列车振动荷载作用下管片接缝对盾构隧道衬砌结构与周围软土地层动力响应影响研究

 为探究盾构隧道管片接缝对于隧道结构及周围软土地层的动力响应的影响,采用模型试验与数值模拟相结合的方法,借助2种不同的盾构隧道模型--忽略接缝的均质圆环模型与考虑接缝效应的管片衬砌拼装模型,以频域分析为基础,模拟计算列车振动荷载全频域内隧道衬砌结构及周围软土地层的频率响应函数,分析在不同频率荷载作用下衬砌结构的内力分布规律。研究结果表明：在列车振动荷载作用的频域区间内,隧道结构和软土地层的竖向加速度响应均呈现出随频率升高而增强的趋势,在低频段(0～60 Hz)增长迅速,中高频段(60 Hz以上)则增速放缓;管片接缝的存在使隧道结构的动力响应明显降低,最高幅值可达10 dB,但影响范围主要集中于40～200 Hz的中高频率荷载区段;管片接缝对软土地层的动力响应也具有一定的影响,但影响程度远小于隧道结构本身;管片内力主要集中于施加振动荷载的拱底附近,接缝对管片环所受轴力有较为明显的影响,而对结构所受弯矩影响较小。从模型试验与数值模拟计算结果可以看出,考虑列车振动荷载作用下隧道衬砌结构的动力响应时,应充分注意管片接缝的影响。     

装配式圆形隧道与软土地层的相对刚度分析

基于软土地层中柔性衬砌与地层问的相互作用及协调变形，提出了隧道衬砌的抗偏压刚度、隧道与地层的相对刚度比两个概念，并据此建立了考虑管片接头转动刚度变化的相对刚度比计算理论．应用该理论对处于上海软土地层中的装配式圆形隧道衬砌的柔性指标进行了定量计算。计算结果表明：当隧道衬砌厚度为200mm时可以认为是全柔性衬砌，这一结论与根据Peck等提出的估价衬砌与地层相对柔性的定性判断准则的结论是比较一致的．根据计算，目前上海地铁350mm厚衬砌的柔度指标为69％，从理论上证明了称其为具有一定刚度的柔性衬砌这一说法的合理性。     

车辆荷载对公路隧道结构及围岩动力响应研究

目前针对大直径盾构公路隧道在车辆随机动荷载作用下的动力响应特性尚缺乏深入研究。以南京长江隧道软土地层段为例,将仿真计算所得车辆随机动荷载施加于隧道有限元模型上,得到了隧道结构和隧道周围土体在随机动荷载作用下的动力响应规律,分析了车速、路面等级与隧道侧边土层等对动力响应的影响。结果表明,极端工况下隧道结构主应力呈对称分布,结构位移由左至右呈递减趋势;对于同一隧道截面,侧边土体动力响应最强,底部土体次之,顶部响应最微弱;土体距管片越远,应力响应峰值出现的时刻越滞后且响应值越小;车速越快、路面等级越差,土体动力响应越强;相同工况下,砂土的振动应力响应值要远大于软土对应值。     

盾构管片纵向接缝承载力原型加载实验

在地铁区间盾构隧道的衬砌环结构的设计中,管片间接头处往往是结构的薄弱部位。为验证纵向接缝的极限抗弯承载力,采用新型液压加载装置,针对国内地铁区间隧道常用的通缝拼装的管片纵向接缝进行了足尺加载试验。得到接头在压弯工况下的极限弯矩和极限变形,同时总结归纳了接头达到承载力极限状态的破坏现象,为纵向接缝力学性质的研究提供了一些参考。     

局部渗水条件下深埋盾构隧道松动土压力计算模型研究

对于越江海或富水地区的深埋盾构隧道而言,长期使用过程中管片衬砌局部渗水的情况时有发生,但现有的松动土压力计算理论很少考虑局部渗水的影响。对此,以管片接缝渗水为背景,基于前人的研究进行了地层渗流场解析;以Terzaghi土拱效应分析模型为基础,考虑深埋盾构隧道的松动区形状特性和地层渗流效应,提出了局部渗水条件下深埋盾构隧道松动土压力计算模型,分析了关键参数对计算结果的影响,并与有限差分软件FLAC的模拟结果进行了对比验证。研究结果表明：渗水接缝位置离隧道拱顶越远,隧道顶部的松动土压力越大;地表水位线越高,接缝渗水对土拱的削弱效应越强;隧道顶部的松动土压力随着接缝渗水量的增加而增加;地层渗透系数越大,隧道顶部的松动土压力越小;相较于水土合算的方式,水土分算的结果中土拱效应更强;模型计算结果与FLAC模拟结果吻合良好,验证了模型的有效性。     

软硬相间地基中地铁隧道P波斜入射下的动力响应

以地处软硬相间地基中的地铁隧道为研究对象,采用地震动力仿真模拟方法,建立了能同时考虑多点激励、土-结构动力相互作用的地基-隧道的整体计算模型,系统分析了地震P波斜入射作用下穿越软硬相间地基中地铁隧道的动力响应规律。结果表明:地震波的入射角度对隧道的响应影响较大,传统的考虑地震波垂直入射的输入方法显现出一定的不安全性;软土区宽度的增加导致隧道的动力响应有明显的加强,对结构抗震不利;隧道衬砌混凝土等级的提高将使隧道结构的位移及加速度有所减小,但是弯矩增大明显,因此通过增大衬砌混凝土的等级提高隧道结构的抗震性效果并不好,反而使衬砌结构的受力变大。     

盾构隧道横向地震响应规律研究

盾构隧道衬砌是典型的装配式衬砌,各种类型接头的存在使得它与整体式衬砌的力学特性存在较大差异。将管片横向接头考虑为旋转弹簧、管片环间接头考虑为剪切弹簧的梁–弹簧模型能够真实地反映管片衬砌的力学行为,但该模型目前仅应用于静力及拟静力分析。将动力有限元方法和梁–弹簧结合起来,提出一种盾构隧道横断面地震响应分析的动力有限元计算模型和方法,这种方法能够有效地模拟地基与结构之间的动力相互作用,能够模拟不同管片接头形式及纵向拼装方式的影响,并且具有很高的计算精度和效率。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。分析结果表明,管片横向、纵向接头刚度以及管片厚度的改变对衬砌整体变形的大小影响较小,但对衬砌内力尤其是剪力和弯矩的影响显著,三者的增大都会增大结构的内力,而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,减震效果显著。     

土层弹性抗力盾构衬砌内力计算分析

以沈阳地铁一号线区间盾构隧道为研究对象,采用考虑地层弹性抗力的修正惯用法和布伽耶娃法对衬砌管片环进行内力计算。探讨了不同计算方法对盾构隧道衬砌弯矩、轴力、剪力的大小和分布规律的影响,得出的结论可为盾构隧道衬砌的设计提供参考。     

考虑接缝张开与变形影响的管片隧道抗震计算解析方法

基于管片间接触应力及张开变形的非线性及非连续性特性,提出了一种考虑管片间接缝影响的盾构隧道抗震计算解析方法。根据管片隧道在地震地层剪切变形作用下发生斜45°方向的最不利椭圆化变形,基于管片刚体及接头动刚度假设推导此时接头的动力位移响应(转角、位移),进一步通过管片之间(接缝)的接触条件假设,得到了衬砌结构的内力及管片接缝的接触面应力分布以及螺栓内力。与不考虑接头的Sedarat、Hashash方法进行对比后发现,管片衬砌结构的弯矩分布形态发生了较大的变化,且在管片接缝处可能出现局部混凝土压碎,对抗震条件下的接缝防水安全及结构整体稳定性极为不利,因此,考虑管片接缝局部应力和变形的影响,对盾构隧道的抗震设计计算是十分必要的。     

地面出入式盾构隧道动力响应试验对比分析

地面出入式盾构隧道（ground penetrating shield tunnel, GPST）的地震动力响应与传统隧道有显著区别,这是由于GPST部分衬砌出露地面,部分埋置于地下,其动力特性与一般隧道或地面建筑都有所不同,采用振动台试验方法对GPST的地震动力响应进行分析。本研究建立了大型隧道-地层模型,合理模拟了隧道的接缝、衬砌环横截面和纵向刚度,并还原原型场地的动力参数。模型隧道的总长7.7m,埋深范围为-0.5D～0.5D,其中D为隧道直径。试验中输入地震动为上海人工波,输入方向垂直隧道轴线。试验对两种结构形式的隧道进行分析,分别为标准衬砌环和顶部开洞衬砌环,重点分析了隧道在地震中的加速度响应和直径变形响应,以揭示GPST的动力响应特性。研究表明,隧道埋深对隧道的地震响应产生显著影响。随着埋深减小,隧道顶部加速度响应增大,表现出了显著的摆动效应。随着埋深的增加,隧道直径变形响应也相应增加,但顶部开洞衬砌环在出由于刚度显著降低,直径变形响应也出现极值。总的来说,地下段（D≥0）结构响应主要受控于土-结构相互作用（SSI）的影响,而出露地面的隧道（D <0）由于没有地层的约...     

基于BOTDA光纤传感技术的盾构隧道变形感知方法

 盾构隧道横断面收敛变形是评价隧道结构性态的重要指标。由预制管片拼装而成的盾构隧道,接头刚度显著低于管片刚度,因此,其横断面变形主要集中在接头张开及管片转动部位。针对盾构隧道横断面变形特点,提出考虑分布式光纤传感技术空间分辨率的点式固定方法,测量相邻管片接头两侧的相对位移。运用几何学原理,对管片接头张开、管片转动及隧道变形进行分析。通过2组不同轴力下的盾构隧道接头室内原型试验验证该方法,结果表明该方法可以有效感知盾构隧道横断面变形。采用该方法长距离布设光纤,可形成盾构隧道变形感知神经网络,提高监测密度,实现长距离、高密度、高精度、低成本的盾构隧道变形健康监测,从而保证地铁隧道的运营安全。     

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。     

盾构隧道结构刚度不连续性对衬砌内力及变形影响分析

盾构隧道衬砌是由若干管片装配而成,管片接头的存在是盾构装配式衬砌的主要特征,管片间接头处的刚度的折减造成了隧道结构整体刚度的降低。笔者根据管片接头双直线型力学模型,提出一种可以真实反映接头转角和弯矩耦合轴力非线性关系的有限元分析方法。结合某采用盾构法施工的输水管道工程,对施工开挖和运行充水工况进行二维数值模拟,计算结果表明,该有限元方法能有效模拟管片接头的力学特点,盾构隧道管片间接头的存在降低了衬砌的刚度,使管片环变形增大。     

分段柔性接头地铁隧道适应地裂缝大变形的模型试验研究

西安地裂缝是一种特殊的城市地质灾害,地铁隧道穿越地裂缝带时必须分段设特殊变形缝。以西安地铁隧道正交穿越地裂缝带为工程背景,采用几何比1:5的大比例尺模型试验,研究分段设缝柔性接头隧道穿越地裂缝带的适应性。试验结果表明:地裂缝活动环境下隧道设置特殊变形缝的柔性接头避免了衬砌结构应力集中,对结构起到保护作用,分段柔性接头隧道具有较强的适应地裂缝大变形的能力。设置与地裂缝倾角一致的斜变形缝对围岩压力与位移有一定影响,而对衬砌结构安全性影响较小。正交条件下斜变形缝能消耗20%以上的地裂缝位移量,在地裂缝影响区隧道可通过多段设变形缝串联的方式最大限度地消除地裂缝大变形对隧道的影响。接头处顶底部止水带基本完好,而两侧止水带因地裂缝垂直位移作用出现撕裂现象,防水设计应重点考虑接头两侧壁的防水。研究结果可为地裂缝活动环境下地铁隧道结构与防水设计提供重要参考。     

考虑管片接头渗流的盾构隧道流固耦合模型研究

管片接头是盾构隧道衬砌的渗漏水多发区域,长期渗流导致荷载分布和受力模式变化,危及结构安全。针对现有研究难以对接头渗漏下盾构隧道力学特性准确模拟的现状,提出一种新的模拟分析思路,基于开发的接头联接单元模拟盾构衬砌接头位置的力学变形响应,采用有限元软件二次开发数值实现接头渗流,要点在于密封垫张开引起的接触应力和外水压力动态变化的迭代分析,进而建立管片接头渗流下的盾构隧道流固耦合数值模型。结合上海地铁盾构隧道工程实例,对不同接头渗流、渗流量、接头刚度和防水性能等因素影响下的隧道力学变形机理和地表沉降规律进行分析。研究发现：管片接头位置与渗流量对于衬砌结构的内力存在一定影响,具体表现为弯矩明显增加而轴力略微减小,拱腰接头发生渗流对结构内力的影响最大。隧道结构的变形随着渗流量的增加而增加,且基本呈正比关系;拱腰、拱底和拱顶接头发生渗流时对结构侧向移动和变形的影响依次减小。隧道结构和地表沉降随着管片接头渗流量增加而增加,且基本呈正比关系;拱顶接头发生渗流时,地表沉降最大但隧道沉降最小;拱底接头发生渗流时,地表沉降最小但隧道沉降最大。研究成果对完善盾构隧道流固耦合分析模型有一定参考价值。     

盾构隧道地震响应的三维数值模拟方法及应用

在盾构隧道传统抗震分析方法基础上,针对上海一新建盾构越江隧道,提出以完全拟实仿真为特点的大规模盾构隧道地震响应的三维数值模拟方法,建立包括地基土、盾构隧道以及联络通道等多个对象在内的三维分析模型,整体的单元数和节点数均达到了4×106左右。模型考虑地基土的材料非线性,以及土体–隧道间、管片–管片间的接触非线性因素,最后利用动态显式算法及其关键技术进行基于高性能计算机的大规模地震响应分析。计算结果反映地基土–盾构隧道体系在地震荷载作用下的相互作用和变形,并对隧道衬砌结构中的管片应力以及连接螺栓的受力变化进行深入分析。     

热力盾构隧道先盾后井施工衬砌接头变形机理与控制

先盾后井是热力盾构隧道建设中一种高效经济的施工工法。结合中国首例大断面热力盾构隧道工程,基于纵向等效连续化模型和弹性地基梁理论,对施工过程中衬砌接头受力特征和变形机理进行了分析,并提出控制措施;然后建立了衬砌接头全断面接触面单元数值模型,对控制效果进行分析和评价;最后通过现场监测,得到了不同施工阶段管片纵向轴力及接缝变形规律。研究结果表明:先盾后井工法施工中,衬砌接头变形分为两个阶段:基坑开挖及管片拆除,其中管片拆除为接头变形的主因,基坑施工中,基底卸荷产生的负弯矩作用于隧道上,导致邻近竖井管片底部轴力减小、环缝张开,拆除基坑内管片时,作用于端头管片的残余盾构推力和螺栓预紧力消失,导致管片纵向轴力进一步衰减,环缝二次张开;根据现场监测结果,提出的对邻近竖井的管片纵向拉紧并复紧连接螺栓,进行混凝土铺底及衬砌背后二次注浆的控制措施能够有效控制轴力损失,减小接头变形,施工中环向接缝最大张开量3.51 mm,满足隧道防水要求;采用全断面接触面单元建立的数值模型可以较为精确地模拟施工中管片接头力学行为,其结果可作为控制效果评价参考依据。     

地铁隧道穿越地裂缝带的结构抗裂预留位移量

 西安地铁穿越多条活动地裂缝带,地裂缝未来活动对地铁隧道结构造成严重威胁。论述西安地裂缝成因、活动方式和剖面特征,对未来地裂缝活动趋势和地铁设计使用期内地裂缝最大垂直位移量进行分析和预测。通过浅埋暗挖马蹄形地铁隧道穿越地裂缝带的三维有限元数值模拟,得出当地裂缝垂直位移量达到20 cm时隧道出现开裂破坏,隧道结构抗裂设计时需分段设缝和扩大断面以适应地裂缝的大变形。基于数值模拟结果,建立地裂缝作用下地铁隧道与地裂缝正交和斜交条件下分段隧道三维运动位移模式,确定正交和斜交条件下结构抗裂的垂直位移、横向位移和轴向位移预留量。其结果可为西安地铁隧道穿越地裂缝带的结构设计提供参考。     

地铁盾构隧道管片受力分析

盾构管片接头刚度系数一直是影响盾构管片设计计算结果正确性的直接影响因素。通过建立盾构管片及弯曲螺栓的三维非连续介质模型,以及设置合理的管片接头接触模型,消除了接头刚度系数对计算结果的影响。对盾构管片在实际荷载作用下的受力与变形情况进行研究。研究表明:管片拱顶与拱底接头向内侧张开,两侧拱腰接头向外侧张开。非连续介质模型中,盾构管片的分块拼装形式以及管片间连接螺栓单元的设置改变了管片环的整体刚度,管片接头附近出现了不均匀的波浪形云图。相对于惯用法模型,三维非连续介质模型的轴力值在接头处有明显突变,并且其最大正弯矩值小于惯用法模型计算结果。两种计算方法得出的最大负弯矩值相差不大,本次研究取得的成果对盾构管片设计工作有一定的参考价值。     

基于三维非连续接触模型的管片接头静动力特性分析

基于非线性接触理论,考虑盾构隧道结构的非连续性,模拟管片接头结构和管片衬砌与围岩及道床之间的相互作用,建立了道床-管片-围岩的三维非连续接触模型,对盾构隧道管片接头在围岩静压、列车动载作用下的受力与变形进行了深入分析。研究结果表明,围岩静压下拱顶和隧底处的纵向接头部分向内张开,两侧拱腰处的接头部分向外张开,拱顶处的封顶块与邻接块错台较大,拱腰接头受压明显,拱顶接头受压最小,各环管片拱顶处的螺栓轴力最大,隧底处的其次,拱腰处的接头螺栓轴力最小,旋转了一定拼装角度后位于拱肩上部的接头螺栓,其剪力最大;列车动载作用下管片接头的张开错台、混凝土应力以及接头螺栓的内力均在动载施加初期迅速增加,然后明显减小,而后产生波动,其中浅埋地铁隧道拱顶接头的动力响应较隧底接头明显,螺栓剪力在列车动载作用下较螺栓轴力增加的多。