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。     

弧形侧向抗力法的力法推导及例证

弧形侧向抗力法是三角形侧向抗力法的理论修正。考虑大直径隧道穿越松软、水下软塑、复合等实际地层的非线性特征,进行其侧向抗力的弧形修正。给出部分正弦分布侧向抗力法的理论推导及例证。在自由变形法(FFD法)基础上对比三角形与弧形分布侧向抗力影响下衬砌结构的内力,拓展理论应用的限制条件及范围,并讨论各侧向抗力法在实际复合地层中的适用性。对比南京地铁一号线实测与理论计算结果显示:单圆整体式衬砌采用弧形侧向抗力法进行内力计算的过程明确,理论结果的误差范围可适用于实例复合地层中的衬砌计算。该算例的应用为复合地层单圆隧道衬砌的工程设计提供内力极值的理论参考,弧形侧向抗力法对类似工程设计具有一定实用性。     

盾构隧道管片衬砌内力计算方法比较

针对广州地铁二号线三元里～越秀公园区间盾构隧道 ,采用弹性铰法和弹性地基梁法对管片衬砌内力进行了计算 ,并与自由变形圆环法的计算结果作比较 ,得出一些对设计有参考价值的结论。     

拱形隧道弹性抗力的确定方法

隧道衬砌结构计算中弹性抗力的分布,目前采用布佳耶娃法假定弹性抗力,由于此法不能满足局部变形理论,对隧道衬砌结构内力的计算结果影响很大。本文提出了准确确定拱形隧道结构弹性抗力分布规律的新方法—迭代法;详细介绍了迭代法的基本思想、影响弹性抗力分布规律的因素、具体方法以及如何提高迭代速度,并给出采用迭代法计算结构内力的具体过程;通过实际算例,对比迭代法与布佳耶娃法结构内力计算结果的差异。最后指出迭代法的适用范围及有待进一步研究的必要。     

双圆盾构隧道衬砌结构受力解析

应用不均衡力矩及侧力、竖力传播法推导了双圆DOT盾构隧道衬砌内力的解析解。结合具体工程实例计算,与同一工况下的数值模拟和现场试验实测数据进行了对比分析。结果表明:解析解的计算结果稍微偏大,数值解最小,而实测值基本是介于二者之间,但三者所反映的内力变化规律基本上是一致的,验证了所推导的解析解的合理性和可靠性。此外,基于解析解分析了双圆盾构隧道衬砌结构计算中各种设计参数对计算结果的敏感性,研究表明:对于中浅埋双圆盾构隧道,拱背土压力的影响不能忽略;并建议将侧向土体抗力系数取为2500～6500 kN/m3,以充分发挥地层的被动抗力作用;在考虑结构受力和合理利用、优化结构断面的基础上,张开角应在30°⁶0°取值。     

盾构下穿地铁区间隧道衬砌受力特征分析

考虑时空效应的盾构下穿既有地铁隧道结构受力特征计算,对盾构工程风险控制研究有着重要意义。以南京地铁新建三号线区间盾构下穿既有一号线矿山法区间隧道为例,利用有限差分软件,按施工过程对既有一号线隧道衬砌结构的受力特征进行计算分析。结果表明：在采取有针对性的工程措施后,盾构下穿既有矿山法隧道施工方案是可行的。     

双圆盾构纠偏时隧道衬砌的内力分析

在双圆盾构隧道施工过程中,盾构机很容易发生侧向偏转,施工中必须不断地对双圆盾构进行纠偏。然而,纠偏过程往往会对周围环境以及衬砌内力产生一定的影响。针对该问题,应用有限元数值模拟的方法,分析双圆盾构施工时纠正偏转角引起的衬砌上的附加内力。并将计算结果与现有的计算模型得到的结果进行比较。结果表明:施工中纠偏所引起的内力比现有设计中不考虑纠偏计算得到的内力有比较大的变化。而且,随着偏转角的增加衬砌上有些点的内力增大(最大达5～6倍),有些点的内力减小甚至发生符号的反转。由此可知,可靠合理的隧道衬砌设计方法应考虑这种纠偏引起的内力重分布的作用。     

盾构隧道管片衬砌内力计算方法比较

针对广州地铁二号线三元里－越秀公署区间盾构隧道,采用弹性铰法和弹性地基梁法对管片初砌内力进行了计算,并与自由变形圆环法的计算结果作比较,得出一些对设计有参考价值的结论。     

下穿铁路的盾构隧道管片衬砌内力计算法研究

在对目前国内外盾构隧道衬砌结构设计中普遍采用的自由变形圆环法和弹性地基梁法进行比较分析后,针对盾构隧道下穿铁路,盾构隧道管片衬砌承受列车荷载引起的附加动应力进行了研究,提出了自由变形圆环法与弹性地基梁法相结合,基于弯矩与轴力转换系数的计算新方法计算承受偏应力的管片衬砌内力,同时对上海轨道交通线某下穿工点进行了算例分析.     

盾构隧道衬砌设计计算的几点研究结果

针对北京地铁5号线东四站～张自忠路站区间盾构隧道，运用修正惯用法以及有限元分析软件，选取不同大小的参数值(刚度折减系数、地基抗力系数)，进行了管片衬砌结构内力计算，并利用计算结果开展对称与不对称配筋。比较分析计算方法及参数大小对管片内力计算结果的影响以及管片配筋方式对配筋量的影响，得出了一些可供工程实践参考的结论。     

用冻结法修建地铁联络通道施工力学研究

采用三维有限元方法,模拟研究了冻结法施工条件下修建盾构隧道与联络通道组成复杂空间结构的施工力学行为。研究结果表明:因联络通道施工,将引起交叉部管片在整体上由“轴心受压向偏心受压”转变以及沿交叉部管片上下截面“整体受拉”的严重不利受力状况;与联络通道施工前相比较,交叉部管片呈现出沿纵向内力大幅度显著增长的受力特征(最大弯矩增长了9倍之多)。因此,对交叉部管片设计,不仅要求检算其横向内力满足技术规范,还应加强对其纵向结构强度的专门设计,以确保交叉部管片安全。     

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。     

隧道复合式衬砌荷载结构法计算方法的探讨

探讨了将隧道复合式衬砌的两层衬砌结构作为整体考虑,采用荷载结构法计算内力的方法,对采用整体计算和初期支护、二次衬砌按比例分担荷载的计算结果进行了比较,得出了有指导意义的结论。     

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。     

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。     

基于大直径盾构隧道扩挖地铁车站关键工况控制措施研究

 北京地铁14号线将台站基于大直径单洞双线盾构隧道采用PBA工法扩挖形成。以地铁将台站作为工程背景,根据实际施工工序,分析了PBA工法扩挖大直径盾构隧道建造地铁车站的关键工况。利用“地层-结构”相互作用有限元法,模拟开挖过程,着重研究了盾构隧道两侧中洞非对称开挖和两侧K管片非对称拆除这两个关键工况的结构体系受力转换规律。结果表明：由于两侧中洞的非对称开挖扣拱及两侧K管片的非对称拆除,导致中洞初期支护、管片以及中隔墙的应力分布呈现非对称状态;管片环的最大主应力由压应力变为拉应力;中洞拱部初期支护最大主应力出现在一侧的K管片拆除后;在中洞开挖阶段,中隔墙最大主应力出现在一侧中洞开挖后;在K管片拆除阶段,当一侧的K管片拆除后,中隔墙承受偏压,两侧的K管片均拆除后,中隔墙的偏压现象消失,此时中隔墙主应力最大。表明在两侧中洞非对称开挖和两侧K管片非对称拆除工况下,中隔墙承受明显的偏压。根据数值模拟结果和管片拆除试验段的中隔墙应变监测结果,针对“中洞支护参数、中洞开挖方法、K管片拆除方法”等设计方案进行了优化,以确保车站扩挖施工安全和车站结构安全。     

营运期地铁盾构隧道动力响应分析

采用三维动力有限差分法,考虑接缝、管片分块和软土地层等因素,对广州地铁四号线埋置于深厚软土地层之中的盾构隧道在地铁营运期间动力响应进行深入分析,并对考虑管片接缝与否2种计算模式进行比较分析。研究结果表明,地铁列车动载作用下,隧道动力响应自底部向顶部逐渐衰减,强烈区主要集中在下半部。管片环动力响应与接缝分布有关,临近接缝部位的动力响应值比远离接缝部位的动力响应值要大些。隧道基土动力响应强烈区主要分布于贴近管片环外围的一定范围内,越接近管片环、愈接近隧道底部,基土动力响应愈为强烈。地层动力响应由隧道壁往外快速衰减,受振区主要集中在距隧道中心约2倍隧道直径范围的近域地层内。当针对管片衬砌结构本身进行动力响应分析时,若把管片衬砌当整体考虑则会引起较大误差,故应考虑管片接缝;当针对地层进行动力响应分析时可不考虑接缝而把管片衬砌当成整体考虑,由此带来的误差在一般情况下可忽略不计。     

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。