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。     

盾构隧道衬砌近接桥桩的施工力学响应及影响分析

衬砌结构作为盾构隧道主要承重结构,其受力特性直接决定隧道能否安全使用,运用有限元分析软件模拟不同注浆压力和不同近接距离下盾构隧道施工过程,分析衬砌结构近接桥桩的施工力学响应,结果表明:注浆压力在0.1MPa~0.5MPa范围内,随着注浆压力的增加衬砌管片的最大隆起值和最大沉降值均减小,水平最大正位移值与负位移值均增大,且管片的弯矩与剪力逐渐增大,轴力逐渐减小,其中水平位移与轴力的变化率较大;近接群桩距离的改变,衬砌管片的内力与变形均随着距离的增大而减小,逐渐接近于无桩时的状况,其中管片的沉降最大值与轴力的减少幅度较大。研究结果为类似工程提供参考。     

盾构隧道衬砌结构的壳-接头模型研究

提出了一种新型的盾构隧道衬砌结构计算模型——壳-接头模型。该模型中采用壳单元模拟衬砌管片,管片和管片环之间通过接头联接单元相连。基于对盾构隧道衬砌结构接头力学特性的分析,建立了接头联接单元的刚度矩阵和计算流程,定义了弯曲、剪切和拉压刚度的计算方法,使之能准确模拟接头的力学行为。最后利用壳-接头模型模拟盾构隧道接头原型试验,计算结果与试验较为吻合,验证了壳-接头模型模拟盾构隧道衬砌结构力学行为的准确性和适用性。     

广州地铁二号线EPB盾构隧道研究综述

本文在分析、总结国内外相关文献和材料的基础上 ,结合广州地铁二号线首期工程 ,着重分析了盾构隧道掘进机的选型 ;盾构隧道衬砌接头刚度的确定和优化设计 ;盾构隧道衬砌结构的抗震设计分析 ;土压平衡 (EPB)盾构隧道工程信息化施工现场监测技术 ;EPB盾构隧道动态施工全过程三维有限元模拟等急需解决的问题 ,所得到的结果与结论可用于指导盾构隧道的设计和施工     

复杂地层条件下管片设计与计算方法研究

隧道衬砌结构设计模型随着国际技术合作和交流的增加而趋于一致 ,但各国对衬砌结构计算理论的研究从来没有停止过 ,提出了越来越多的计算模型。针对盾构隧道施工过程中的施工步骤、管片与土层接触面并结合盾构施工的特点 ,利用应力释放系数的概念 ,建立了模拟盾构隧道衬砌施工全过程的有限元分析方法 ,进行了有限元模拟分析。对隧道衬砌的优化设计提供参考。     

广州地铁二号线EPB盾构隧道研究综述

本文在分析、总结国内外相关文献和材料的基础上，结合广州地铁二号线首期工程，着重分析了盾构隧道掘进机的选型；盾构隧道衬砌接头刚度的确定和优化设计；盾构隧道衬砌结构的抗震设计分析；土压平衡(EPB)盾构隧道工程信息化施工现场监测技术；EPB盾构隧道动态施工全过程三维有限元模拟等急需解决的问题，所得到的结果与结论可用于指导盾构隧道的设计和施工。     

盾构管片错缝拼装的一种简化计算有限元模型

盾构隧道衬砌存在通缝和错缝拼装两种形式,错缝拼装情况下,管片接头的有限元模拟存在一定难度.在采用壳-弹簧模型模拟衬砌前提下,提出一种计算盾构管片错缝拼装的简化有限元模型,同时验证了此模型的合理性.分析成果对目前盾构管片的设计具有一定的参考价值.     

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。     

盾构隧道横向地震响应规律研究

盾构隧道衬砌是典型的装配式衬砌,各种类型接头的存在使得它与整体式衬砌的力学特性存在较大差异。将管片横向接头考虑为旋转弹簧、管片环间接头考虑为剪切弹簧的梁–弹簧模型能够真实地反映管片衬砌的力学行为,但该模型目前仅应用于静力及拟静力分析。将动力有限元方法和梁–弹簧结合起来,提出一种盾构隧道横断面地震响应分析的动力有限元计算模型和方法,这种方法能够有效地模拟地基与结构之间的动力相互作用,能够模拟不同管片接头形式及纵向拼装方式的影响,并且具有很高的计算精度和效率。随后利用该方法对武汉长江隧道工程盾构段典型横断面进行了隧道地震响应分析,研究了不同的结构及接头参数对结构受力与变形的影响规律以及地基加固的减振效果。分析结果表明,管片横向、纵向接头刚度以及管片厚度的改变对衬砌整体变形的大小影响较小,但对衬砌内力尤其是剪力和弯矩的影响显著,三者的增大都会增大结构的内力,而对盾构隧道周围的土体采取适当方法进行地基加固处理,能有效降低结构的内力和变形,减震效果显著。     

软土地层中的圆形隧道载荷模式研究

对圆形隧道作用荷载的影响因素，如隧道埋深、施工工艺以及计算方法等作了系统分析。通过对作用在上海软土地层中的3条隧道上的土压力实测值的分析表明，作用在隧道上的土压力值及其分布规律不仅由于隧道的施工方法（挤压盾构或者EPB盾构）有较大差异，而且在隧道的施工阶段和正常使用阶段也不同。在隧道施工阶段，挤压盾构法隧道衬砌呈现“竖鸭蛋”变形，而EPB盾构隧道衬砌则呈现“横鸭蛋”变形。根据经典的主动土压力理论和静止土压力理论计算出的隧道侧压力小于现场的实测值，且二者的偏差较大。根据本文提出的圆形隧道土压力的余弦变化规律理论对3条隧道的荷载进行计算，计算结果与实测值吻合得很好。     

盾构隧道施工阶段管片上浮的力学分析

 盾构隧道衬砌管片在施工阶段处于复杂的受力状态,易出现管片错台、整体上浮等现象。对盾构隧道施工阶段管片注浆段进行受力分析,考虑静态上浮力和动态上浮力,分别分析其作用机制,提出上浮阶段的衬砌环受力模型及计算公式。针对盾构隧道衬砌环在正常设计状态与上浮状态下的受力不同,采用修正惯用法衬砌设计理论分别对其进行内力计算,并将计算结果进行对比分析。结果表明：上浮状态下管片的弯矩值、剪力值和轴力值分别比正常设计状态下的管片内力增加64%,51%和46%,表明隧道上浮对管片受力不利。其中施工阶段动态上浮力对管片的受力影响非常大,超过静态上浮力,必须对其进行合理控制,防止压裂管片。     

盾构施工中不利工况下隧道结构的力学行为

钱江隧道是目前世界上最大直径的软土盾构隧道工程之一。采用有限元分析方法,对盾构掘进与管片拼装阶段中常见的K块挤入、壁后注浆缺陷、环面不平整、盾构纠偏或曲线推进等不利工况,分析隧道结构的受力和变形特征。结果表明:K块挤入对邻接块的受力状态的影响最为明显,K块宜位于衬砌环腰线以上区域。环面不平整、壁后注浆缺陷和盾构纠偏(或曲线推进)将显著影响盾构推进阶段的衬砌的受力和变形。当环面不平整超过1 mm时,壁后注浆缺陷超过1 m²,或盾构纠偏顶部推力最大时,极易造成管片结构局部开裂、破损。在今后的设计和施工控制中应予以充分考虑。     

大直径越江盾构隧道结构受力现场实测分析

以南京地铁3号线越江隧道为依托,通过对大直径越江盾构隧道3环管片周边荷载、钢筋应力进行监测,并对实测数据进行统计分析,探讨越江盾构隧道施工期以及施工后一段时间,盾构隧道荷载、受力变化特征,并根据现场实测应力计算盾构管片内力,采用修正惯用法和梁-弹簧法计算隧道衬砌内力,并与实测值进行比较.研究结果表明:盾构掘进过程会引起...     

盾构管片接头简化数值模拟方法

由管片组装的盾构隧道衬砌环刚度分布不均,其薄弱环节为管片接头处。管片接头刚度的合理确定对于盾构隧道施工全过程模拟的合理性、地表沉降槽的确定以及土体损失的准确估算至关重要。根据管片接头受力特点及其构造,考虑对管片接头及其附近区域进行刚度修正,而管片其余区域保持原刚度不变,提出管片接头简化数值模拟方法——局部刚度修正法。基于圣维南原理和变刚度梁理论,推导了确定接头刚度的公式,并给出了相关参数的确定方法。结合室内盾构管片接头足尺试验成果,对不同荷载作用下管片接头的变形情况进行了数值模拟及对比分析。研究成果为盾构三维施工全过程的精细化数值模拟分析奠定了基础。     

基于接头非线性抗弯刚度的盾构隧道迭代算法的实现与应用

盾构隧道接头环向抗弯刚度反映了接缝在一定的轴力水平下抵抗弯矩作用产生变形的能力,具有典型的非线性特征,设计中对刚度取值的偏差会导致结构变形和内力出现差异。通过将管片接头弯矩-轴力-转角的三维曲面参数编制汇总到数据库文件中,实现接头非线性力学效应向整环模型输入的迭代计算方法。采用接头刚度迭代算法与传统的(修正)惯用法、多铰圆环法、梁-弹簧模型的内力与变形结果进行比较。运用大比尺相似结构模型试验对不同外荷载作用下的计算成果进行验证。最后采用迭代算法对复合地层条件下的衬砌结构进行计算分析,并利用现场实测数据进行验证。研究结果表明:接头刚度影响着衬砌的整环抗弯刚度,对于受力均匀的衬砌结构而言,采用梁-弹簧模型的计算结果与迭代计算模型相差不大,满足工程设计要求;对于上下交叠的软硬程度差异极大的复合地层而言,衬砌结构内力相差较大,采用接头刚度迭代算法的计算结果与现场实测值吻合较好,证实了该算法的可行性和合理性。     

超大直径盾构法隧道施工期衬砌结构安全性

以上海长江隧桥工程中的超大直径盾构为背景,以盾构法隧道施工中管片拼装变形、注浆产生的附加应力以及隧道上浮等施工工况的受力条件为研究对象,通过1∶1衬砌水平整环错缝结构加载试验,取得结构试验数据。通过三维数值模拟分析,确立施工期隧道衬砌结构的计算模型、计算参数和计算方法,验算施工期隧道结构的安全性,并提出隧道施工质量控制技术措施和管片构造要求。     

热力盾构隧道先盾后井施工衬砌接头变形机理与控制

先盾后井是热力盾构隧道建设中一种高效经济的施工工法。结合中国首例大断面热力盾构隧道工程,基于纵向等效连续化模型和弹性地基梁理论,对施工过程中衬砌接头受力特征和变形机理进行了分析,并提出控制措施;然后建立了衬砌接头全断面接触面单元数值模型,对控制效果进行分析和评价;最后通过现场监测,得到了不同施工阶段管片纵向轴力及接缝变形规律。研究结果表明:先盾后井工法施工中,衬砌接头变形分为两个阶段:基坑开挖及管片拆除,其中管片拆除为接头变形的主因,基坑施工中,基底卸荷产生的负弯矩作用于隧道上,导致邻近竖井管片底部轴力减小、环缝张开,拆除基坑内管片时,作用于端头管片的残余盾构推力和螺栓预紧力消失,导致管片纵向轴力进一步衰减,环缝二次张开;根据现场监测结果,提出的对邻近竖井的管片纵向拉紧并复紧连接螺栓,进行混凝土铺底及衬砌背后二次注浆的控制措施能够有效控制轴力损失,减小接头变形,施工中环向接缝最大张开量3.51 mm,满足隧道防水要求;采用全断面接触面单元建立的数值模型可以较为精确地模拟施工中管片接头力学行为,其结果可作为控制效果评价参考依据。     

地铁隧道钢纤维混凝土管片力学性能研究

为研究施工荷载作用下,管片局部抗压及环缝等薄弱部位的受力性能,对钢纤维混凝土管片的力学性能进行了三维数值模拟及现场试验,研究内容包括:(1)千斤顶作用下管片的局部抗压性能;(2)盾构直线推进及纠偏工况时管片的力学性能。研究结果表明,在最大施工荷载(900kN)作用下,管片局部抗压性能及手孔等应力集中部位均满足设计要求。同时,管片在施工荷载作用下没有裂缝产生,说明钢纤维混凝土管片抗裂性能较强。这也表明钢纤维的加入,大大提高了混凝土管片的力学性能,钢纤维混凝土管片用于地铁隧道工程是可行的。     

探地雷达在承压水条件下盾构进出洞环箍注浆质量检测中的应用

上海市轨道交通14号线某区间盾构进出洞时面临承压含水层问题,为保证盾构顺利施工,采用探地雷达探测环箍注浆效果,指导判断衬砌与盾构机之间、衬砌与周围加固土之间的间隙填充情况,以期形成有效的“瓶塞”效应,防止承压水沿管片界面渗入盾构机内部。结合工程实际情况,充分验证了采用探地雷达进行环箍注浆质量检测的可行性,可为类似项目施工提供借鉴。     

管片衬砌承担高内水压力的可行性分析

 双护盾掘进机掘进与管片衬砌几乎同时进行,具有快速施工的特点,但管片衬砌能否承受电站引水隧洞高内水压力作用,是决定引水隧洞能否采用管片衬砌及TBM施工的关键之一。结合青松电站引水隧洞,对管片衬砌在承受高内水压力作用下的应力与变形特性进行三维有限元计算,对影响管片接缝张开的主要因素进行分析,获得在高内水压力作用下的管片应力、变形分布,深化对高内水压力作用下的管片衬砌特性的认识。计算发现在内水压力作用下,管片衬砌具有柔性变形特征,就青松电站而言,在现有的接缝止水技术条件下,管片衬砌可承受高水头内水压力作用,这对推动管片衬砌及TBM在引水隧洞中的应用具有重要意义。