭示和探讨了不同影响因素单独和共同作用下的接缝转角和接头抗弯刚度变化规律。