跨活动断层盾构隧道纵向受力及变形特征

为了研究断层错动下盾构隧道力学响应特征，引入Vlasov双参数地基模型，并考虑水平地基摩阻力的影响，提出跨活动断层盾构隧道纵向力学响应解析模型.以正断层错动工况为例，采用模型试验及数值模拟验证解析模型的合理性，讨论影响隧道结构纵向力学响应的因素.建立考虑环缝接头塑性变形的三维数值模型，分析环缝接头塑性变形对隧道结构纵向受力与变形的影响.研究结果表明：解析模型计算得到的隧道纵向力学响应特征与模型试验、数值计算所得规律一致，当不考虑竖向地基剪切刚度时，解析解计算得到的隧道纵向弯矩偏大；相较浅埋土质地层工况，深埋岩质地层对隧道纵向变形限制作用更加明显，导致结构纵向内力增大；隧道与断层之间竖向距离、断层破碎带宽度及结构纵向抗弯刚度有效率等因素均对隧道最大纵向内力影响显著；当考虑环缝接头塑性变形时，在断层错动20 cm工况下，盾构隧道环缝接头已经产生显著的塑性变形，严重威胁盾构隧道的运营安全.     

考虑衬砌变形与接头特征的盾构隧道纵向刚度

针对盾构隧道纵向刚度计算未考虑衬砌差异变形、接头特征及错缝拼装增强效应,定义考虑错缝拼装作用的横向刚度有效率,提出衬砌差异变形系数与接头等效刚度修正系数.推导盾构隧道纵向等效刚度计算式并结合数值法开展算例分析,探讨纵向等效刚度对不同修正系数的敏感性.研究表明：衬砌结构承载时,水平变形较竖向变形小15%,假定两方向变形相同存在不足;利用实际接头和等效螺栓环计算管片环缝张开量相差17.6%,接头等效为螺栓环存在不容忽视的误差;衬砌错缝拼装使横向刚度提高了17.5%,对隧道纵向刚度影响显著;盾构隧道纵向刚度计算中,考虑衬砌差异变形、接头特征及横向刚度与否对应的等效刚度相差14.3%,对隧道纵向结构特性产生了明显的影响;隧道纵向刚度随着衬砌差异变形的增大近似线性减小,且随接头等效刚度修正值和横向刚度同向线性变化.     

地面堆载下盾构隧道管片与环缝接头的性状分析

针对地面堆载对隧道管片与环缝接头影响的问题,提出地面堆载对下方隧道管片及环缝接头影响的三维数值分析模型和方法.该方法采用连续体有限元模型分析堆载引起的附加应力,并提取应力调整系数,将盾构隧道每环拼装结构等效为均质圆环、环与环之间采用螺栓连接,进行应力叠加三维荷载-结构分析.减少计算工作量,反映盾构隧道主要纵向特性.应用该方法对杭州地铁1号线隧道管片以及环缝接头在堆载作用下的响应进行分析,与现场监测结果进行对比.结果表明,数值模拟结果与现场结果有着较好的吻合,能够有效揭示隧道管片和环缝接头在堆载作用下的变形和破坏规律.     

跨博-阿断裂隧道的抗错断性能模型试验

中国西部地区地质条件复杂,许多隧道工程在建设过程中会穿越不良地质区段,受到来自活动断层的错动威胁．为探究走滑断层作用下铰接隧道结构的应变响应规律及变形破坏机制,以天山胜利隧道工程为背景,利用光纤传感技术,通过室内缩尺模型试验,开展了走滑断层作用下分节段铰接隧道变形破坏研究．结果显示,隧道衬砌的变形主要发生在断层破碎带内部及边缘附近,隧道整体的破坏模式为拉压剪切组合破坏模式;沿隧道纵向,断层破碎带处隧道受力模式总体上为拱顶与拱底受拉,两侧既有受拉也有受压;沿截面环向,环向应变分布呈“W”形,存在两个拉应变峰值及两个压应变峰值,截面变形趋势为两侧受到水平挤压作用,迫使截面由马蹄形向椭圆形发展．研究结果揭示了走滑断层作用下铰接隧道的变形破坏形式以及衬砌变形规律,可为类似工程提供理论参考和技术支持．     

越江盾构隧道纵向结构分析模型的改进及应用

在盾构隧道等效刚度连续模型中考虑了环缝影响系数的影响,推导了改进模型的力学计算公式,建立了隧道纵向变形曲率及环缝变形与环缝等效刚度之间的关系.利用该模型对上海某越江隧道进行了工程应用分析.根据盾构隧道临界状态的变形界值,初步建立了越江盾构隧道纵向变形曲率半径与环缝张开量间的关系.计算表明:与地铁盾构隧道相比,越江隧道曲率半径的限值要求可适当放宽.越江隧道纵向变形曲率半径小于1.257km时,环缝张开量大于6mm,环缝密封止水措施失效,隧道会出现严重的渗水漏泥现象.越江隧道螺栓极限应力状态相应的环缝张开量为21.00mm,此时环缝连接破环,不能满足隧道的结构性安全要求.     

跨断层埋管力学行为的多参数模拟分析

为研究断层错动对埋地管道的影响,采用有限元软件ABAQUS进行数值模拟,建立三维管土相互作用的非线性有限元模型,分析断层位移、管径、壁厚、断层及场地类型等参数对管道受力与变形的影响.研究结果表明,管道主要的破坏形态为受拉破坏;断层位移较大时,管道在逆断层作用下的应变反应要大于在正断层作用下的应变反应;场地类型对管道受力与变形有较大影响;增加管道的壁厚能够明显减小管道的拉伸应变峰值,有利于增强管道的抗力性能;断层位移较小时,采用小口径管道能够减轻管道破坏.     

基于广义反应位移法的过江盾构隧道纵向地震反应分析

为了解决在强震作用下大型盾构隧道纵向地震反应分析困难的问题,以武汉市三阳路过江盾构隧道工程为依托,构建了该盾构隧道二维非线性自由场地数值模型及盾构隧道整体纵向精细化梁-弹簧模型,研究了不同强度、不同频谱特性的地震动作用下盾构隧道沿纵向管环间的张开量.结果表明:不同工况下,盾构隧道相邻管环间张开量沿纵向走势呈现相似性,同一地震动作用下,张开量随着地震动强度的增加而呈非线性增长;地震动频谱特性对隧道纵向地震反应影响很大,环间张开量呈现高频减小,低频放大现象;在砂层与基岩面交界处,隧道环间张开量出现异常突变现象,在Darfield波、PGA=0.4工况下局部位置超过了一般防水措施允许的张开量最大值.计算结果为盾构隧道结构的纵向抗震设计提供了一定参考依据.     

盾构隧道衬砌变形中接头转动影响分析

为研究盾构隧道衬砌收敛变形中纵缝接头的影响,引入接头转动引起的收敛变形占衬砌总收敛变形的比值作为纵缝接头对衬砌变形影响的评价指标。基于接头初始装配角以及接头间的几何递推关系,提出一种用于计算盾构隧道纵缝接头转动产生收敛变形量的简易算法。首先,通过与多尺度混合分析结果对比验证所提出简易算法的有效性。然后,应用该方法对足尺管片试验结果以及三维精细化数值模拟结果中通/错缝拼装、接头位置、衬砌纵向力大小、重复加卸荷等因素对纵缝接头在隧道收敛变形影响的变化规律开展研究。结果表明：通缝拼装下,接头转动引起的收敛变形在管片总变形中占主导地位,而错缝拼装可以显著降低纵缝接头在衬砌收敛变形中的影响;接头越靠近弯矩最大处,接头转动对整体收敛变形的影响越大;纵向力的增加提高了管片的整体性,故接头转动引起的收敛变形占比随着纵向力的增加而减小;加荷后卸荷,由于管片自身弹性变形可恢复而接头转动无法恢复,卸荷阶段纵缝接头的影响增大。上述研究结果可为实际工程中的管片结构设计及隧道健康状态评价提供参考依据。     

基于二次受力的隧道套拱加固损伤衬砌模型试验

松动荷载引起损伤衬砌失稳是不良地层隧道运营期间关键的科学问题.针对此问题,研制了双车道公路隧道带缝衬砌套拱加固模型试验加载装置,可对衬砌结构任意位置施加松动荷载,在损伤衬砌受力同时进行套拱加固,解决了衬砌加固二次受力的“瓶颈”问题;开展1∶10模型试验,研究了松动荷载作用下损伤衬砌套拱加固补强效果,对比变形特性、力学响应及破坏模式.结果表明:衬砌结构刚度随荷载增加而退化,套拱加固有效修复受损衬砌,整体结构刚度明显增大,损伤严重衬砌经套拱加固后承载力仍可提高1倍;原衬砌结构破坏位置为拱顶、拱肩和边墙;套拱加固带缝衬砌构件关键控制截面为拱顶和墙脚,拱顶易发生大偏心压弯破坏,建议加强拱顶纵向配筋,提高抗拉承载力;墙脚出现斜裂缝,属于压剪破坏,应增设墙脚箍筋,以提高抗剪承载力.     

地基沉降引发输水盾构隧道复合结构受弯分析

结合混凝土、螺栓和钢管的弹塑性变形特性，基于纵向等效连续模型和平截面假定，建立衬砌管片、输水钢管及在衬砌管片与输水钢管之间填充混凝土的受弯分析模型.求解该模型，得到地基沉降作用下盾构隧道纵向接缝张开量、最大混凝土压应变及最大钢管拉应变等关键参数.将所建模型应用于杭州某输水盾构隧道工程，结果表明：地基沉降引起隧道受弯，隧道结构将产生7类临界状态，且先后顺序为螺栓达到屈服应力、环缝张开2 mm （螺栓和管片混凝土被侵蚀）、钢管达到屈服应力、环缝张开6 mm（钢管和填充混凝土被侵蚀）、管片混凝土开始受压屈服、填充混凝土开始受压屈服、螺栓达到破坏应力.当钢管紧贴衬砌管壁时，隧道结构处于最不利工况，容易导致钢管腐蚀和隧道脆性破坏.     

地面荷载作用盾构隧道纵向力学行为

基于弹性地基梁理论建立了地面荷载作用下的盾构隧道结构的纵向内力模型,该模型可以预测出地面集中荷载或均布荷载作用时地下盾构隧道产生的纵向附加沉降变形和内力,并且计算结果与有限元计算结果相吻合。同时对不同软土的基床系数、埋深和刚度对盾构隧道的纵向力学行为进行了分析。结果表明:在地面荷载作用下,盾构隧道的埋深、软土的基床系数对盾构隧道的力学行为影响较大。在地面荷载作用下,如果盾构隧道的埋深较小或者土层强度很弱,会导致盾构隧道产生较大的附加沉降变形和内力,甚至使结构破坏。因此在设计中应尽量避免软土层中浅埋盾构隧道情况的发生,必要时应该对软土地层土进行地基加固处理。     

盾构隧道在不同施工工况中地表变形的模拟研究

为研究盾构隧道在不同施工工况中地表及自身的变形规律,本文建立了盾构隧道的有限元模型,对盾构隧道在不同施工工况下的开挖进行了模拟计算,即采用不同掘进顶推力施工时的地表沉降、隧道不同埋深情况下施工时地表沉降、开挖完成后地表作用大面积荷载情况下的地表沉降,以及隧道修建完成后地下水位变化后对盾构隧道变形等不同工况的模拟计算．结果表明：盾构的顶推力会导致其前方一定范围的地表土发生向上的隆起,并且顶推力越大,隆起变形和范围均较大．在相同顶推力作用下,埋深较大的隧道地表点的隆起变形和范围较小．地下水位上升会导致地表浅层土体发生回弹变形,并且下方有盾构隧道的地表的回弹值要比下方没有盾构隧道的地表的回弹值小;当地下水位从盾构隧道拱底逐渐升高到中心处和拱顶时,盾构隧道结构会出现竖向和侧向变形,并且水位越高,变形量也越大．     

考虑隧道剪切效应的隧道下穿对既有盾构隧道的纵向影响

将既有隧道简化为能考虑隧道剪切效应的Timoshenko梁,提出在隧道开挖作用下既有隧道纵向响应的解析解答.通过两阶段分析法,分析隧道开挖过程中既有隧道的变形及内力响应.基于修正的Loganathan和Polous地层位移理论,预测新旧隧道成任意夹角情况下隧道开挖引起的自由土体沉降分布;把隧道开挖引起的自由土体沉降施加于既有隧道之上,并基于Timoshenko梁理论,建立考虑隧道剪切效应的既有隧道纵向变形微分平衡方程;通过有限差分法求得在自由土体沉降作用下既有隧道纵向变形及内力数值解答.收集2个已发表工程实测数据,并与所提方法和Euler-Bernoulli法得到的计算结果进行对比.通过对比分析发现,实测结果与两者计算结果有良好的一致性;相对于所提方法,基于Euler-Bernoulli梁的计算结果明显高估了隧道的弯矩、剪力及接头张开量;所提方法能有效模拟既有隧道剪切效应,因而可进一步得到隧道开挖作用下的既有隧道错台量.研究成果可为合理预测隧道开挖对既有隧道影响提供一定的理论支持.     

Analysis of the Dynamic Response of a Shield Tunnel in Soft Soil Under a Metro-Train Vibrating Load

1 Introduction In recent years, with the development of traffic on ringroads around cities, more and more attention has been paid to the impact of this metro traffic oper- ating on lining structures and the environment. With the structure of the tunnel lining as the critical carrier and barrier in transmitting the vibrating load waves, the analysis of dynamic responses of tunnels is quite important. Some scientists have already made some investigations in this field. Zhang[1] studied the dy- n…     

盾构法通缝隧道收敛测量的计算方法探讨

收敛测量数据处理时椭圆模型存在不足,如观测数据剔除粗差的阀值设置困难等,氢此提出了多弧段拟合算法、实施步骤及算例,并实际数据处理成果表明,多弧段拟合法的计算成果与实际CAD展点图更为接近,并且能够通过横径变形、纵径变形、相对错台量、相对旋转角等方面参数,全面评定圆形盾构隧道多弧段断面的变形程度.     

小净距盾构隧道施工管片附加应力监测与分析

为了研究在小净距隧道施工过程中新建隧道对先行隧道内力的影响,本文通过实际工程现场监测数据,总结了先行隧道管片附加内力大小及变化规律.采用振弦式表面应变计和频率读数仪对北京地铁某区间先行隧道管片环向和纵向的附加应力进行了现场监测,给出了环向附加应力和纵向附加应力历时变化曲线,并对不同测点附加应力在历时变化中最大值及稳定值进行了比较分析.监测结果表明:环向应力为压应力,其量值比纵向应力的量值大,且水平直径处受力最大,最大值达12.77 MPa.所得结论定量评价了小净距盾构隧道施工相互影响程度,为盾构隧道设计施工监测提供参考依据.     

西安地铁隧道穿越地裂缝带的计算模型探讨

通过对西安地铁隧道穿越地裂缝带的大型物理模型试验成果的分析,提出在地裂缝活动时,穿越地裂缝带的地铁隧道有以下两个方面的变化特征:一是作用于隧道的荷载发生改变;二是在隧道底部产生脱空现象。这种脱空现象无论在整体式隧道还是盾构隧道中都会出现。造成隧道在界面上与土体脱空的原因是隧道和周围地层的变形不协调。脱空区域的大小对地铁隧道的变形与内力计算会产生明显影响。在对隧道变形特征分析的基础上,总结得出了西安地铁穿越地裂缝带隧道变形的4种计算模型:对于整体式长隧道,可以采用一端固定而另一端简支,或一端固定而另一端定向支承的计算模型;对于整体式短隧道,可以采用外伸梁模型;对于盾构隧道,可以采用一端固定而另一端定向支承的计算模型。最后,对脱空条件下隧道数值分析的建模问题进行了讨论。算例分析表明:在数值计算中,对于隧道与土体接触面的界面处理非常关键,否则将造成计算结果的重大误差。