考虑接头非线性的壳-接触盾构隧道衬砌计算模型研究

处于低轴力水平、复杂受力过程的盾构衬砌,如输水盾构隧道、联络通道以及盾构法车站等工程施工全过程对应结构形式,其模型计算对隧道环纵缝接头刚度和强度随衬砌内力的非线性变化提出更高的要求。为解决上述具有特殊使用功能的盾构隧道衬砌内力计算中接头刚度非线性变化明显的问题,提出一种盾构衬砌管片计算模型——壳-接触模型,该模型考虑环纵向螺栓在管片厚度方向的空间分布,在管片接头处采用"压剪耦合"的设计理念。以接头抗弯数值模型与室内抗弯试验结果对比反映模型对接头弯曲特性模拟的合理性;通过与壳-弹簧模型分析结果对比,由管片错台差异体现模型接头整体抗剪刚度、抗剪强度的非线性特征,由环向螺栓力学差异确定模型在接头处于压弯力学组合状态下螺栓对衬砌刚度的实际贡献,由此验证壳-接触模型对衬砌力学行为模拟的合理性。     

大直径盾构隧道斜螺栓环缝抗剪特性研究

以大直径盾构隧道施工过程中管片上浮错台问题为背景,研究大直径盾构隧道环缝结构的抗剪特性,从结构承载力角度提出有效且可控的抗浮措施,并深入探究环间错台对隧道结构的影响,以确定大直径盾构隧道环间变形控制标准,减小隧道环间错台引起的管片损伤。以深圳妈湾跨海通道为依托,基于材料塑性损伤本构,考虑管片接缝细部构造,根据相关管片环缝剪切原型试验对接缝抗剪数值模拟方法的有效性进行验证。随后,利用数值模拟研究了环向接缝顺剪、逆剪和切向剪切时的错台现象和破坏特征,分析了斜螺栓、凹凸榫对环缝抗剪特性的影响,为大直径盾构隧道环缝结构的抗浮设计和安全评价提供依据。研究表明:环缝剪切错台数值计算结果与试验结果吻合良好,能够有效揭示接缝剪切过程中结构的变形特点和损伤特性;环缝接缝的剪切错台过程较为复杂,呈阶段性特征,螺栓和凹凸榫的受力状态是决定接缝抗剪特性的关键因素;凹凸榫能显著提高接缝抗剪刚度和承载力,但也带来接缝应力集中和张开过大等问题,设计和施工过程中需充分考虑接缝刚度和变形的适应性;基于环缝错台损伤分析,提出了环缝变形的三级安全评价指标,大直径盾构隧道接缝变形必须控制在Ⅱ级以内,以保证隧道的结构安全和正常使用性能。     

盾构隧道斜螺栓连接环缝剪切破坏特征理论解析

为解决盾构隧道环缝接头在不均匀沉降作用下易发生破坏的问题,以某斜螺栓连接大直径盾构隧道环缝为例,通过足尺试验方法,揭示该隧道环缝的破坏机制,随后采用计算力学方法,将足尺试验获得的结论推广到构造类似的其他斜螺栓连接大直径盾构隧道环缝。研究结果表明:斜螺栓连接大直径盾构隧道环缝的破坏过程分为3个阶段,第1阶段环间剪力由静摩擦力平衡,环缝抗剪刚度很大;第2阶段在环缝剪力几乎不增加的情况下错台有所发展,环缝抗剪刚度接近于0,主要是由于斜螺栓与螺栓孔之间的间隙;第3阶段环缝剪力增量由斜螺栓承担,环缝抗剪刚度随斜螺栓支撑条件以及塑性铰产生过程而变化。解析解与试验结果具有良好的匹配性。     

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...     

潮汐作用对大断面海底盾构隧道管片接缝防水性能的影响研究

为探究潮汐作用导致大断面盾构隧道管片环间接缝的张开情况及其对防水性能的影响,基于在海潮显著变化区修建的大断面海底隧道--苏埃通道工程,通过建立管片的ANSYS有限元实体模型计算出管片纵向接头的等效抗弯刚度; 建立隧道的纵向等效刚度模型,通过施加不同的潮位差所对应的水头压力,得到潮汐荷载作用下隧道纵向弯矩和轴力的分布情况; 进而通过环缝张开量计算公式,确定沿盾构隧道纵向各位置处的环缝张开量。研究结果表明： 较大的环缝张开量主要出现在地层的软硬程度沿纵向呈现剧烈变化的位置,由于该位置发生不均匀沉降,导致弯矩和轴力的结果偏大,从而影响到环缝张开量; 潮汐荷载作用引起的最大环缝张开量为0.271 mm,对接缝防水性能的影响较低。     

盾构隧道纵向接头抗拉性能试验

盾构隧道纵向在受到如地震、纵向地层变形等因素影响时,可能发生环缝张开,使得纵向接头在受拉时更容易破坏。为研究大断面盾构隧道纵向斜螺栓接头在拉拔过程中的受力变形特征及破坏过程,采用自主研制的接头螺栓拉拔装置,开展了1：1接头足尺抗拉性能试验,分析了管片纵向接头在不同加载方式及荷载工况下,管片混凝土应力分布、螺栓应力分布及传递、结构声发射信息和接头最终破坏模式等特征。研究结果表明：斜螺栓纵向接头在拉拔过程中会对管片纵向接缝面及外表面的应力分布产生影响,对管片内表面的应力分布影响较小;纵向斜螺栓在顺向拉拔过程中,未能充分发挥其承载能力,而在垂直接缝面的拉拔过程中,螺栓与套筒、管片内部混凝土的破坏基本保持同步,可充分发挥其承载能力,与混凝土强度配合较好;螺栓拧进套筒的程度影响纵向接头的抗拉拔能力,拧进程度越大,螺栓与套筒的联结能力越强,越能发挥纵向接头的抗拉拔能力;结构最终破坏模式是螺栓、套筒及混凝土间的联结失效,破坏具有突发性,顺拔工况下,纵向接缝面会在孔口周围发生近外表面的锥体破坏,垂直拔工况下,套筒内部螺纹被挤压破坏,因此,可采取提高套筒强度、加强套筒周围配筋等措施以进一步改善纵向接头的整体性能。     

石家庄市轨道交通1号线小半径曲线隧道盾构施工技术

以石家庄市轨道交通1号线火炬广场站-石家庄东站盾构区间为实例,从盾构选型、管片选型、掘进参数、同步注浆、二次补浆、管片螺栓复紧等方面采取针对性的控制措施,成形隧道轴线控制在-50～+50 mm,管片错台控制在10 mm以内,地表沉降控制在-20～10 mm,成功解决小半径曲线隧道盾构施工轴线难以控制、管片容易产生错台、地表沉降较大等问题,对今后小半径曲线隧道盾构施工有一定的参考价值。     

意外沉船对海太过江公路隧道的影响分析

为定量评价意外沉船工况下水下大直径盾构隧道结构的力学响应，以海太过江通道公路隧道为依托工程，建立了三维精细化的隧道开挖与沉船影响仿真模型，研究了极限冲刷条件下不同沉船位置参数对管片结构纵向、横向受力和变形性能的影响规律。分析表明。(1)沉船轴线与隧道轴线正交且关于隧道中线对称时，隧道纵向受力性能最不利；斜交沉船工况下，隧道的横向受力性能相对更不利，但与正交对称沉船工况数值较接近。(2)在极限冲刷条件下沉船后，海太过江隧道纵向最不利受力变形参数为：最小曲率半径为25 994 m,最大环缝张开0.91 mm,最大竖向错台2.33 mm,最大纵向螺栓轴力为234.1 MPa。最不利沉船工况下，隧道结构纵向受力变形满足要求。(3)在极限冲刷条件下沉船后，海太过江隧道横向最不利受力变形参数为：最大径向收敛变形为30.12 mm,最大纵缝张开0.99 mm,最大管片压应力19.06 MPa,最大钢筋应力35.10 MPa,最大环向螺栓应力为241.6 MPa;最不利沉船工况下，隧道结构横向受力变形满足要求。研究成果可用于指导海太过江通道公路隧道结构参数的设计。     

地铁盾构隧道弯矩和变形控制值研究

为评估紧邻基坑施工对地铁盾构隧道结构安全和运营安全的影响,需确定盾构隧道结构的弯矩和变形控制值。以广州地铁一号线黄沙车站地铁上盖基坑工程为背景,首先,根据盾构管片尺寸、配筋和接头螺栓情况,计算盾构隧道管片的弯矩控制值,评估依托工程盾构隧道结构的应力水平;其次,通过等效轴向刚度模型理论和简易接缝张开量计算方法,分析盾构隧道纵向变形曲率与管片环缝接头张开量的关系;然后,结合地铁盾构隧道保护经验和管片环模型试验结果,提出盾构隧道变形的控制值;最后,通过依托工程地铁盾构隧道结构的三维变形实测数据分析,评估目前盾构隧道结构的安全现状,并对隧道变形的监测工作提出建议。研究成果可为今后类似工程地铁盾构隧道的安全保护提供指导。     

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。     

盾构法隧道穿越活动断裂带方案探讨

为研究隧道穿越活动断裂带的合理抗错设计措施,结合胶州湾第二海底隧道采用案例调研、数值模拟等手段分析了3种不同抗错方案下隧道结构变形、接缝张开、错台形态以及钢筋应力、螺栓轴力等关键控制指标,探讨不同措施的抗错效果。研究表明： 1）3种不同抗错措施在断层错动作用下管片结构沿纵向受力变形规律相同,断层错动对隧道结构影响主要集中在破碎带上盘边界外30 m到下盘边界外30 m的范围; 2）断层错动作用下钢筋受力整体表现为“顶底部钢筋受压、两腰部钢筋受拉”状态,环宽1.5 m钢筋拉应力最大为436 MPa,3种工况下钢筋均未发生屈服; 3）环宽1.5 m管片环缝张开量为3.8 cm,比其他2种工况减小60%~70%; 4）提出了管片环宽1.5 m以及抗震设防区域为上盘左边界2D至下盘右边界2D（D为15.0 m）范围的抗错设计方案。研究成果对盾构法穿越大错动量断层带的抗错方案研究具有一定的参考作用。     

考虑收敛变形的通缝拼装盾构隧道纵向等效抗弯刚度计算分析

为了研究运营地铁通缝拼装盾构隧道长期沉降过程中衬砌结构横向变形对其纵向变形和受力的影响,基于上海轨道交通8号线西藏北路站—中兴路站运营盾构隧道现场试验监测数据,对等效连续化模型进行修正,考虑隧道收敛变形对结构纵向变形的影响,并将该计算方法与现有计算方法进行对比分析。结果表明:1)弯曲状态下,环缝位置不考虑剪切作用时,随着隧道收敛变形的增加,拱底环缝张开量最大值、管片拉压应力和螺栓拉应力均略有减小。2)结构纵向变形曲率半径越小,隧道收敛变形对其影响越显著。3)在大曲率半径隧道结构纵向变形状态下,隧道收敛变形对结构纵向变形的影响可以忽略;不考虑轴向拉伸导致结构纵向变形条件下,结构弯曲导致的拱底环缝张开量较小。     

大断面矩形盾构隧道管片接头极限抗弯承载力试验

为了研究大断面矩形盾构隧道管片接头结构的力学性能及其极限承载能力和极限破坏状态,进行了该管片接头的极限抗弯承载力试验。试验在同济大学自主研发的盾构隧道管片接头试验加载系统中进行,采用Datataker数据采集系统记录了接头试件在荷载作用下的力学性能变化过程,同时采集并记录了该接头的破坏过程和最终破坏形态。通过分析管片接缝张角、接头处挠度以及双排螺栓应力随接头处弯矩荷载的变化,对该管片接头结构力学性能变化及破坏全过程进行研究,并将其分为3个阶段:弹性变化阶段(弯矩小于450kN·m)、塑性发展阶段(弯矩为450~800kN·m)、屈服破坏阶段(弯矩大于800kN·m)。试验结果表明:正弯矩荷载下该断面形式的大断面矩形盾构隧道管片接头屈服弯矩为800kN·m,极限抗弯承载力为884kN·m,均远大于该管片接头设计荷载(534kN·m),意味着试验的大断面矩形盾构隧道管片接头可满足抗弯设计的要求,并为类似工程提供参考。管片接头试件的最终破坏形态表明,除了传统圆形盾构隧道管片接头试验中常见的接缝混凝土受压屈服破坏、接头螺栓受拉屈服破坏以外,所研究的大断面矩形盾构隧道纵缝接头出现了新的破坏形态,即接头盒断裂和锚固失效。     

双车道高速公路越江盾构隧道管片结构开发与力学分析

针对双车道高速公路越江盾构隧道,开发了一种10块等分管片结构,并进行了力学分析.结果表明:通缝拼装管片结构的变形较大,弯矩和剪力最小,纵向螺栓的剪力为零;而错缝拼装的变形较小,弯矩和剪力最大,纵向螺栓剪力较大;两种拼装条件下轴力变化不大;水土分算情况下管片结构的内力和变形比水土合算的要小.10块等分管片在特定的错缝拼装条件下,每一环管片的内力和变形是相同的,可改善管片结构的受力特征、减少配筋量.管片一环10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,值得在我国双车道高速公路越江盾构隧道中推广应用.     

纵向力对带榫管片环缝剪切破坏机制影响研究

为明确带榫管片环缝剪切受力机制及剪切受力过程中纵向力对管片结构环间接缝抗剪性能的影响,采用苏通GIL （Gas Isolated Line）综合管廊工程所用带有分布式凹凸榫的原型管片衬砌,通过局部原型试验,对带榫管片结构在考虑不同纵向力作用下的受荷过程中环间螺栓应力、环间分布式凹凸榫表面应力、环缝张开量进行了研究。结果表明：①不同纵向力作用下带榫管片结构环缝剪切受力机制不同,纵向力较小时环缝凸榫受力破坏方式为多次的凸榫混凝土冲削损伤破坏,而纵向力较大时环缝凸榫破坏方式为单次的混凝土剪切破坏,凹凸榫之间形成剪切破坏面。②不同纵向力作用下带榫管片结构环缝凹凸榫破坏最严重位置均靠近纵向接头处,为中间凸榫;两侧凸榫损伤程度较弱,纵向力较小时两侧凸榫损伤程度高于纵向力较高时。③环间纵向力的增加有助于提高带榫管片结构环缝的抗剪能力,可使凸榫均匀受力,同时降低凸榫的损伤程度,避免局部区域环缝接头与凸榫表面的应力集中;实际工程中可通过螺栓复紧等方式保持环间纵向力。④对于环缝张开量的控制是保持纵向力的主要目的,在实际工程中,可通过环缝张开量的状态与发展,通过分阶段分析凸榫受力模式,评估环缝凹凸榫抗剪能力的发挥程度,以达到充分利用榫槽抗剪性能的目的。     

盾构隧道管片接头缩尺试验模拟方法

由于盾构隧道管片接头刚度影响因素繁多复杂，使得缩尺模型管片接头制作困难、模拟效果较差。为此，提出一种采用特制弹簧与预埋螺栓共同工作的管片接头模拟方法来模拟原型管片接头，并分别对该方法设计的模型管片接头以及原型管片螺栓连接接头的轴向、剪切及弯曲刚度进行计算分析。通过对比分析可以得出设计管片模型接头与原型管片螺栓连接接头的等效条件，在满足上述等效条件的情况下，经相似关系换算可认为缩尺模型管片接头刚度与原型管片接头刚度满足试验设定的相似关系。最后，采用堆载试验对模型管片进行可行性验证。经理论分析及模型试验表明： 提出的盾构隧道管片接头缩尺试验模拟方法可使模型接头刚度等效于原型管片接头，能较为全面地满足模拟原型管片的要求。     

防水失效的盾构隧道管片环收敛变形控制标准研究

盾构隧道日常健康监测中,弹性橡胶密封垫工作性态难以直接快速评估,针对该问题,提出以隧道收敛变形为监测指标,采用数值模拟方法计算得到防水标准条件下的弹性密封垫极限松弛量,并结合接头刚度的迭代算法由管片环梁-线性弹簧模型确定弹性橡胶密封垫极限松弛量对应的管片环收敛变形量。由考虑地层差异设置的5种工况计算结果认为:埋深土层土体特性差异对防水失效的上海地铁通缝拼装式盾构隧道管片环收敛变形量影响不大,其控制标准可定为管片环外径D的3.5‰。     

考虑衬砌渗透性的盾构下穿既有隧道纵向结构错台变形研究

目前针对盾构开挖下穿既有隧道的解析理论研究一般基于Winkler地基模型,且未考虑既有隧道衬砌渗透特性,常常忽视地基剪切变形和既有隧道渗漏水的影响。基于体现土体剪切特性的Pasternak地基模型,首先计算了既有隧道渗漏水影响下盾构开挖在既有隧道轴线处产生的附加荷载。在此基础上,通过能量变分法建立由抗拉弹簧及剪切弹簧共同连接相邻管片环的既有隧道变形模型,获取隧道纵向结构剪切错台响应规律。选取多个工程实例,将理论解析结果与现场实测数据进行对比后发现,考虑地基剪切变形及既有隧道渗漏影响的理论解析结果更加贴近实测数据。此外,针对既有隧道异常渗漏区间渗漏程度、异常渗漏范围、异常渗漏位置进行了影响因素分析,并依据环间错台量及环间转角对既有隧道进行安全等级评估。通过参数分析发现：随着异常渗漏区间衬砌渗漏程度的增大,既有隧道纵向结构变形显著增大,当异常渗漏区间衬砌-土体相对渗透系数为0.1时,已有小范围环间错台量及转角被纳入安全评估等级Ⅲ;随着异常渗漏范围的扩大,既有隧道纵向结构变形增大,更大范围的环间错台量及转角达到安全评估等级Ⅲ;异常渗漏位置向远离新建隧道中心轴线方向发生偏移,既有隧道纵向变形逐渐减小,纵向结构变形峰值沿异常渗漏位置偏移方向发生偏移。     

强震作用下大断面海底盾构隧道管片环缝防水性能

为探明强震作用下导致的盾构隧道管片接缝大张开情况下的防水性能,以在高烈度区修建的大断面海底盾构隧道——苏埃通道工程为依托,通过有限元数值分析建立纵向等效刚度模型及隧道全长震动分析模型,确定了高烈度区强震作用下管片环缝的震动张开量,并根据张开量的大小类比既有大断面盾构隧道防水标准,建立了高烈度区强震作用下大断面盾构隧道环缝防水指标;通过接缝防水试验,优化了密封垫及沟槽截面尺寸,并据此提出了强震作用下的大断面海底盾构隧道管片环缝防水的合理形式。结果表明:强震作用时三段硬岩凸起处、接收井处及多地层交互处环间接缝张开量显著大于其他区段,其环间张开最大值远大于既有大断面盾构隧道的张开量,应对此类区段采取特殊的抗震措施,降低环缝张开量;仅增加密封垫的厚度达不到强震条件下的防水要求,并且密封垫的压缩应力会急剧提高,于管片拼装不利,同时提高密封垫截面并加深密封垫沟槽可提高抗水压能力,且密封垫的压缩应力能达到一个合理值,不影响管片的拼装效率。研究结果可为苏埃通道工程及类似工程的管片接缝防水设计提供参考。     

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。