武汉长江隧道管片衬砌结构力学特征模型试验研究

针对武汉长江隧道承受高水压和穿越高渗透性砂性土质的特点,在相似模型试验中专门采用盾构隧道-地层复合体模拟试验系统和旋转式水压装置共同作用,实现对水压和土压的分别控制加载,完成水土分算和水土合算的不同水土压力场条件下管片衬砌结构力学特征的模型试验,最后对高水压和变水压条件下的管片衬砌结构力学变化规律进行了分析。研究表明,高水压条件下的管片衬砌结构最大正负弯矩、最大变形量和结构偏心矩整体水平均有明显偏小,而平均轴力水平有明显提高;随着水压力加大,管片衬砌结构的平均轴力明显增大,最大正负弯矩略有增长或基本不变,最大偏心矩明显减小。该研究为武汉长江盾构隧道的衬砌结构设计提供有价值的参考。     

南京长江隧道超大断面管片衬砌结构体的相似模型试验研究

采用室内相似模型试验方法对南京长江盾构隧道φ14.5m超大断面单层装配式管片衬砌在高水压条件下的力学行为特征、结构与周围土体的相互作用关系进行研究。研制了水压装置,实现了真实水压对于大断面水下盾构隧道结构力学特性影响的模拟。重点讨论了变水压与恒定水压作用下管片衬砌结构内力的差异、管片衬砌拼装方式对内力分布的影响,并与有限元计算结果进行了相互验证。研究结果可为南京长江隧道工程的设计、施工提供指导性建议,并可为相关工程提供一定的参考。     

盾构隧道管片衬砌壳-弹簧计算模型研究

针对现有盾构隧道管片衬砌计算模型存在的问题,对管片接头的力学特性进行了分析。认为管片的接头实际应包括管片接缝和对应手孔间的管片部分,采用点弹簧模拟管片接头力学特性实际上是夸大了端部管片的刚度。提出了基于壳-弹簧模式的管片结构的整体环-纵向非连续计算模型,改进了接头的模拟方法。该模型将管片接缝以及对应手孔间管片部分视为一个受力整体,其宽度约为对应手孔之间的弧长,并提出了该接头抗弯刚度的定义方式。由于该模型考虑了管片接头的整体性,计算得到的内力值比梁-弹簧模型计算结果更加准确,且可反映管片结构纵向的受力特征。     

地铁单线盾构隧道管片衬砌合理厚度的探讨

目前我国地铁区间单线盾构隧道的外径为6．0m左右、采用钢筋混凝土平板型管片，其厚度为30cm和35cm两种。本文采用梁-弹簧模型对不同拼装方式下两种不同厚度的管片结构进行了力学分析。经过比较分析，得出管片衬砌的合理厚度和在不同管片拼装方式下的一些力学规律，可供有关工程设计时的参考。     

错缝拼装下管片宽度对盾构隧道力学行为的影响

采用可以考虑管片接头力学性能的壳-弹簧计算模型,对错缝拼装下具有不同管片宽度厚度的盾构隧道的力学性能进行了模拟分析。根据管片接头的受力平衡条件与变形,推导了管片接头转动弹簧刚度与轴向弹簧刚度的关系。基于环向接头的无量纲转动弹簧系数对计算模型的参数进行了统一,从而使各个数值分析模型的结果具有可比性。对壳-弹簧模型的计算结果与传统梁－弹簧模型的结果进行了对比分析,分析结果表明随着管片宽度的增加,二者解析结果的差呈现出递增趋势。依据壳-弹簧模型的计算结果,将弯矩在管片方向上进行精细化分析,研究表明弯矩在管片宽度方向上的分布是非均匀的,在管片端部有集中的现象。根据管片宽度与弯矩分布的关系,建立了弯矩集中度的概念,提出了管片边部强梁的优化配筋方案。     

软硬地层条件下盾构隧道管片衬砌力学分析

分析隧道底部切入基岩不同深度时盾构隧道管片结构内力和变形,结果表明随着岩层厚度的增大,弯矩、剪力和变形先增大后减小,而轴力变化不大;当岩层厚度相同时,错缝拼装的弯矩和剪力比通缝拼装的要大而变形要小、轴力变化不大,故设计时隧道底部岩层厚度应控制在1/4D以内或3/4D以上。     

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。     

盾构隧道施工阶段管片上浮的力学分析

 盾构隧道衬砌管片在施工阶段处于复杂的受力状态,易出现管片错台、整体上浮等现象。对盾构隧道施工阶段管片注浆段进行受力分析,考虑静态上浮力和动态上浮力,分别分析其作用机制,提出上浮阶段的衬砌环受力模型及计算公式。针对盾构隧道衬砌环在正常设计状态与上浮状态下的受力不同,采用修正惯用法衬砌设计理论分别对其进行内力计算,并将计算结果进行对比分析。结果表明：上浮状态下管片的弯矩值、剪力值和轴力值分别比正常设计状态下的管片内力增加64%,51%和46%,表明隧道上浮对管片受力不利。其中施工阶段动态上浮力对管片的受力影响非常大,超过静态上浮力,必须对其进行合理控制,防止压裂管片。     

地铁单线盾构隧道管片衬砌合理厚度的探讨

目前我国地铁区间单线盾构隧道的外径为 6 .0m左右、采用钢筋混凝土平板型管片 ,其厚度为 30cm和 35cm两种。本文采用梁—弹簧模型对不同拼装方式下两种不同厚度的管片结构进行了力学分析。经过比较分析 ,得出管片衬砌的合理厚度和在不同管片拼装方式下的一些力学规律 ,可供有关工程设计时的参考     

层状复合地层条件下管片衬砌结构力学特征模型试验研究

针对武汉长江隧道承受高水压和局部区段穿越软硬程度差异极大的层状复合地层的特点,采用盾构隧道–地层复合体模拟试验系统和旋转式水压装置共同作用,完成了在不同水土压力场作用下对层状复合地层和单一地层两种不同地层条件下的管片衬砌结构力学特征相似模型试验,并根据试验结果分析了层状复合地层对盾构隧道管片衬砌结构的力学特征的影响。研究表明,随着水压力加大,管片衬砌结构的平均轴力明显增大而最大正负弯矩略有增长或基本不变;处于坚硬岩层包围区域的管片体结构局部弯矩明显减小;小范围的硬岩层对管片衬砌结构整环最大内力影响不大。该研究为武汉长江隧道的管片衬砌结构设计提供有价值的参考。     

软土地铁隧道纵向不均匀沉降导致的管片接头环缝开裂研究

地铁通车运行后,会因多种原因产生盾构隧道纵向不均匀沉降,诸如列车振动、渗漏、土体不均匀性等。隧道纵向过大,不均匀沉降会严重影响地铁的运行安全。基于某地铁隧道的纵向沉降实测数据,分析了纵向沉降对隧道结构安全性的影响。首先用抛物线分段模拟了隧道的纵向变形,得出了隧道纵向变形曲率;然后以等效轴向刚度模型为基础,建立了隧道纵向变形曲率与隧道管片接头环缝张开量之间的关系。通过对计算结果的分析,可较全面地了解整个隧道的纵向沉降以及隧道管片环缝张开量的现状,从而为软土隧道的运营阶段维护、改善结构和防水设计、施工方法等提供依据。     

泄水式管片衬砌壁后水压力分布特性模型试验研究

 基于研制的泄水式管片衬砌–围岩泄流装置,采用室内试验方法对某铁路隧道装配式泄水式管片衬砌在高水压条件下衬砌壁后水压力分布规律进行研究,重点探讨单纯限排、堵水限排等不同泄水方案下衬砌壁后外水压力分布规律。分析排泄流量、泄水孔密度、注浆与否对隧道衬砌壁后水压力的影响,揭示隧道衬砌壁后整体和各位置处外水压力折减系数、外水压力大小等与衬砌泄水孔泄流量之间的二次曲线关系。研究结果可为高水压山岭隧道衬砌的设计提供参考。     

盾构法隧道地面沉降槽宽度系数取值的研究

盾构法隧道施工引起的地面沉降槽宽度系数i值与隧道半径R、隧道轴线埋深h及土质条件(土的内摩擦角φ)有关。对13例22个实测数据的统计结果表明:i值与[R+htan〔45°-φ/2〕]值间呈线性关系,i/[R+htan〔45°-φ/2〕]值中共有20个数据在[0.45,0.50],只有2个数据(分别为0.43和0.51)在该范围外;i与h基本呈线性关系,但离散性较大,对于黏性土,k=i/h的范围为[0.37,0.66];i/R与h/(2R)间的关系采用指数函数拟合效果比常用的幂函数要好,但参数取值范围较大。基于分析结果,提出新的i值计算公式,该公式适用于黏性土,考虑了R、h、φ,同时参数取值范围较小,避免经验性参数取值范围较大可能带来的误差。     

盾构隧道管片施工阶段力学行为的三维有限元分析

管片是盾构隧道最基本的结构单元,与正常使用阶段相比,管片在施工阶段承受的荷载及相应的力学行为均有较大差异。从工程经验可知,管片开裂多发生在施工阶段,因此对管片在施工阶段力学行为的研究尤为重要。采用三维有限元法,利用通用有限元软件ADINA,建立一段具有9环管片的盾构隧道数值模型。通过加入与施工阶段相对应的注浆压力、千斤顶顶力及初步引入盾尾刷的挤压作用,分析盾构隧道的变形特点及应力分布。分析结果表明,在施工阶段,管片外荷载沿隧道纵向的差异使管片环的位移及应力沿隧道纵向产生变化,各环变形的特征也不相同。由于楔形块构造的原因,使得在均匀的注浆压力下,管片环仍然出现平面外的位移,并造成一定的错台量。若注浆压力不均匀,错台量将增大,甚至能造成管片开裂。千斤顶顶力对施工阶段管片的位移、应力有明显的影响,千斤顶顶力作用是管片在施工状态下最不利的工况。     

连拱隧道动态施工模型试验与三维数值仿真模拟研究

连拱隧道作为公路隧道新的结构型式，理论上还不成熟。以云南省元磨高速公路的一座连拱隧道作为工程背景，按弹性阶段相似原则进行连拱隧道室内模型试验，模拟连拱隧道的施工工况，采用压力盒、数码摄像、沉降板等仪器量测施工过程中隧道围岩应力和位移分布，采用三维连续介质快速拉格朗日元模拟连拱隧道的施工工况，得出施工过程中隧道围岩位移、应力和塑性区分布规律，其结果与模型试验所得结果基本一致。     

新型铁路隧道门洞口段结构受力特征现场试验研究

现有的铁路隧道洞门的设计只是经验性地照搬标准图的模式,而对新型隧道门的研究是必要的。一种新型隧道门在满足它的美学效果、环境保护等功能外,更重要的是应保证隧道洞口结构受力后的安全性。对采用新型隧道门的洞口段围岩压力和衬砌内力进行现场测试,并将单线斜切式隧道门洞口段的现场试验结果与模型试验和有限元数值计算结果进行比较,探讨了洞口段围岩压力分布和衬砌结构受力特征。研究结果表明:斜切式隧道门洞口段围岩压力和衬砌内力从洞口向洞内逐渐增大,其大小随覆盖层厚度增大而增大,围岩压力在仰拱处最大;衬砌结构处于复杂的三维受力状态,既有横向轴力、弯矩,又有纵向轴力、弯矩,其受力特征类似于壳体结构,因此,按壳体结构设计比较合理。     

壁后注浆引起盾构隧道上浮对结构的影响

壁后注浆作为盾构隧道施工中必备和关键工序,其质量的好坏不仅影响地层变形,还可能引起隧道在施工期的上浮,对结构产生较大影响。基于等效连续化模型和弹性地基梁理论,建立盾构隧道纵向分析模型,通过有限元数值模拟,求得最大上浮变形出现在盾尾后10环附近。借助环缝最大张开量这一参数,分析土层反力系数、环缝连接螺栓数量、隧道掘进速度及管片环宽度的影响,得到如下结论:(1)环缝最大张开量随土层反力系数、环缝连接螺栓数量的增大而减小,随隧道掘进速度、管片环宽度的增大而增大,且较为显著;(2)当隧道周围地层反力系数较小时,通过适当的地基处理方法来提高反力系数效果显著。     

大断面水下盾构隧道原型结构加载试验系统的研发与应用

 针对大断面水下盾构隧道衬砌结构特点,提出管片结构(包括接缝结构及整环衬砌结构)的原型试验加载方法,并自主研发多功能盾构隧道结构加载试验系统,该系统可根据不同需求进行组装和拆卸,既可进行管片接头力学试验,又可成功将水压与土压分离,进行管片衬砌结构的加载试验。随后,采用该试验系统对南京长江隧道及珠江狮子洋隧道管片衬砌结构进行原型加载试验,包括错缝拼装、通缝拼装结构的加载试验,接头抗弯、抗剪试验等,并选取部分试验结果与数值计算对比,验证该试验加载方法对大断面盾构隧道结构体系进行系统研究的正确性及可靠性,为科研、设计和生产提供可靠的试验手段。