空洞对盾构隧道结构受力与破坏影响模型试验研究

通过将渐进性破坏理论应用到盾构隧道管片衬砌结构病害(尤其是管片开裂)产生的破坏分析中,采用相似模型试验方法,通过超载的形式从管片衬砌结构内力及位移、声发射信息、管片破坏过程方面,分析地层空洞缺陷对盾构隧道管片从材料细观损伤到结构宏观局部破坏再到结构整体失稳的整个渐进性破坏失稳过程的影响。试验结果表明:空洞缺陷的存在对衬砌结构的极限承载能力及破坏模式具有显著影响,首先是会降低管片失稳临界点对应荷载值,临界点对应的最大位移值与隧道半径比值减小,其次降低管片结构开始出现宏观裂缝时的荷载值;对于空洞的分布位置,拱肩位置空洞的存在更容易导致结构的失稳,其次拱腰和拱顶;空洞的存在也会改变衬砌结构失稳起始位置的分布,导致失稳起始位置接近或直接位于空洞位置。     

水下盾构隧道管片衬砌结构渐进性破坏机理模型试验研究

水下盾构隧道管片衬砌结构病害的防治是一个公认的难题,揭示管片衬砌结构破坏、失稳的机理显然对病害的科学治理具有很强的指导意义。采用模型试验方法,通过超载的形式对水下盾构隧道管片衬砌结构从材料细观损伤到结构宏观局部破坏再到结构整体失稳的整个渐进性破坏失稳过程进行了系统研究。将大型水下盾构隧道管片衬砌结构渐进性破坏过程划分为初始弹性阶段、局部损伤阶段、宏观破坏阶段和整体失稳阶段四个阶段,并给出了各阶段管片衬砌结构的力学行为特性;探明了盾构隧道管片衬砌结构失稳临界点,并以关键点位移与隧道外半径比值的形式给出了失稳临界建议值;通过对声发射数据的分析,揭示了管片衬砌结构破坏过程的渐进性特性,并获得了声发射事件出现的频率与幅值分布随外部荷载的变化规律;分析了管片衬砌结构宏观裂纹的出现及扩展规律,并通过最终破坏形态分析了造成管片衬砌结构整体失稳的关键部位的空间分布以及破坏形式。     

使用图像分析研究隧道衬砌管片的位移变化

以复合材料加固前后的盾构隧道管片为对象,进行了盾构隧道管片在侧向荷载作用下变形能力和极限承载力的整环加载试验,使用图像处理技术对加固前后衬砌圆环管片接缝两侧的位移变化进行了研究。根据加载过程中不同时刻的试验图像,使用粒子图像测速技术得到了不同时刻、不同位置接缝两侧混凝土管片的位移变化情况。结果表明:未加固阶段管片顶部接缝处管片表面位移相对较小,两侧位移变化不相等,封顶块位移大于邻接块位移,加载结束时最大位移发生在封顶块位置;整环加固后,封顶块位移大于邻接块位移,加载结束时裂缝开始扩展;加固前后位移变化幅度大小次序依次是封顶块、标准块、邻接块和底块,破坏最先发生位置是封顶块和邻接块的连接位置;使用复合材料加固后,各处接缝两侧管片位移变化幅度及整体位移变化量均小于加固前,管片承载力增加,强度明显提高。本文结果对研究隧道衬砌破坏机理有一定的参考价值。     

不同拼装方式下盾构隧道管片衬砌受力与破坏模式模型试验研究

管片拼装方式通常包括通缝拼装和错缝拼装两种形式,在不同工程中均有应用,拼装方式的不同直接造成管片衬砌结构体系上的差异,导致相同荷载条件下结构受力及破坏形态的显著差异。以狮子洋隧道为工程背景,采用相似模型试验方法,对比分析不同拼装方式对管片衬砌结构的力学特性及破坏特征的影响规律。试验结果表明：拼装方式对管片衬砌结构的力学性能及破坏形式影响显著,通缝拼装方式整体刚度相对于错缝拼装方式较小,衬砌结构发生失稳时,通缝拼装方式极限承载力最低,其临界失稳位移最大,在管片衬砌结构开始发生宏观破坏后迅速进入失稳阶段,承载力丧失具有突发性,衬砌结构破坏最为严重|错缝拼装提高了管片衬砌结构的极限承载能力,结构从局部出现宏观裂纹到发生整体失稳的过程较长,具有明显的渐进性特征,其中错缝拼装方式CF2的失稳开始荷载最大,临界失稳位移值最小,失稳破坏过程的渐进性明显,有利于管片衬砌结构承载及防水的需求。     

封顶块位置对地铁隧道管环力学性能影响研究

在盾构隧道施工和运营期,封顶块位置对盾构隧道的整体结构受力及变形有显著影响,因此对其位置的合理选择进行研究非常必要。采用ABAQUS有限元软件建立壳—弹簧模型,对封顶块不同软土不同埋深及在不同位置下盾构隧道通用管片结构力学行为进行研究分析。结果显示:同种软土中,通用管片整体结构弯矩随着埋深增加,弯矩增大;同种埋深下,随着软土由坚硬到软弱,弯矩逐渐增大。通用环封顶块在拱顶和拱底时,结构弯矩最大,对结构安全最不利;其次为两侧拱肩位置;封顶块在两侧拱腰以上,拱肩以下时结构弯矩值最小,对结构安全最有利,其次为两侧拱腰偏下位置。研究结果可以对施工阶段封顶块点位选择提供指导,同时还能为设计阶段的管片优化设计提供理论参考。     

管片接头刚度对盾构隧道衬砌结构应力与变形的影响研究

基于杭州市地铁8号线盾构隧道某区间衬砌结构工程,采用有限元法研究了管片接头刚度对盾构隧道衬砌结构应力与变形的影响。研究结果表明：地表最大位移值随着管片接头刚度折减系数的增加而减小;盾构隧道衬砌结构内、外环顶部的环向位移与拱顶、拱底和拱腰处的环向应力均随着管片接头刚度折减系数的增加而增大;管片接头刚度对盾构隧道衬砌结构变形和地表位移均有较大影响,可采用提高管片接头刚度的方法减小盾构隧道衬砌结构变形,并采用注浆的方法抬升地表,进而降低地层损失率。该研究成果可为类似工程提供参考。     

地震作用下盾构隧道衬砌结构动力响应分析

盾构隧道衬砌结构在地震载荷作用下的安全越来越受到重视,本文运用有限元软件数值模拟地震作用过程,分析地震作用下不同管片接头模型中管片性能的变化规律,结果表明：盾构隧道在地震横向作用下产生较大的横向位移,不同管片接头模型中管片的位移时程曲线趋势基本一致,且随着管片刚度减小而增大,但均比地表土体横向位移小很多|地震作用下不同管片接头模型中管片和连接螺栓的内力分布情况相类似,随着管片刚度减小,管片横向方向和剪切方向的应力均减小,连接螺栓的轴力、剪力和弯矩均增大,其中剪力增加的幅度最大,弯矩最大值位于隧道两拱腰处。     

纵向裂缝对隧道衬砌承载力的影响分析

 基于隧道衬砌拱顶结构1∶1的荷载试验,建立衬砌裂缝深度与衬砌刚度的关系,提出裂缝处衬砌刚度计算的梁弹簧模型。基于梁弹簧模型分析裂缝位置、裂缝深度和地层抗力对衬砌结构承载力的影响。计算结果表明：隧道拱顶安全系数随裂缝深度增加呈线性降低,裂缝深度为衬砌厚度的50%时,安全系数则降低78%;相同裂缝深度情况下,裂缝在拱顶时最不利,裂缝在拱腰、边墙以及拱脚时对结构安全系数影响较小;地层抗力对拱顶、边墙以及拱腰的安全系数影响较大,对拱脚的安全系数影响较小。     

层状围岩中管片衬砌受力特征的模型试验研究

深部层状围岩结构强度具有各向异性特点,此类地层中修建盾构隧道,管片衬砌易受偏压作用,对结构安全构成挑战。开展层状围岩与盾构管片衬砌相互作用关系的相似模型试验研究,研究不同层理倾角下管片衬砌壁后围岩压力、管片衬砌内力和变形分布规律。研究结构表明:管片衬砌受力和变形特征受层理面控制明显,管片衬砌受力极不均匀,弯矩、轴力和变形呈现非对称分布;管片衬砌壁后围岩压力最大值集中在强度最弱的层理面法线方向,该方向上管片衬砌的弯矩最大,轴力最小,变形最大;层理倾角对管片衬砌的受力和变形影响显著,层理倾角不仅影响管片衬砌壁后围岩压力分布形状还影响其量值大小;均质地层中,管片衬砌裂缝主要出在封顶块接头处和其他环向接头处,层状地层中管片衬砌裂缝出现位置受接头位置影响减弱,而受层理倾角影响明显,管片衬砌裂缝出现位置主要集中在层理面法向。研究结果对层状围岩中修建盾构隧道的支护结构型式设计具有一定参考价值。     

盾构隧道60°斜穿地裂缝的变形破坏机制试验研究

 从西安地铁盾构隧道工程背景和西安地裂缝地质环境出发,根据相似理论设计盾构隧道管片衬砌结构60°斜穿地裂缝的物理模型试验。管片混凝土应变、纵向和环向螺栓应变、结构接触土压力和结构外围土压力、结构内部收敛位移、模型顶表面土体变形以及宏观变形破坏现象表明,盾构隧道管片衬砌结构60°斜穿地裂缝的变形破坏模式以剪切变形为主,局部有扭转和弯曲变形;结构破坏范围为上盘0.75D(D为管片环外径1.20 m),下盘0.50D;管片混凝土破坏主要发生在螺栓孔附近,地裂缝处纵向螺栓发生较强的剪切、扭转和拉伸变形破坏;管片衬砌结构变形破坏不对称,管片环向处于偏压状态;环缝拱顶错位量大于拱底和拱腰,拱顶最大错位量达30 mm(0.025D),模型难以适用地裂缝错动变形20 cm(0.166 7D),盾构管片衬砌结构不适用于地裂缝活动强烈的地质环境。     

受荷状态下盾构隧道管片锈蚀劣化破坏过程研究

为研究服役期盾构隧道衬砌结构性能衰退演变规律,从隧道结构长期处于水土荷载和周围离子侵蚀环境耦合作用下的特点出发,根据服役盾构管片压弯荷载受荷特征,采用弯矩、轴力导入的方式,等效地模拟盾构隧道管片的实际受力状态,结合围堰式的电化学加速锈蚀方式,研发了可实现压弯受荷状态下进行盾构管片加速锈蚀劣化的试验系统,重点分析不同工况下盾构隧道管片锈蚀劣化发生发展规律。主要结论有：未锈蚀管片裂缝形态主要以受拉横向裂纹为主;未加载锈蚀管片在锈蚀阶段仅产生顺筋锈胀裂纹,裂纹宽度体现出先增大后趋于稳定的特点,加载破坏阶段锈蚀区混凝土在锈胀裂纹和受拉裂纹共同作用下将出现混凝土局部剥离与错动现象;压弯受荷状态下,管片裂缝的扩展是钢筋锈蚀与外加荷载共同作用的效果,管片受拉裂纹与锈蚀裂纹体现出相伴发生发展的规律,管片承载能力存在较大降低。研究成果可为设计基准期内盾构隧道管片衬砌结构长期安全性能评价提供重要参考。     

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。     

纤维混凝土隧道衬砌地震动力响应特性的振动台试验研究

 为研究纤维混凝土隧道衬砌在地震动力作用下的动响应特性,对普通混凝土隧道衬砌与纤维混凝土隧道衬砌开展大型振动台模型试验,分析隧道衬砌的震害特征、地震动应变、结构内力和应变基线响应规律。试验结果表明：水平地震荷载及地层压力共同作用下,2种隧道衬砌均为仰拱最先开裂,其次为拱腰开裂,衬砌结构破坏模式主要为开裂、掉块和裂缝两侧挤压破坏;素混凝土隧道衬砌出现开裂破坏早,裂缝易贯通,裂缝两侧混凝土基体在振动过程中相对位移大;纤维混凝土隧道衬砌出现开裂破坏晚,裂缝两侧混凝土基体在振动过程中相对位移小,裂缝呈挤压破坏状;纤维延缓衬砌结构裂缝的产生和阻碍裂缝的扩展;地震波加速度峰值从0.1 g增大到1.0 g时,素混凝土隧道衬砌动应变极值和裂缝宽度显著增大,而纤维混凝土隧道衬砌动应变极值和裂缝宽度先在一定范围内缓慢增长然后迅速增大,但最终2种衬砌动应变极值和裂缝宽度大致相等,说明纤维混凝土隧道衬砌在一定地震荷载范围内可以有效避免开裂和减小裂缝宽度;纤维混凝土隧道衬砌压缩变形率较小,当输入地震波加速度峰值为0.1 g和0.4 g时,纤维混凝土隧道衬砌结构动弯矩极值较低,受力更均衡,能有效地抵御地震荷载。     

Evaluation of the load on shield tunnel lining in gravel

It is important to evaluate accurately the load acting on a shield tunnel lining to facilitate its economical and rational design. In Japan, the load calculated by Terzaghi's formula, or overburden load, is generally adopted for the design of tunnel segments. However, some previous field measurements have shown that the actual load acting on the shield tunnel lining could be much smaller than that adopted for the design in the case of good ground conditions. In this study, field measurements at two shield tunnel construction sites in gravel were carried out, and the load acting on the shield tunnel lining was evaluated by analyzing the field data to establish the rational design of the shield tunnel segments. The method of treating the dead load of segments in the design was also investigated.     

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。     

流变荷载作用下隧道裂损二次衬砌结构安全性能研究

围岩流变效应导致的衬砌开裂是软弱围岩地层隧道服役期间较易遭遇的问题。针对该问题,以某软弱破碎千枚岩隧道为例,在对该隧道二衬开裂情况及原因进行调查的基础上,建立锚杆-围岩复合体结构流变模型及基于壳-接头的二次衬砌开裂模型,对二次衬砌在不同裂损程度、不同开裂位置及不同裂纹数量下结构的长期安全性进行了分析。结果表明：单条裂纹情况下,随着裂纹深度的增加,隧道各开裂截面处安全系数逐渐减小,拱顶、拱肩、拱腰处几乎呈线性降低,而拱底的安全系数变化最为显著|相对于开裂截面,未开裂截面由于刚度大,对流变荷载的反应更为敏感,即截面的安全系数随着衬砌服役年限的增加变化更为剧烈,部分截面安全系数甚至会降至1以下|当η>0.7(η为裂缝截面刚度折减系数)时,结构的安全性主要受流变荷载控制,当0.5<η<0.7时,结构的安全性受流变荷载及截面裂损程度的共同控制,当η<0.5时,结构的安全性主要受截面裂损程度的控制|在实际工程中,结构出现两处裂纹时,当裂损程度η=0.5时对结构进行加固是比较适宜的|而结构出现三处裂纹时,当裂损程度η=0.7时对结构进行加固是比较适宜的。     

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。     

管片衬砌梁–弹簧广义模型及接头转动非线性模拟

梁–弹簧模型法在盾构管片衬砌设计计算中逐渐得到广泛应用,但现有的梁–弹簧模型无法模拟盾构衬砌管片接头的不连续变形及接头转动刚度的非线性特性。基于此,开展了梁–弹簧模型在衬砌设计中的适用性及非线性接头转动刚度在梁–弹簧模型中的应用研究。研究表明:根据对相邻管片在接头位置结点位移处理的不同,可将梁–弹簧模型分为梁–弹簧连续模型和梁–弹簧不连续模型,后者又称为梁–接头模型,可准确分析盾构管片衬砌的内力及变形。采用梁–弹簧不连续模型求解衬砌内力及变形时:对于线性接头转动刚度模型,可基于卡氏第二定理求解;对于多段线性模型,可基于卡氏第一定理或克–恩定理求解;对于非线性模型,可采用增量–迭代法数值求解。