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     

考虑管片环间接头弱化的新建隧道上穿引起既有盾构隧道纵向变形分析

探究新建隧道上穿引起既有盾构隧道的纵向变形规律,对进一步评估并减少新建隧道施工对既有盾构隧道的不利影响具有重要的现实意义。现有解析方法多是将既有盾构隧道简化为搁置于线弹性地基上的等效连续梁,不能考虑隧道管片环间接头的弱化和土体非线性变形特征。首先,引入接头非连续盾构隧道模型和非线性Pasternak地基模型来考虑隧道管片环间接头的弱化及隧道–地基的非线性作用,推导得到新建隧道上穿开挖下既有盾构隧道纵向变形控制微分方程;其次通过有限差分法和牛顿迭代法求解得到既有盾构隧道纵向变形的数值解答;最后,对2个工程案例及常用等效连续梁模型对比验证。研究结果表明：等效连续梁模型计算得到的隧道纵向变形表现为连续特征,而所提方法考虑了隧道接头弱化作用,得到的隧道纵向变形表现为非连续特征,隧道纵向位移和弯矩在接头处会发生突变。通过参数分析可知,增加新旧隧道间净距可有效减少既有盾构隧道的隆起变形、弯矩和环间接头张开量;随着管片长度增加,既有盾构隧道的隆起位移略有减少,但是管片间环间张开量及弯矩随之增大;增加环间接头的刚度可有效减少既有盾构隧道的竖向位移和张开量,但是会导致隧道弯矩增加。     

地表堆载对既有盾构隧道纵向变形影响

临时基坑开挖弃土和建筑垃圾引起的地表堆载将对盾构隧道产生不利影响,威胁盾构隧道运营安全,因此有必要评估地表堆载作用下盾构隧道的变形。利用非线性Pasternak地基模型,考虑地基非线性变形特点,通过接头非连续盾构隧道计算模型反映盾构隧道环间接头的影响,利用两阶段法,推导得到地表堆载作用下盾构隧道纵向变形简化计算方法。首先,通过Boussineq解求得地表堆载下盾构隧道所受附加荷载; 其次,将附加荷载作用于盾构隧道,结合接头非连续盾构隧道模型推导得到盾构隧道在地表堆载作用下的纵向变形方程,并使用有限差分法对方程进行求解,最后结合2个工程案例验证了所提方法的合理性。结果表明:增加盾构隧道环间接头的转动刚度对减小隧道沉降的作用较小,但可以有效减小接头张开量; 增加堆载长度会同时增大盾构隧道沉降量和沉降范围,而增加堆载宽度只会导致隧道沉降量缓慢增加,但不会引起隧道沉降范围增大; 增大堆载边界线到隧道轴线的距离会有效减少堆载引起的沉降量。     

考虑水平及竖向地震影响的盾构隧道动力分析及Pushover方法研究北大核心

为了研究竖向地震对盾构隧道的影响,并得到考虑竖向地震影响的简化静力计算方法,基于静动力统一粘弹性人工边界单元,分别建立了包含周围地基土-盾构隧道结构体系的二维非线性有限元动力和静力模型,研究了地铁隧道结构的地震反应特性,对比了仅考虑水平地震和同时考虑竖向地震输入情况下,盾构隧道的动力反应,分析了竖向地震对盾构隧道的动力性能的影响,可以看出,竖向地震对地下盾构隧道影响较大,应考虑竖向地震影响,并提出一些抗震措施建议.通过静力计算模型,基于一维动力模型输入水平地震和竖向地震波作用,获得土层的分布形式,得到一维场地反应计算目标位移,研究了考虑水平及竖向输入的静力推倒的弹塑性方法(Pushover分析)的加载模式,并采用竖向均布的体力模拟竖向地震动,与动力时程计算结果进行对比研究,讨论了考虑竖向Pushover方法的适用性,提出了考虑竖向地震荷载的静力简化方法,采用倾斜度作为抗震性能指标,并讨论了隧道结构的地震破坏准则。     

隧道纵向剪切效应的简化弹性地基柱壳理论解析

基于弹性板理论，考虑板壳剪切变形的影响，将隧道作为弹性地基上的柱壳，采用弹性柱壳理论及简化三角函数表达的地基位移函数，经理论推导，提出将盾构管片隧道刚度离散为显式的环向剪切刚度及径向剪切刚度，并从理论上计算分析和探讨板壳弯曲刚度和剪切刚度对隧道横断面结构内力的影响，得出提高隧道切向剪切刚度能够改善纵向结构传力性能，减少横向弯曲变形等重要结论；提出在软弱地层中，隧道横向采用一定刚度的柔性设计，而隧道纵向则采用一定柔度的刚性设计的设计思想，这对于优化现行隧道纵、环向刚度设计具有指导意义，是隧道纵向剪切传递理论的一个重要补充。     

基坑开挖诱发下卧盾构隧道纵向非线性变形研究EI北大核心CSCD

目前预测基坑开挖诱发下卧盾构隧道纵向变形的简化计算方法大多采用弹性地基模型考虑隧道–地基的相互作用,无法进一步反映土体非线性变形特征。通过引入非线性Pasternak地基模型考虑隧道–地基的非线性相互作用,推导得到基坑卸载下盾构隧道纵向变形控制微分方程。通过有限差分法将隧道纵向变形控制微分方程转化为矩阵–向量形式,利用牛顿迭代法求解得到基坑卸载下盾构隧道纵向变形的数值解答。通过与三维有限元算例和2个工程案例进行对比分析,验证所提方法的合理性和适用性。研究表明:当基坑开挖引起盾构隧道纵向隆起量较小时,基于Winkler和Pasternak弹性地基模型的简化计算方法与所提方法均能较好地预测隧道纵向隆起位移量;而当基坑开挖引起盾构隧道纵向隆起位移较大时,基于Winkler和Pasternak弹性地基模型的简化计算方法明显低估盾构隧道的隆起量,而采用非线性Pasternak地基模型预测计算方法则提供更加可靠的预测结果。     

考虑衬砌接头的土-盾构隧道有限元模型初探

本文作者详细推导了由梁单元和衬砌接头单元组成的混合单元的刚度矩阵,形成了考虑衬砌拉头的土－盾构隧道有限元模型。利用有限元法计算了考虑衬砌接头和不考虑衬砌接头两种情况下衬砌的内力和衬砌的变形。由计算可知,衬砌接头对衬砌的轴力和位移影响相对较小,但对衬砌的弯矩影响较大,因此在盾构隧道的抗震设计中必须考虑衬砌接头的影响,否则将使设计趋于保守。     

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。     

穿断层分段柔性接头隧道纵向地震响应解析解

地震发生伴随的断层错动是穿断层隧道灾变防控的重点和难点，目前比较有效的措施是通过设置柔性接头来适应断层的错动，但是对于柔性接头隧道的分段设计和参数取值缺少理论依据。以穿断层分段柔性接头隧道为研究对象，将分段隧道简化成有限长梁，隧道接头简化为剪切和弯曲弹簧元件，围岩简化为Pasternak双参数地基。为了合理考虑断层场地的不连续性，将断层带及上、下盘的非连续位移场等效为荷载施加在隧道梁上。基于建立的控制方程及边界条件，推导出分段柔性接头隧道在断层错动作用下的纵向地震响应解析解。通过与相同计算条件下的模型试验和数值计算结果对比分析，验证了解析方法的正确性。最后应用解析解对穿断层分段柔性接头隧道设计的关键参数进行敏感性分析，揭示了分段柔性接头布置方式和隧道本体-接头刚度比等因素对隧道结构内力响应的影响规律。结果表明：设置柔性接头可有效降低断层带影响区域内隧道结构纵向的内力响应，且柔性接头数量越多，隧道结构内力响应越小，若将柔性接头分别布置于断层错动面、断层与上/下盘交界面处，可以显著降低隧道结构的内力响应；而通过调整接头刚度来增大隧道本体-接头刚度比可以进一步降低隧道结构的内力响应。研究可为...     

盾构隧道管片环纵向接头抗弯刚度值的不动点迭代确定方法

 盾构隧道管片环纵向接头构造复杂,偏压荷载作用下,其变形具有明显的非线性特征,合理的接头抗弯刚度值是运用梁–弹簧模型进行盾构隧道管片环断面设计、计算的前提,而该抗弯刚度值与接头截面处内力组合情况密切相关。针对双衬垫式管片环纵向接头,利用已有简化力学模型,提出一定轴压作用下,接头各变形模式及各模式下的抗弯刚度解析式,并将已有管片接头各工况加载试验的转角实测值与对应变形模式的理论计算值进行对比,验证了其工程设计适用性。根据接头各变形模式下抗弯刚度解析式,结合基于梁–弹簧模型考虑接头刚度差异性的管片环内各纵向接头处截面内力解析式,构造关于管片环内各纵向接头抗弯刚度值的非线性方程组,由数值计算软件Maple编写该接头刚度非线性方程组的不动点迭代求解程序,多次试算最终得到合理的管片环内各纵向接头抗弯刚度值。     

考虑横向性能的盾构隧道纵向等效刚度分析

盾构隧道作为一个三维问题,其横向性能与纵向性能是密切联系的,将其横向和纵向割裂为两个平面问题,虽然可使问题简单化,但无法考虑纵横向性能的匹配关系。在横向修正惯用法的基础上,将横向弯曲刚度有效率引入到纵向等效连续化模型的推导中,对考虑横向刚度影响的盾构隧道纵向等效抗弯刚度进行理论推导,得到了考虑横向刚度有效率的纵向等效抗弯刚度计算式,从而初步将纵向刚度的分析与横向刚度的变化统一起来,进而也说明了盾构隧道纵、横向抗弯刚度的相关性和匹配性。实例分析表明：盾构隧道横向抗弯刚度的大小与纵向等效抗弯刚度关系密切,表现为同方向、近线性关系变化,即纵向抗弯刚度随横向抗弯刚度的增大而增大。     

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。     

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。     

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。     

局部均布荷载作用下软土盾构隧道结构分析

通过对集中荷载作用下弹性地基梁挠曲曲线函数进行积分,推出局部均布荷载作用下软土盾构隧道结构简化为弹性地基梁进行纵向结构分析时的挠度、转角、弯矩、剪力及地基反力的解析表达式,并对上海典型地质条件下的盾构隧道结构进行计算,得出其隧道结构纵向各个位置挠度、转角、弯距、剪力及地基反力的值,对局部均布荷载作用下软土盾构隧道结构纵向设计具有指导意义。     

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。     

粘弹性阻尼器在砌体结构加层的控制应用

采用轻型钢结构加层是对砌体结构加层的一种十分有效的方法。但由于鞭鞘效应 ,轻型钢结构自身的层间位移较大 ,常常不能满足设计要求 ,因此 ,文中提出在加层中设置粘弹性阻尼器支撑 ,对结构振动进行控制 ,从而使整体结构满足抗震设防要求的全新技术方法。文中推导了粘弹性阻尼器和人字型支撑的组合层间单元刚度矩阵和控制力向量 ;建立了设置粘弹性阻尼器砌体结构地震反应时程分析的控制方法。     

局部线性分布荷载作用下软土盾构隧道解析解

通过对集中荷载作用下弹性地基梁挠曲曲线函数进行积分,推出局部线性分布荷载作用下软土盾构隧道结构简化为弹性地基梁进行纵向结构分析时挠度、转角、弯矩及剪力的解析表达式;并对上海地铁2号线的盾构隧道结构进行计算,得出其隧道结构纵向各个位置挠度、转角、弯矩及剪力的值,对局部线性分布荷载作用下软土盾构隧道结构纵向设计具有重要意义。     

考虑水平及竖向地震影响的盾构隧道动力分析及Pushover方法研究

为了研究竖向地震对盾构隧道的影响,并得到考虑竖向地震影响的简化静力计算方法,基于静动力统一粘弹性人工边界单元,分别建立了包含周围地基土-盾构隧道结构体系的二维非线性有限元动力和静力模型,研究了地铁隧道结构的地震反应特性,对比了仅考虑水平地震和同时考虑竖向地震输入情况下,盾构隧道的动力反应,分析了竖向地震对盾构隧道的动力性能的影响,可以看出,竖向地震对地下盾构隧道影响较大,应考虑竖向地震影响,并提出一些抗震措施建议.通过静力计算模型,基于一维动力模型输入水平地震和竖向地震波作用,获得土层的分布形式,得到一维场地反应计算目标位移,研究了考虑水平及竖向输入的静力推倒的弹塑性方法(Pushover分析)的加载模式,并采用竖向均布的体力模拟竖向地震动,与动力时程计算结果进行对比研究,讨论了考虑竖向Pushover方法的适用性,提出了考虑竖向地震荷载的静力简化方法,采用倾斜度作为抗震性能指标,并讨论了隧道结构的地震破坏准则。     

盾构隧道纵向结构变形模式及理论模型#br#

盾构隧道在长期运营中极易发生不均匀沉降及纵向结构变形，因而有必要建立隧道纵向结构计算模型，分析隧道纵向变形及内力特征。首先探讨隧道纵向变形模式，将隧道变形归纳为两种模式：①弯曲变形模式；②错台变形模式。其次针对现有纵向结构计算模型进行总结并分析其优缺点，根据模型的简化过程将现有模型归纳为两类：①纵向管片环-接头模型；②纵向等效连续化模型。针对隧道实际剪切错台变形的特点，重点介绍一种基于铁木辛柯梁理论的隧道纵向连续化模型，并通过实例分析其优越性。