爆炸荷载作用下盾构隧道动力响应数值分析

盾构法因其适应性强、施工质量好和对环境干扰小等诸多优势在城市地下空间开发中得到了广泛的应用,但由于盾构隧道衬砌是由管片拼装而成的装配式结构,其整体性要劣于整体式衬砌。为考察盾构隧道的抗爆动力性能,利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立了考虑管片与管片间、管片螺栓间、管片与土体接触以及钢筋与混凝土耦合的有限元模型,以典型的地铁区间盾构隧道为例,分析了爆炸对盾构隧道结构的破坏作用机理,研究了管片以及连接螺栓的破坏特性。研究结果可为盾构隧道结构防护设计提供参考。     

考虑内部预制结构的盾构隧道抗震性能分析

近年来,预制结构逐渐应用于隧道内部结构,如上海复兴东路隧道、南京纬三路隧道等。与现浇结构相比,预制结构具有生产效率高、产品质量好、工人劳动强度低、保护环境等优点。但是,其连接部位薄弱,抗震性能相对较差。以某盾构隧道为背景,基于目前盾构隧道抗震设计不考虑内部结构的现状,采用动力时程方法对比分析了预制和现浇两种内部结构形式对盾构隧道管片抗震性能的影响,从而系统评价了考虑内部预制结构的盾构隧道抗震性能。结果表明:设计地震作用下,考虑内部结构能明显改善盾构隧道管片的抗震性能,且内部现浇结构优于内部预制结构;罕遇地震作用下,内部现浇结构会先于盾构隧道管片破坏,且内部现浇结构相比内部预制结构更为不利。     

盾构隧道60°斜穿地裂缝的变形破坏机制试验研究

 从西安地铁盾构隧道工程背景和西安地裂缝地质环境出发,根据相似理论设计盾构隧道管片衬砌结构60°斜穿地裂缝的物理模型试验。管片混凝土应变、纵向和环向螺栓应变、结构接触土压力和结构外围土压力、结构内部收敛位移、模型顶表面土体变形以及宏观变形破坏现象表明,盾构隧道管片衬砌结构60°斜穿地裂缝的变形破坏模式以剪切变形为主,局部有扭转和弯曲变形;结构破坏范围为上盘0.75D(D为管片环外径1.20 m),下盘0.50D;管片混凝土破坏主要发生在螺栓孔附近,地裂缝处纵向螺栓发生较强的剪切、扭转和拉伸变形破坏;管片衬砌结构变形破坏不对称,管片环向处于偏压状态;环缝拱顶错位量大于拱底和拱腰,拱顶最大错位量达30 mm(0.025D),模型难以适用地裂缝错动变形20 cm(0.166 7D),盾构管片衬砌结构不适用于地裂缝活动强烈的地质环境。     

大断面盾构隧道施工抗浮计算研究

基于大断面盾构隧道施工中经常碰到的上浮问题,首先讨论了盾构隧道施工中管片上浮的原因:水、注浆所用浆液、泥水盾构所用泥浆等所产生的浮力,以及建筑间隙的存在、施工过程对上覆土的扰动等,都可能是盾构管片上浮的原因.进而对盾构隧道抗浮问题进行了计算分析,在上覆土荷载及管片自重荷载之和小于管片所受浮力的情况下,重点考虑了邻接管片对上浮管片的约束作用(管片环间的摩阻力以及管片纵向连接螺栓自身的抗剪切能力),以及剩余力对上覆土产生的压缩效应.分析结果表明:隧道上浮问题的产生与否不仅与管片自重、上覆土荷载以及受到的浮力大小有关,也与管片本身特性有关;隧道抗浮控制既可以从改善上覆土性能,增加上覆土厚度入手,也可以从改善管片自身受力性能入手,诸如增加纵向螺栓数量、加大螺栓直径、加大螺栓紧固力、设置剪力键等.     

水下盾构隧道管片衬砌结构渐进性破坏机理模型试验研究

水下盾构隧道管片衬砌结构病害的防治是一个公认的难题,揭示管片衬砌结构破坏、失稳的机理显然对病害的科学治理具有很强的指导意义。采用模型试验方法,通过超载的形式对水下盾构隧道管片衬砌结构从材料细观损伤到结构宏观局部破坏再到结构整体失稳的整个渐进性破坏失稳过程进行了系统研究。将大型水下盾构隧道管片衬砌结构渐进性破坏过程划分为初始弹性阶段、局部损伤阶段、宏观破坏阶段和整体失稳阶段四个阶段,并给出了各阶段管片衬砌结构的力学行为特性;探明了盾构隧道管片衬砌结构失稳临界点,并以关键点位移与隧道外半径比值的形式给出了失稳临界建议值;通过对声发射数据的分析,揭示了管片衬砌结构破坏过程的渐进性特性,并获得了声发射事件出现的频率与幅值分布随外部荷载的变化规律;分析了管片衬砌结构宏观裂纹的出现及扩展规律,并通过最终破坏形态分析了造成管片衬砌结构整体失稳的关键部位的空间分布以及破坏形式。     

隧道纵向变形对管片结构力学性能的影响

以通缝拼装有凹凸榫的地铁盾构隧道衬砌结构,常由于不均匀沉降等使得管片发生错位,导致管片或者螺栓发生破坏,影响地铁运营安全。基于管片错位模式在隧道纵向变形分析基础上建立三维有限元模型对管片及螺栓受力进行计算。结果表明:基于管片剪切模式时,管片错位达到0.03mm时主应力σ1超过3.0MPa,这将超过混凝土的抗拉强度;采用连接螺栓的张力应力模式时,当铰接处开口达到2.0mm,金属螺栓应力超过640MPa,这将达到螺栓的屈服强度。当开口达到6mm,即开口缝隙达到隧道防水控制标准,螺栓应力可达688.7MPa;尽管该值小于螺栓的破坏强度,但应从地铁隧道防水的角度进行控制以保证结构安全。     

通缝拼装盾构隧道结构极限承载力的足尺试验研究

针对轨道交通通缝拼装的盾构隧道结构的承载性能,进行结构的足尺静载试验。具体介绍试验方案和加载方案的设计,提供结构变形、管片裂缝、接缝变形和连接螺栓受力的发展情况以及破坏过程等试验结果;对结构的承载性能和破坏机理进行分析。足尺试验研究表明:试验结构的破坏由不同部位接缝混凝土先后受压破坏形成,属梁铰机制;管片接缝是隧道极限承载力的关键断面;周边卸载工况下结构的承载力安全系数比顶部超载工况小,对盾构隧道结构的承载更为不利。     

通道开口对超大直径盾构法车站结构力学行为影响研究及结构优化

针对狭窄空间地铁车站施工困难以及明挖施工造成道路长期封堵等工程现状,提出采用顶管法结合超大直径盾构隧道暗挖地铁车站的工法。针对工法中拆除管片后,未拆除管片轴力骤降,附近纵缝剪切和抗弯性能降低的结构特性,同时也为体现管片空间力学特征,文章提出采用基于荷载 结构模式的壳 接触计算模型,研究在拆除管片和拆除内部支撑的两个关键工序中结构的整体力学性能,确定上述暗挖车站新工法隧道开口时衬砌管片、管片接缝和内支撑体系协同受力特征,并据此提出结构优化方向：①调整衬砌开口位置上部第一个纵缝,使其远离开口上边缘,可明显减小衬砌结构变形,降低该纵缝环向螺栓拉力;②建议在拆除内部支撑、完成顶管通道与盾构隧道连接之后,再施作车站中板;③顶管通道与盾构隧道衬砌实际连接形式难以确定,建议设计时取刚接、铰接包络设计;④增强衬砌环间整体性可有效控制结构响应。     

盾构隧道的结构病害及其成因探析和治理措施

随着大量盾构隧道投入运营,隧道结构的病害问题逐渐显现。本文从影响和引起隧道结构病害的原因出发,对盾构隧道服役寿命期内其结构病害的情况进行了总结,阐述了盾构隧道结构病害、劣化的主要类型及其内在和外在的表征形式。事实显示,引起盾构隧道结构病害的主要成因包括:运营期特殊荷载导致的隧道结构突发损伤、隧道结构耐久性不足和隧道结构变形等长期行为产生的损伤。盾构隧道结构的病害和损伤主要包括管片和路面结构混凝土开裂、破损剥落;钢筋锈蚀且与混凝土粘结力降低;管片连接螺栓锈蚀或长期受应力腐蚀作用产生扭曲变形甚至断裂;隧道衬砌环纵缝的错台变形、接缝张开等;另外还包括隧道管片、衬砌接头、螺栓孔等位置的渗漏。     

盾构隧道衬砌管片接头张合状态力学模型及数值模拟

盾构隧道衬砌管片接头处的力学性能极为复杂,采用局部刚度折减法并结合接头张合状态的力学模型进行盾构管片力学性能的数值模拟分析,研究衬砌管片及接头纵向连接螺栓的受力及变形特性。研究结果表明：管片局部刚度折减后整体管片的竖向位移及大变形范围均增大,管片水平位移变化量小,刚度折减区的水平位移略微减少,但影响整体管片内力分布均匀性;基于管片接头力学模型及变形协调原理,管片接头纵向连接螺栓的变形及其变化规律与整体管片的基本相同,但变形量相对较小,且螺栓水平方向变形减少量高于竖直方向的;管片接头纵向连接螺栓轴力基本为压力,承受压力的螺栓占全部螺栓的94.4%以上,弯矩及剪力值较小,其中弯矩沿隧道上下对称分布,剪力沿隧道左右两侧对称分布。本研究可为深入分析管片及接头的力学性能提供参考与借鉴。     

岩土中隧道抗偶然性内爆炸特性分析

针对偶然性爆炸对隧道的破坏问题,分析了某重要的软土中隧道在不同装药量和位置内爆炸情况下的动力反应和破坏机理;通过对比研究,分析了围岩等级对隧道抗内爆炸特性的影响;给出了隧道遭受内爆炸情况下围岩受到明显影响的范围.分析结果表明:当比例距离较小时,装药爆炸会对衬砌结构产生十分严重的局部破坏,在装药偏离隧道中心的内爆炸冲击波...     

盾构隧道在可液化场地中的地震响应分析

盾构隧道的装配式管片是其显著的结构特点,目前的抗震研究主要采用简化方法,少有能有效反映管片和接头细部特征的动力反应分析方法,对其在可液化场地中的地震响应规律也需要进一步研究。本文建立了一种精细化装配式管片结构计算模型,并基于砂土液化大变形统一本构模型,采用弹塑性有限元动力时程分析,分析了盾构隧道在可液化场地中的地震响应特征及规律。结果表明接头处响应是盾构隧道抗震的重要考虑因素。装配式管片结构相比于整体式结构柔度更大,受力较小,变形较大。在可液化场地中盾构隧道由于水平向作用力显著增加,在水平向被挤压,受力分布和抗震不利位置相比非液化场地有明显区别。     

高水压岩质盾构隧道施工期结构内力分析

 在使用大型跨江海盾构法进行水下隧道施工时,主要存在的流固耦合问题是：掘进过程中引起的流固耦合效应对管片结构内力的改变。结合重庆主城排水过长江盾构隧道工程,选取典型断面,按连续介质理论,采用有限元数值模拟手段进行分析。对该典型断面采取水土合算和考虑耦合效应2种方式来计算管片结构内力分布,并和现场实测数据进行验证。研究结果表明,在水下盾构法施工期间,管片截面最大内力出现在刚拼装完时,长期地下水渗流会减小管片截面内力。从流固耦合角度来研究管片结构受力特征,可为类似的工程设计及施工提供有益的参考。     

水压对盾构管片衬砌力学特征与破坏形态的影响模型试验研究

水压力作为一个重要因素,对盾构隧道管片衬砌结构的受力状态及长期安全性具有显著的影响。文中依托广深港客运专线狮子洋盾构隧道工程,采用模型试验的方法,比较分析了0m、30m、60m三种不同水压条件下管片衬砌结构的内力、变形、声发射数据及裂纹产生发展等试验数据信息,探讨水压对盾构隧道管片衬砌结构受力状态及破坏特征的影响规律。研究结果表明：在一定范围内,水压的增加,延长了管片衬砌结构的弹性受力阶段及塑性发展平台,延缓了结构内部出现损伤破坏的时间,提高了衬砌结构的极限载能力。随着水压的增加,管片临界失稳点的最大位移与隧道外半径之比由2.33%增大到2.77%,但是由局部损伤破坏出现到管片衬砌结构整体失稳的过程变得更短,发展速度变得更快,管片的主要破坏形式由以受拉破坏为主变为以压剪破坏为主。     

地震作用下盾构隧道衬砌结构动力响应分析

盾构隧道衬砌结构在地震载荷作用下的安全越来越受到重视,本文运用有限元软件数值模拟地震作用过程,分析地震作用下不同管片接头模型中管片性能的变化规律,结果表明：盾构隧道在地震横向作用下产生较大的横向位移,不同管片接头模型中管片的位移时程曲线趋势基本一致,且随着管片刚度减小而增大,但均比地表土体横向位移小很多|地震作用下不同管片接头模型中管片和连接螺栓的内力分布情况相类似,随着管片刚度减小,管片横向方向和剪切方向的应力均减小,连接螺栓的轴力、剪力和弯矩均增大,其中剪力增加的幅度最大,弯矩最大值位于隧道两拱腰处。     

考虑接头正接触非线性的盾构#br# 隧道管片接头力学模型研究

因盾构隧道接头传力具有显著的接触非线性,接头力学分析一直是盾构隧道结构分析的难点。文章针对盾构隧道管片接头在轴力和弯矩作用下的非线性变形问题,提出一种新的接头力学分析思路,通过引入刚性面假定、基于位移的接头力学建模方法、反平方根滤值函数,建立管片接头正接触非线性力学模型。研究发现：接头具有多种接触状态,反平方根滤值函数可以有效的反映接头正接触非线性;管片接头力学性能可由管片混凝土和螺栓力学性能两部分描述,其中管片混凝土变形能力与位移偏心距有关,螺栓变形能力主要与预紧力有关;从狮子洋和南京长江盾构隧道的试验数据对比来看,接头正接触非线性力学模型是合理的,接头力学模型性能与接头试验结果基本吻合。     

Study on inner force and dislocation of segments caused by shield machine attitude

Attitude deflection of shield machine is inevitable in process of driving forward, therefore, the tail brush, circular shape retainer and even shell of shield machine will extrude the exterior surfaces of segments. The squeezing action acting on segments causes dislocation, stress concentration and even crack in segments. Finite element code, ADINA, was used to analyze numerical tunnel model of 9 segment rings. The loads acting on different segment rings included squeezing action of tail brush under four attitude deflection, jacking forces, grouting pressure and earth pressure. The aspects of analysis included displacement feature and stress distribution. The analysis results indicate attitude deflection of shield machine causes biggish dislocation between segments, and the key segment is the most affected and weakest part in same ring which causes irregular displacement and dislocation in whole tunnel structure. In general, under squeezing action induced by shield machine, circumferential seam is much more affected than longitudinal seam. The squeezing action causes the segment dislocation exceed the limiting dislocation value which means curved bolt has extruded bolt hole and crack or breakage frequently concentrates in key segment and adjacent segment. Deflection of shield machine attitude is inevitable, but two deflection attitudes, including shield machine attitude deviates right direction and the head of shield machine goes down, should be avoided.     

内爆炸作用下隧道衬砌结构动力响应数值分析

为准确研究内爆炸作用下隧道衬砌结构的动力响应,建立了“炸药 空气 结构 土体”流固耦合模型对全比例隧道衬砌结构的内爆炸试验进行了数值模拟。模拟首先采用精细网格的一维轴对称模型计算起爆阶段爆炸波在自由场中的传播,并在爆炸波抵达衬砌结构前将一维轴对称模型计算结果映射至三维流固耦合模型中继续计算爆炸波、衬砌结构以及土体的相互作用。数值模拟获取的超压时程及衬砌结构破坏形态与试验结果吻合较好,说明了所建立数值模型以及映射模拟方法的适用性。基于数值仿真结果对于隧道衬砌内爆炸过程的爆炸波流场特征进行了分析。研究表明：偏心爆炸工况下冲击波在爆炸远区出现了较长时间的汇集,此区域的衬砌结构承受了较大的冲击波超压及冲量作用,为抗爆设计的薄弱部位。     

受荷状态下盾构隧道管片锈蚀劣化破坏过程研究

为研究服役期盾构隧道衬砌结构性能衰退演变规律,从隧道结构长期处于水土荷载和周围离子侵蚀环境耦合作用下的特点出发,根据服役盾构管片压弯荷载受荷特征,采用弯矩、轴力导入的方式,等效地模拟盾构隧道管片的实际受力状态,结合围堰式的电化学加速锈蚀方式,研发了可实现压弯受荷状态下进行盾构管片加速锈蚀劣化的试验系统,重点分析不同工况下盾构隧道管片锈蚀劣化发生发展规律。主要结论有：未锈蚀管片裂缝形态主要以受拉横向裂纹为主;未加载锈蚀管片在锈蚀阶段仅产生顺筋锈胀裂纹,裂纹宽度体现出先增大后趋于稳定的特点,加载破坏阶段锈蚀区混凝土在锈胀裂纹和受拉裂纹共同作用下将出现混凝土局部剥离与错动现象;压弯受荷状态下,管片裂缝的扩展是钢筋锈蚀与外加荷载共同作用的效果,管片受拉裂纹与锈蚀裂纹体现出相伴发生发展的规律,管片承载能力存在较大降低。研究成果可为设计基准期内盾构隧道管片衬砌结构长期安全性能评价提供重要参考。