盾构法施工过程的有限元模拟

在综合考虑了现有的有限元模拟方法的基础上,对部分仿真模拟细节进行了改进,改进了水平荷载的施加方法,用"等代层"来模拟盾尾建筑空隙,用预设单元的刚度迁移来模拟盾构的推进过程。通过对某地铁隧道盾构施工过程的模拟,分析了盾构推进过程中地表土体的位移与变形,计算得到的隧道横断面和隧道纵向地面沉降分布曲线与实测数据比较接近,结果证明了模拟方法是可行的。     

盾构施工对地表沉降影响数值模拟研究

为揭示盾构施工过程对地表沉降的影响,以某地铁东部市场至拱星墩区间盾构施工工程为背景,运用ABAQUS对不同土质、土体相关参数、盾构推进进尺、上部结构刚度进行数值模拟分析,通过改变参数数值,研究地表沉降规律。试验结果表明:不同土质的地表沉降曲线区别较大,其本质是各类土体相关参数的不同引起的地表沉降差异;地表竖向沉降值随着土体力学参数的增大而逐渐减小;随着盾构推进距离的增加地表竖向沉降值在增大,并且呈一定的线性关系;在沉降槽宽度系数以内,地表竖向沉降值随着土体上部建筑物结构刚度的增大而逐渐减小;在沉降槽宽度系数以外的一定范围内,地表竖向沉降值随着土体上部建筑物结构刚度的增加而逐渐增加。     

盾构运动特性分析

盾构的推进是一个复杂的时变过程，很难用力学和数学的方法精确描述。通过对盾构推进时姿态变化的特性进行分析，提出了一种以一系列平衡状态来模拟盾构推进过程的方法，以平面有限元为例说明了该模拟方法的数值实现，并对一实例进行了计算，结果表明了该方法的有效性。     

盾构刀盘的有限元参数化建模及其分析

为快速进行盾构刀盘有限元分析,建立了典型刀盘有限元模型建模系统,利用该系统实现了盾构刀盘自动建模和有限元分析,并进行了掘进过程的有限元仿真,得到了刀盘与掘进界面耦合作用下的动态强度、刚度,为刀盘的优化设计提供参考依据。     

基于姿态角控制的盾构自动推进系统设计及仿真分析

为提高盾构施工精度,减轻司机的劳动强度,设计了基于姿态角控制的盾构自动推进系统,并对其机械结构和液压系统进行了仿真。结果表明:基于姿态角控制的盾构自动推进系统使盾构能沿着预期纠偏曲线推进,姿态调整角度可控,提高了盾构施工轴线的精度,提升掘进施工质量和效率。     

相邻线路盾构施工对既有隧道的影响

 在刚度迁移原理的基础上,提出求解各施工步影响的沉降差值法,由单步增量求得相邻线路盾构施工对既有隧道影响全量。对某市地铁隧道的后施工线路盾构推进过程进行仿真计算,发现后施工隧道所产生之塌落拱拱脚作用在临近既有隧道斜上方这一受力机制,得到单施工步引起的既有线路管片最大环向拉应力值为0.13 MPa,最大累积附加拉应力为0.857 MPa;结合对考虑拼接缝的既有隧道管片受力状态的分析,找到裂缝隔片产生在连接块上的重要内在原因。研究成果丰富了模拟相邻巷道施工影响的仿真计算方法,并对城市地铁隧道等类似工程在设计和施工中预防裂缝出现具有一定的指导意义。     

轴力和弯矩共同作用下盾构隧道纵向非线性等效抗弯刚度研究

实际工程中,盾构隧道纵向弯矩和轴力可能同时存在,若按传统的纯弯等效抗弯刚度计算可能会带来较大误差。考虑轴力和弯矩共同作用对纵向弯曲变形的影响,提出5种弯曲模式,在经典的志波模型的基础上,建立盾构隧道纵向等效抗弯刚度计算模型,基于该模型开发了计算程序,以成都地铁3号线盾构隧道为实例,对其纵向等效抗弯刚度和管环张开量随轴力和弯矩的发展规律进行分析,并讨论弯曲模式的实用判别方法,求出变形过程的临界弯矩,最后给出纵向弯曲变形为线性和非线性的内力条件。研究发现:盾构隧道纵向变形随弯矩的发展过程可按轴力分为4类,各过程下管环张开量和等效抗弯刚度随弯矩的发展规律十分不同;轴力对等效抗弯刚度有显著影响,一般呈现压弯纯弯拉弯的规律。研究成果可应用于盾构隧道结构纵向力学分析、抗弯刚度分析等方面。     

三维流-固耦合仿真分析在盾构施工中的应用

以南昌轨道交通某盾构施工工程为例,利用大型非线性有限元数值模拟软件ABAQUS,对南昌富水砂性地层的盾构开挖进行三维流-固耦合仿真分析,模拟盾构推进、盾尾间隙、土体应力释放、管片拼装、盾尾注浆、浆液固结等施工工艺,并将计算结果与实测数据进行对比分析.结果表明：盾构在富水砂层推进过程中,地表沉降随着离开挖面距离的增大而减小.三维流-固耦合模拟方法可为类似工程提供参考.     

青草沙水源地原水工程输水隧道单层衬砌管片接头荷载试验研究

纵缝转角刚度、纵缝（环缝）剪切刚度和弯矩传递系数是盾构隧道衬砌结构计算模型中的关键参数，历来是本领域研究的重点和热点。结合青草沙水源地原水工程，通过管片接头 原型荷载试验 ，对上述关键计算参数进行研究。试验结果表明正弯矩作用下接头转角刚度符合双直线模型，负弯矩作用下转角刚度近似成线性，而且不同的接头构造情况下纵缝转角刚度值和其变化规律不同。在纵缝和环缝剪切试验中，管片间的错动随荷载变化过程分为 3 个阶段，其中错动主要发生在第二阶段。弯矩传递试验表明弯矩传递系数随着荷载的增大而减小。并且当纵缝转角刚度较大时，弯矩传递系数较小，反之亦然。最后结合试验结果，给出了盾构隧道衬砌结构计算模型关键参数具体取值范围和一些 有益 的结论，以供盾构隧道衬砌结构设计计算参考。     

盾构直削始发基坑围护结构变形数值分析与监测研究

盾构始发是盾构法修建隧道过程中易出现风险事故的重要环节,盾构直接切削始发基坑的围护结构实现始发的新工艺要求对围护结构的强度、刚度等参数进行充分研究。本文以某地铁工程为背景,对盾构始发基坑中的玻璃纤维筋桩即围护结构在开挖施工过程中变形进行了研究。通过采用数值模拟计算方法和现场监测的方法对基坑开挖过程中玻璃纤维筋桩的变形和基坑周边地表沉降进行分析,得出了玻璃纤维筋桩桩体以及桩后地表位移的变化特征。通过玻璃纤维筋灌注桩与普通钢筋灌注桩桩体变形的对比分析表明:由于玻璃纤维筋桩的刚度小于钢筋桩的刚度,玻璃纤维筋桩体的水平位移比钢筋桩的水平位移会增大,但均能满足盾构始发基坑顺利开挖和盾构直接切削始发的要求。总之,对局部玻璃纤维筋桩的围护结构变形的研究,确保了盾构直削始发的成功完成,并为今后的类似工程提供了有益参考。     

盾构法隧道施工引起的土体变形预测

 理论分析表明,不同土质条件下盾构法隧道施工引起的土体移动模型有区别。基于盾构法隧道统一土体移动模型,假定土体不排水,采用N. Loganathan等提出的研究方法,通过对Verriujt计算公式进行修正,推导得到盾构施工过程中由于土体损失引起的土体变形二维解,该方法适用于施工阶段。算例分析表明：所给出方法的计算结果与实测值较吻合,适用于从流塑～坚硬状态的所有黏性土。Loganathan公式只适用于流塑状态的黏性土,当土质较硬时,计算所得到的土体沉降要比实测值小;盾构施工引起的隧道上方土体沉降从地面向下呈非线性增大,在隧道顶部达到最大,离隧道越近,增长越快;隧道周围土体产生向隧道侧的水平位移,从地面向下逐渐增大,在略高于隧道轴线附近达到最大值,再逐渐减小直到0。离隧道越近,土体水平位移越大。     

浅埋盾构隧道地基弹簧刚度的求解方法

把浅埋盾构隧道简化为半无限平面的挖孔问题,采用平面弹性理论的复变函数方法,推导了反应位移法中浅埋盾构隧道地基弹簧刚度的解析公式。设定不同的埋深和土体泊松比,计算了隧道周边的压缩和剪切地基弹簧刚度,讨论了隧道埋深和土体泊松比对刚度的影响,以及压缩和剪切地基弹簧刚度的关系。结果表明：浅埋隧道与深埋隧道的地基弹簧刚度存在差异;隧道埋深和土体泊松比对地基弹簧刚度的大小和分布规律影响很大;浅埋隧道的剪切与压缩地基弹簧刚度之比沿隧道周边变化。     

既有桩基对盾构施工参数的影响研究

盾构隧道施工邻近桥梁桩基已成为目前研究的热点问题。针对盾构施工参数取值在工程中的应用价值,利用三维弹塑性有限元分析了桩基引起地层的竖向附加应力,反推出了Geedes式中的桩端阻力、桩侧阻力分担桩顶荷载的比例系数与桩长的数学表达式,并将Geedes竖向附加应力影响范围与Randolph提出的影响半径对比分析后,给出了桩基影响区域和非影响区域的界定半径;基于支护压力、注浆压力的理论取值范围及单位长度上土体损失量等于沉降槽面积的条件,利用三维弹塑性有限元进行计算分析,给出了支护压力、注浆压力在桩基非影响区域内的建议取值和土体损失的计算表达式;基于桩基非影响区域内盾构施工参数的建议取值及桩基对地层产生的附加应力,给出了桩基影响区域内盾构施工参数建议取值的数学表达式。研究结果表明:工作面的土压力阻力选取工作面静止土压力合力,注浆压力选取1.1倍的隧道埋深处水土压力时,对地层的扰动较小。     

盾构隧道施工松动土压力计算方法研究

在盾构隧道施工中,因管片支护和注浆填充,隧道拱顶土体位移受限制,土拱效应不完全发挥,土体剪应力小于其抗剪强度,使得Terzaghi松动土压力理论不适用于盾构隧道。针对这一情况,在Handy理论基础上推导了土的侧压力系数计算公式,得出侧压力系数的变化规律,其值与主应力旋转角度相关,其大小在主动土压力系数和被动土压力系数之间变化;并认为土拱效应的发挥和隧道拱顶位移相关,据此,在Terzaghi松动土压力理论基础上推导了一种可以考虑地层损失和管片刚度的松动土压力计算公式;并通过对土拱高度的讨论,提出一种简化的隧道施工扰动范围判断方法。     

遮拦叠交效应下地铁盾构掘进引起地层沉降分析

 地铁隧道施工诱发的土体沉降以及临近地下构筑物变形是我国城市轨道交通施工安全控制和风险评估中较为关心的一类施工问题。目前,针对该领域地层沉降的简化理论研究还仅仅针对自由位移场,没有考虑临近既有构筑物的遮拦效应影响。依托上海在建地铁施工工程实践,采用简化理论方法、三维有限元数值模拟方法以及现场监测方法,分析考虑运营隧道遮拦效应影响的土压平衡盾构施工引起的周围土体沉降规律,并与自由位移场条件下盾构施工引起的地层变形进行对比分析;在此基础上,给出地铁盾构复杂叠交穿越引起的临近地铁隧道的变形规律。研究表明,本文提出的简化理论方法和三维有限元数值模拟方法可以较好地模拟遮拦叠交效应下地铁盾构掘进引起的地层沉降变形;临近既有建(构)筑物施工,盾构施工引起的周围土体沉降较大程度地受到遮拦效应影响,与自由位移场条件下的计算结果对比存在较大差别。最后,结合盾构施工监测数据,提出复杂遮拦叠交效应下的盾构叠交施工变形控制技术措施。成果可为合理制定施工场地存在复杂建(构)筑物工况条件的地铁隧道开挖对周围环境保护措施提供一定的理论依据。     

多线叠交盾构施工引起土体变形数值模拟分析

针对上海地铁十一号线徐家汇站至上海体育馆站施工区间隧道四线叠交的复杂穿越形式,采用三维有限元方法,模拟了多线叠交盾构隧道施工的整个过程。利用单元生死技术和重复设定单元属性等方法实现土体卸荷、盾构推进、管片拼装以及注浆硬化等动态施工过程,针对多线叠交盾构施工穿越既有隧道区域所引起的地层变形进行了分析,将得出的数值模拟结果与监测结果进行对比,研究结果表明,地表沉降最大值的位置与盾构机顶推面位置有一定关系;当两线隧道穿越完成后,地表沉降的最大值位置与单线隧道穿越引起的最大值位置相比会发生一定量的偏移。研究成果可以为多线叠交盾构隧道施工区域保护技术的实施提供一定的理论基础。     

上海某地铁盾构隧道进出洞地基加固处理

在盾构隧道施工中,进出洞历来是工程的难点,须确保洞口土体的稳定,保证周围建筑物和施工的安全.通过对上海市某地铁盾构进洞中所遇到的问题和处理措施的研究,说明目前盾构进出洞中普遍存在的问题,并对相应的地基加固措施进行一定的比较和分析,指出了进洞土体为砂土时应注意的问题,以及避免结构施工影响地基加固效果的补救措施,并进一步提出了确保进洞时盾尾处形成闭合环的具体措施,以及采用高压旋喷作为地基加固手段的缺陷.     

双圆盾构隧道施工的有限元模拟与分析

采用三维非线性有限元法模拟了广州地铁某双圆盾构隧道试验段的实际施工过程,计算得到了地表沉降、土体内部变形、地基应力等结果,分析后得到了一些有益的结论,为完善盾构施工技术提供了计算依据,亦可为探索和完善广东软土地层中盾构隧道技术提供参考。     

盾构隧道的纵向抗震分析研究

将盾构隧道简化为一维的杆系 ,其周围的土体看作是粘弹性材料 ,将隧道的纵向抗震问题简化为粘弹性地基中弹性杆系的振动问题 ,利用粘弹性地基中杆系振动的有限单元法 ,对盾构隧道进行纵向抗震分析。同时 ,根据盾构隧道接头的特点 ,用接头单元来模拟管片的纵向接头 ,并且推导出盾构隧道纵向接头刚度的表达式。最后对地震作用下接头刚度以及地基参数对隧道的内力及变形的影响情况进行了分析研究