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.     

隐伏断层错动对盾构隧道影响的模型试验研究

为了探究隐伏断层错动下盾构隧道结构受力特点及地层破坏模式,基于盾构隧道纵向等效连续化模型,开展隐伏断层错动对盾构隧道影响的模型试验. 研究隧道结构纵向受力特征、环缝接头张开量与断层错动的关系,采用数值模拟手段验证模型试验结果的合理性. 试验及数值计算结果表明,隐伏断层错动下隧道结构纵向受力变化明显,断层错动对隧道结构纵向受力的影响范围小于60 m. 在断层顶部投影面附近的盾构管片环缝存在明显的张拉变形,在正断层错动下盾构环缝接头更容易产生张拉大变形. 正断层错动工况下的隧道结构纵向呈偏心受拉状态,逆断层错动工况下的隧道结构纵向呈偏心受压状态. 在正断层错动下地层发生明显的剪切变形,呈现倒三角形剪切变形扩展规律,地表产生横向贯穿裂缝,逆断层错动下的地层剪切变形相对较弱.     

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.     

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.     

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.     

基于长期沉降运营地铁隧道健康诊断

目的研究上海轨道交通二号线某区间地铁隧道运营期间的健康状况并进行诊断,得出实际运营地铁隧道不同时间不同区段的曲率半径分布规律．方法以盾构隧道的长期沉降为基础,从地铁隧道长期沉降出发,采用非均匀有理B样条法对隧道纵向沉降变形曲线进行拟合,并计算出相应曲率半径;然后通过修正的等效连续化模型,计算出5种临界状态下的隧道曲率半径及其他变形受力指标值．结果上海市地铁该区间隧道绝大部分测点处于《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》的地铁安全运营的要求范围内,即曲率半径不小于15000m;几乎所有测点均满足盾构管片抵抗0．5MPa水压的环缝张开量要求,即曲率半径大于2550m;随着地铁运营时间的增长,隧道曲率半径分布集中的现象有所削弱,说明隧道不均匀沉降状况逐渐加剧;地铁区间中位于车站和中间旁通道之间的区域,曲率半径分布集中,隧道不均匀沉降现象不太明显;靠近车站和中间旁通道附近区域,曲率半径分布相对分散,隧道不均匀沉降现象较为严重．结论系统地对弹性和塑性状态下的隧道纵向等效连续化模型进行了修正,完成了从具体指标上定量地对地铁运营隧道的健康状况进行诊断,对于城市地铁隧道运营监控具有指导意义．     

软土地铁盾构隧道环缝张开可靠度分析

软土地铁盾构隧道运营后,受各种内外部因素影响,隧道产生较大的不均匀沉降,进而产生不同程度的环缝张开,严重影响运营安全。在综合考虑隧道衬砌几何尺寸、纵向曲率半径及沿隧道纵向抗压抗拉刚度比基础上,同时考虑认识不确定性及随机不确定性,通过区间Monte Carlo抽样模拟计算环缝张开的失效概率区间。讨论了环缝失效概率随不同纵向曲率半径及衬砌环沿隧道纵向不同抗压抗拉刚度比的变化情况,定量化的得到两者在一定失效概率区间下的控制范围。为地铁运营养护决策的制定、优化结构和防水设计提供依据。     

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.     

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。     

隧道工程纵向变形的研究

各类线形隧道与地下工程的纵向变形问题愈发严重,对其展开的相关研究工作地相对滞后.将隧道划分为岩石隧道与土质隧道分别进行研究,针对两类隧道各自的特点和产生纵向变形的原因,提出了进行实验模拟的设计方案、计算地层刚度及建立纵向等效模型的方法、以及如何考虑岩（土）体与隧道结构的共同作用分析它们的内力与变形的研究思路.上述方法与思路可为同类研究及工程实际中采取相应措施控制纵向不均匀沉降及优化设计提供参考与建议.     

大直径盾构隧道下穿既有车站诱发车站结构变形分析

采用三维有限差分程序模拟城市大直径盾构隧道施工,基于此分析了上部地铁车站的结构变形并考虑了车站变形缝的影响.计算选用了地层-结构模型,土体则采用弹塑性模型模拟,应用link单元模拟变形缝,并对link单元的本构关系及参数进行了详细的定义.重点进行了结构间相互作用分析及变形缝的模拟.结果表明:考虑变形缝,结构变形更加灵活,充分;差异变形发生在地层刚度变化大的部位;变形结果为结构安全评估提供了可靠的依据.     

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。     

盾构开挖对桩基内力和变形的影响

为研究盾构开挖对建筑物的影响,以某6层框架结构为研究对象,考虑上部结构-桩基-土体的共同作用。采用有限元软件ABAQUS6.14-1建立了盾构隧道、土体、桩基、上部框架的整体三维有限元模型,计算分析盾构下穿框架结构对桩基础变形和内力的影响。有限元计算结果表明:桩距盾构轴线的距离不同对桩底水平位移的影响比桩顶大,不同位置的桩的轴力受盾构开挖的影响各有不同,当开挖面推进到桩轴线并前进4倍洞径以内时桩的水平位移、弯矩和轴力的变化最为显著,桩上部所受弯矩较大且距地面0.2倍桩长处弯矩最大,应用采桩基础托换的方法减小该位置处的桩身弯矩。     

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．     

盾构隧道叠置下穿地下道路的施工变形规律研究

在盾构近接工程中,既有地下道路正下方进行盾构下穿具有极大的施工风险。考虑盾构施工中隧道、土和地下道路的变形耦合作用,采用有限差分法,建立了盾构叠置下穿地下道路施工的三维数值计算模型,对盾构施工引起的周边土体位移和地下结构变形展开研究。结果表明,盾构施工主要引起了三面围合区域内部的土体位移,而在围合区域外部几乎没有土体移动,在隧道中轴线上方地下道路的顶板和底板发生较大的附加变形,三面围合下隧道衬砌环的横鸭蛋变形相比半无限空间中有所减弱。     

软土地层浅埋盾构施工的精细化数值模拟

为研究盾构隧道浅埋施工过程中多种因素对地层的扰动影响,基于有限差分平台建立模拟盾构动态开挖的精细化数值模型,考虑刀盘摩擦力、开挖面支护力、盾尾注浆压力和盾壳摩擦力对周围土层的综合作用,并将盾尾注浆时压力消散和浆液凝固的对应关系分阶段、分区域赋值,实现了对施工过程的精细模拟。利用厦门地铁1.0D埋深盾构隧道工程现场监测结果对数值模型进行验证,计算并总结了浅埋开挖引起软土地层的扰动变形规律,进而研究了各施工因素对扰动效果的影响。结果表明：软土地层盾构施工过程中,以刀盘顶推作用为主的机械开挖使前方土体径向扩张,开挖空间上方土体隆起,两侧土体外移;盾尾注浆阶段,在开挖空间两侧各1.0D范围内形成沉降槽,且随注浆压力消散逐步加深,隧道侧面土体水平位移在注浆层凝固期间,出现近场回弹和远场扩张现象;刀盘驶过目标断面3.0D后地层变形趋于稳定。刀盘摩擦力和盾壳摩擦力的增大会进一步加剧地层扰动变形,而开挖面支护力及盾尾注浆压力增大时,地表沉降有所减缓,侧面水平位移显著增加。因此,施工参数的选取应考虑对隧道周边地层扰动程度的均衡。     

侧部岩溶尺度及净距对盾构隧道围岩变形影响分析

以某地铁区间岩溶区盾构隧道修建为工程依托,对隧道三维动态盾构施工过程进行弹塑性数值模拟,分析盾构隧道施工时,溶洞尺寸以及溶洞与隧道间净距对隧道围岩变形及应力等的影响规律。研究结果表明：溶洞对隧道施工过程中围岩变形影响较大,围岩的径向位移及其释放率在有溶洞存在时有增大趋势,同时发现其随溶洞尺寸增加而增大;溶洞尺度及溶洞距盾构隧道间净距对围岩塑性区分布范围及形态以及衬砌结构受力特征等有比较大的影响;通过反复论证,确定了溶洞与盾构隧道问最小施工安全净距不应小于溶洞尺寸。本次研究成果可为岩溶区城市地铁隧道修建提供参考依据。     

基于透明土的盾构隧道模型试验设计研究

鉴于现有盾构模型试验不便获取土体内部的变形信息等缺点,利用溴化钙水溶液和熔融石英合成透明土,在此基础上设计了盾构掘进模型试验的系统方案。模型盾构机刀盘可以旋转,也可向盾构壳内撤回,并且均由螺杆控制,可用于模拟盾构开挖和开挖面支护压力减小工况。盾构施工过程中,通过激光面切割盾构前方透明土体,形成一个明亮的土体内部颗粒切面,利用数码摄像连续获取该切面的有关图像,结合粒子图像测速技术分析土体的内部变形特征,从而实现对盾构施工引起土体变形的细观机理的真正可视化研究。